Silenziamento di applicazioni rumorose con i regolatori µModule® Silent Switcher di ADI

Non esiste il silenzio in un'applicazione elettronica sensibile, letteralmente. Questo perché eliminare tutti i disturbi generati da interferenze elettromagnetiche (EMI) dagli alimentatori è praticamente impossibile. I diversi approcci progettuali per mitigare questo problema spesso comportano compromessi che possono creare una maggiore complessità.

Gli ingegneri fanno i salti mortali per cercare di ridurre le EMI in applicazioni sensibili al rumore come gli alimentatori in radiofrequenza (amplificatori), i convertitori di dati ad alta velocità, la strumentazione sensibile e i sistemi di imaging e diagnostica medica. Di solito ciò significa aggiungere componenti, schermature e filtri, che possono aumentare la complessità, il costo, le dimensioni e il peso.

Gli alimentatori a commutazione (SMPS) e i convertitori elettronici sono una delle principali cause delle EMI, complicando la progettazione di molte applicazioni nei sistemi automotive, nei prodotti elettronici consumer, nell'automazione industriale e nelle telecomunicazioni.

La commutazione rapida riduce al minimo la perdita di energia per i convertitori c.c./c.c., nonché per i raddrizzatori c.a./c.c., gli inverter c.c./c.a. e i convertitori c.a./c.a. Tuttavia, ciò comporta il costo di generare energia ad alta frequenza e transitori che possono causare conduzione e radiazioni EMI.

Le EMI possono degradare le prestazioni del sistema, interferire con le frequenze radio, causare il malfunzionamento dei componenti e impedire il funzionamento di dispositivi critici come i pacemaker e i sistemi di sicurezza automotive. Una delle principali cause delle EMI in questi sistemi è la corrente di modo comune che scorre nella stessa direzione attraverso due o più conduttori, inducendo campi magnetici.

Molte, se non la maggior parte, delle applicazioni elettroniche negli Stati Uniti devono rispettare le norme della Federal Communications Commission Part 15, volte a prevenire interferenze dannose, anche da parte di dispositivi non RF. Le applicazioni industriali e di comunicazione internazionali devono essere conformi agli standard CISPR 22 Classe B e le applicazioni automotive agli standard internazionali CISPR 25. Altre aree geografiche hanno certificazioni di conformità simili.

I test EMI spesso sono effettuati in fasi avanzate del ciclo di progettazione, per cui i problemi e le azioni correttive possono comportare costosi ritardi nei prodotti. Peggio ancora, se i problemi legati alle EMI vengono scoperti sul campo, possono essere più difficili da individuare e richiedere costosi interventi di rimedio.

Per contrastare le EMI si possono utilizzare diversi tipi di componenti. I regolatori lineari a bassa caduta (LDO) sono un approccio convenzionale e a basso costo per proteggere i carichi a valle dai transitori di tensione e dal rumore dell'alimentatore. Tuttavia, possono risultare soluzioni ingombranti e spesso prive delle necessarie funzioni di protezione.

Gli LDO più avanzati con un elevato rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) migliorano la soppressione del rumore, ma non migliorano direttamente l'efficienza o le prestazioni termiche. Utilizzati insieme ai regolatori a commutazione, possono combinare un'elevata efficienza con un basso livello di rumore.

I progettisti possono anche concentrare gli sforzi sul layout della PCB per ridurre al minimo le aree di anello che propagano le EMI e separare i circuiti rumorosi da quelli sensibili. Un altro approccio spesso complementare consiste nell'isolare o racchiudere i componenti con materiali che schermano contro le EMI, come metalli e leghe metalliche. Si possono utilizzare anche amplificatori a basso rumore.

Ciascuna di queste tecniche di riduzione delle EMI, spesso utilizzate in concomitanza, aumenta la complessità della progettazione, spingendo gli sviluppatori a cercare un metodo di semplificazione.

