Mito sfatato: il rumore dei CI regolatori a commutazione ad alta corrente può scendere e avvicinarsi a quello degli LDO

Nonostante la continua evoluzione della tecnologia e malgrado i notevoli progressi compiuti nel frattempo, alcuni vecchi cliché e luoghi comuni continuano a resistere al cambiamento. Di tanto in tanto sento ancora alcuni nostalgici dei bei vecchi tempi dire che il modo per prolungare la vita di una batteria ricaricabile è quello di scaricarla completamente e poi ricaricarla. Se questo poteva essere vero per la classica chimica del nichel-cadmio (NiCad), è assolutamente sbagliato e anzi dannoso per la durata delle attuali celle al litio.

Le stesse idee sbagliate si applicano ai regolatori a commutazione c.c./c.c. step-down (buck), in particolare a quelli progettati per funzionare con tensioni di ingresso più elevate (diverse decine di volt) e che erogano correnti superiori (fino a circa 10 A). Il pensiero comune è che i regolatori a bassa caduta di tensione (LDO), con la loro topologia lineare e non commutata, siano quasi senza rumore ma decisamente inefficienti. Per contro, i regolatori a commutazione sono relativamente rumorosi ma altamente efficienti.

Le preoccupazioni per i commutatori vanno oltre la loro presunta rumorosità. Sebbene siano efficienti (in genere, meglio dell'85% circa quando funzionano al loro "punto ideale" di carico), spesso sono associati a tre aspetti negativi:

1: Sono elettricamente rumorosi e questo rumore è prevalentemente, ma non completamente, alla loro frequenza di commutazione e relative armoniche.

2: Hanno risposte ai transitori scadenti e sono inclini all'instabilità e all'oscillazione, a meno che la loro risposta ad anello chiuso non venga accuratamente regolata in base all'applicazione.

3: Quelli ad alta potenza richiedono MOSFET esterni e funzionano come controller di dispositivi di commutazione e non come regolatori con MOSFET interni, pertanto richiedono un maggior numero di componenti e più spazio su scheda.

Tuttavia, i recenti progressi e topologie innovative hanno cambiato la situazione, come dimostrato dai tre regolatori buck sincroni monolitici a 65 V Silent Switcher simili LT8645S, LT8646S e LT8645S-2 di Analog Devices, ognuno dei quali è in grado di supportare uscite a 8 A (Figura 1).

Figura 1: Il diagramma a blocchi delle funzioni interne dei regolatori buck Silent Switcher ne evidenzia la complessità, ma non può mostrare i dettagli delle tecniche utilizzate per ottenere importanti miglioramenti delle prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le piccole ma evidenti differenze tra i tre dispositivi consentono agli utenti di scegliere la configurazione specifica più idonea per la loro applicazione (Figura 2).

Figura 2: I tre regolatori di commutazione sono molto simili, ma presentano alcune sottili differenze di configurazione che possono essere determinanti per applicazioni specifiche. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Analizziamo innanzitutto il rumore, che rappresenta il problema citato più spesso in relazione ai regolatori a commutazione. Non ci sono dubbi che un buon LDO stabilisca lo standard per l'uscita a basso rumore, ma questi regolatori a commutazione avanzati si avvicinano sorprendentemente molto a tale risultato.

Perché preoccuparsi del rumore?

Il rumore di uscita del regolatore è dannoso da molti punti di vista per le prestazioni del sistema:

• Può influire sulla costanza e sull'affidabilità delle prestazioni dei circuiti integrati di carico, soprattutto in quelli che operano con tensioni di rail inferiori in cui il margine dell'alimentazione è piuttosto ridotto.
• Influisce sul livello di prestazioni possibile, in quanto danneggia la precisione del segnale analogico, come nel caso dei front-end dei sensori.
• Il rumore del rail di uscita può essere fonte di interferenze elettromagnetiche (EMI) irradiate e condotte. Il rumore irradiato desta particolare preoccupazione, perché può impedire al prodotto finale di superare uno o più dei numerosi requisiti specifici dell'applicazione, come il diffuso test delle EMI irradiate CISPR 25.

Non c'è da preoccuparsi

In virtù della sua progettazione, l'architettura Silent Switcher di Analog Devices garantisce un basso rumore e, quindi, prestazioni EMI superiori. Inoltre, trattandosi di dispositivi monolitici, queste prestazioni non sono sensibili al layout della scheda a circuiti stampati, per cui le EMI indotte dai componenti e dal layout vengono rimosse come problema di progettazione.