Semplificare i problemi delle EMI nella progettazione

La crescita delle applicazioni che si affidano agli SMPS sta superando il numero di progettisti in grado di soddisfare i severi requisiti EMI. A molti progettisti digitali viene chiesto di colmare i vuoti di competenze causati dalla carenza di progettisti di alimentatori analogici. Questa tendenza, unita alla crescente complessità della progettazione degli SMPS, segnala la necessità di una maggiore integrazione dei componenti SMPS per semplificare i processi.

Analog Devices, Inc. (ADI) si è mossa per semplificare le sfide di progettazione EMI con l'introduzione della tecnologia Silent Switcher^® nel 2015. L'obiettivo è ottimizzare le tecniche di commutazione e semplificare la progettazione delle schede a circuiti stampati (PCB). I dispositivi Silent Switcher di prima generazione, come il modello LT8640, riducono la resistenza parassita grazie all'utilizzo di un contenitore flip-chip a pilastri in rame al posto del filo incollato per collegare i die al substrato. L'azienda ha inoltre incorporato un gruppo propulsore progettato per migliorare l'efficienza ad alta frequenza.

Questi dispositivi di prima generazione hanno anche diviso singoli "anelli caldi" ad alta corrente in anelli doppi con flussi opposti che hanno cancellato le EMI propagate. Un singolo anello di grandi dimensioni presenta elevati elementi parassiti e forti campi magnetici che possono contribuire alle EMI sotto forma di radiazione. I dispositivi Silent Switcher incorporano anche driver di commutazione interni per ridurre al minimo la perdita di potenza di commutazione.

Nel 2017, ADI ha presentato un convertitore buck sincrono monolitico a basse EMI basato su un'architettura Silent Switcher 2. In questa generazione, dispositivi come LT8640S-2 hanno ridotto la dipendenza da componenti esterni integrando condensatori, anelli caldi e un piano di massa in un nuovo contenitore LQFN. Ciò ha consentito di ridurre le dimensioni delle soluzioni e di eliminare la sensibilità del layout della scheda per migliorare le prestazioni EMI. Inoltre, i dispositivi Silent Switcher 2 includono un maggior numero di pilastri in rame e grandi piazzole esposte, aumentando le prestazioni termiche e l'efficienza.

Nel 2021, ADI ha introdotto un'architettura Silent Switcher 3 aggiornata con il regolatore step-down sincrono LT8627SP, caratterizzato da prestazioni di rumore a bassa frequenza ultra-ridotte, rapidissima risposta ai transitori ed elevata efficienza alle alte frequenze di commutazione, al contempo mantenendo le EMI estremamente basse. Inoltre, la parte superiore del die è esposta per il collegamento opzionale di un dissipatore di calore per applicazioni ad alta temperatura ambiente.

Regolatori µModule Silent Switcher 3

La tecnologia Silent Switcher 3 è ora disponibile nelle soluzioni di alimentazione altamente integrate COP µModule® di ADI. Questo tipo di confezionamento offre migliori prestazioni termiche e consente di ridurre ulteriormente le dimensioni totali della soluzione, per soluzioni di alimentazione piccole, efficienti e affidabili.

Altri vantaggi chiave dei regolatori µModule sono il risparmio di tempo e la riduzione degli sforzi di progettazione, collaudo e qualificazione dei regolatori c.c./c.c. ADI integra il controller, i MOSFET di potenza, l'induttore e altri componenti di supporto in un unico contenitore compatto. Possono essere utilizzati come soluzione di alimentazione per un'ampia gamma di applicazioni di telecomunicazione, connettività di rete e apparecchiature industriali, alimentatori RF, strumentazione a basso rumore e convertitori di dati ad alta velocità e alta precisione.

LTM4702 (Figura 1) è un regolatore step-down µModule da 8 A completo in un contenitore BGA ultracompatto di 6,25 × 6,25 × 5,07 mm, che incorpora un CI di regolazione basato su Silent Switcher che garantisce basse EMI ed elevata efficienza. Funziona in un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 3 e 16 V e supporta un intervallo di uscita da 0,3 a 5,7 V.

Figura 1: µModule LTM4702 di ADI integra controller, MOSFET di potenza, induttore e altri componenti di supporto per il convertitore buck in un contenitore compatto avanzato. Questo modulo elimina la necessità di utilizzare gli LDO nelle applicazioni sensibili al rumore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Si possono utilizzare più LTM4702 in parallelo per produrre correnti di uscita più elevate. È possibile mettere in parallelo un massimo di 12 fasi per farle funzionare simultaneamente fuori fase, programmando il pin PHMODE di ciascun LTM4702 su diversi livelli di tensione.

Inoltre, il regolatore di commutazione sincrono LTM4702 ha un eccezionale rumore di uscita a bassa frequenza (da 10 Hz a 100 kHz). È particolarmente adatto per applicazioni ad alta corrente e sensibili al rumore. Il dispositivo utilizza un'architettura PWM a frequenza costante programmabile per passare da 300 kHz a 3 MHz utilizzando un resistore legato dal pin RT a massa.

Un singolo resistore imposta la tensione di uscita di LTM4702 per fornire un guadagno unitario sulla retroazione della tensione di uscita e un rumore di uscita virtualmente costante e indipendente dalla tensione di uscita. Per la maggior parte delle applicazioni sensibili al rumore, LTM4702 elimina la necessità di LDO di post-regolazione e di filtri LC e richiede solo condensatori di ingresso e di uscita per completare il progetto.

La scheda di valutazione EVAL-LTM4702-AZ (Figura 2) è disponibile per la configurazione e la valutazione delle prestazioni di LTM4702.

Figura 2: La scheda di valutazione EVAL-LTM4702-AZ di ADI fornisce ai progettisti un convertitore a commutazione c.c./c.c. step-down per valutare le prestazioni di LTM4702. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTM8080 (Figura 3) è un dispositivo da 40 V_IN, doppio da 500 mA o singolo da 1 A che integra due regolatori LDO ad altissimo PSRR con un regolatore c.c./c.c. Silent Switcher separato da uno scudo EMI integrato in un contenitore BGA sovrastampato di 9 × 6,25 × 3,32 mm dal profilo termico ottimizzato. Supporta un campo di frequenze di commutazione da 200 kHz a 2,2 MHz e un intervallo di tensioni di uscita da 0 V a 8 V.

Figura 3: µModule LTM8080 di ADI integra due LDO e un regolatore c.c./c.c. a commutazione Silent Switcher con uno scudo EMI tra i due in un contenitore compatto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il regolatore di commutazione front-end è un alimentatore c.c./c.c. a commutazione step-down non isolato che può erogare fino a 1,5 A di corrente continua. I regolatori lineari LDO back-end utilizzano l'architettura a bassissimo rumore di ADI (2 nV/√Hz a 10 kHz) e ad altissimo PSRR (76 dB a 1 MHz). Le uscite LDO possono essere messe in parallelo per aumentare la corrente di uscita

Per valutare LTM8080, i progettisti possono utilizzare il circuito dimostrativo DC3071A (Figura 4), con un ampio intervallo di funzionamento compreso tra 4 V e 40 V.

Figura 4: Il circuito dimostrativo DC3071A comprende un µModule LTM8080 con due uscite, ciascuna regolabile a 3,3 V/0,5 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Conclusione

I regolatori µModule Silent Switcher di ADI sono una soluzione robusta per le sfide legate alle EMI nelle applicazioni elettroniche sensibili al rumore. Integrando la tecnologia avanzata Silent Switcher 3 in progetti System-in-Package altamente compatti ed efficienti, questi regolatori µModule semplificano la progettazione, migliorano le prestazioni termiche ed eliminano la necessità di post-regolatori LDO nella maggior parte delle situazioni.

Dai convertitori di dati ad alta velocità ai sistemi RF, dall'imaging medicale alle apparecchiature industriali, questi regolatori µModule consentono agli ingegneri di ottenere un rumore bassissimo e un'elevata efficienza senza la complessità aggiuntiva dei metodi tradizionali di riduzione delle EMI. Con prodotti come LTM4702 e LTM8080, Analog Devices continua ad essere leader nell'offerta di soluzioni innovative che soddisfano le rigorose esigenze dell'elettronica moderna, garantendo prestazioni affidabili anche nelle applicazioni più critiche dal punto di vista del rumore.