Come fanno i regolatori Silent Switcher a ottenere questi risultati? I progettisti hanno esaminato tutti i modi in cui il clock e le altre sorgenti di rumore si manifestano e hanno poi escogitato come superarli. Le due principali sorgenti di rumore sono il cosiddetto "anello caldo" insito nell'architettura di commutazione e l'induttanza di traccia e la sovraoscillazione.

Per contrastarlo, il progetto Silent Switcher lo spezza in due anelli contrapposti, in modo che i loro flussi di corrente si annullino a vicenda. Per risolvere il problema dell'induttanza di traccia, l'integrazione di condensatori di bypass su chip elimina i problemi associati all'induttanza di traccia e alla sovraoscillazione della scheda, garantendo al contempo le prestazioni grazie all'eliminazione della variabilità dei componenti esterni e del loro posizionamento. Il risultato sono prestazioni in termini di emissioni irradiate che soddisfano facilmente i limiti CISPR 25 (Figura 3).

Figura 3: Grazie a miglioramenti come l'eliminazione dei problemi di anello caldo e all'aggiunta di condensatori di bypass integrati, l'irradiazione dei regolatori Silent Switcher è ben al di sotto dei limiti massimi previsti dalla normativa. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Occorre notare che anche il rumore condotto dei dispositivi è basso, ma ha limiti normativi meno severi. Inoltre, è più facile ridurre il rumore condotto utilizzando le perline di ferrite, mentre il rumore irradiato è più difficile da attenuare e potrebbe richiedere una schermatura costosa e complessa.

Inoltre, la progettazione di questi regolatori a commutazione consente di migliorare la risposta ai transitori. Forniscono una regolazione precisa e rigorosa, malgrado le variazioni del carico, e mantengono la stabilità del circuito in diverse condizioni operative (Figura 4). Per una maggiore flessibilità, il dispositivo LT8646S consente la compensazione del resistore-condensatore (RC) esterno per permettere ai progettisti di ottimizzare la risposta ai transitori.

Figura 4: Il progetto dei regolatori Silent Switcher produce inoltre una risposta ai transitori rapida, pulita e costante, che si traduce in un rail di uscita c.c. solido e stabile, nonostante le variazioni di carico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Infine, l'integrazione di MOSFET ad alta potenza comporta molteplici vantaggi:

• Emissioni di rumore ridotte grazie all'eliminazione delle tracce sulla scheda per i MOSFET.
• Prestazioni coerenti dall'alimentazione di ingresso al rail di uscita, specificate per esteso nella scheda tecnica.
• Questi regolatori a ingombro ridotto da 8 A sono alloggiati in contenitori LQFN da 6 × 4 mm e richiedono solo pochi piccoli componenti passivi per un circuito completo (Figura 5).

Figura 5: Un sottosistema completo di regolatore di alimentazione basato su LT8645S-2 (o su altri componenti della famiglia) è compatto e ha una breve distinta base. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un'ultima e importante domanda: l'utilizzo di questi regolatori Silent Switcher ad alta tensione e alta corrente comporta un compromesso o una penalizzazione in termini di efficienza? Dopotutto, l'alta efficienza è di gran lunga la ragione principale per cui si utilizza un commutatore invece di un alimentatore lineare.

La risposta è semplice: l'efficienza di questi dispositivi è analoga a quella dei regolatori più rumorosi (Figura 6). Va dal 90% al 96% circa da 1 A a un massimo di 8 A, con un "punto ideale" tra 2 e 4 A.

Figura 6: L'efficienza dei regolatori Silent Switcher da 8 A è del 95% circa, tranne che per le soglie molto basse e alte del valore di uscita della corrente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I regolatori a commutazione hanno il grande pregio di essere estremamente efficienti, ma possono anche essere fonte di un rumore irradiato eccessivo per il circuito, il sistema e i requisiti normativi. L'architettura innovativa dei regolatori c.c./c.c. Silent Switcher di Analog Devices supera queste e altre limitazioni dei regolatori a commutazione convenzionali senza compromettere le caratteristiche prestazionali desiderate.

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Analog Devices, "Regolatori step-down monolitici da 65 V e 8 A con rapida risposta ai transitori ed emissioni EMI bassissime"

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, "Che cos'è in realtà un anello caldo?"

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html