Di tanto in tanto i progettisti si arrovellano nella scelta di un alimentatore da laboratorio o per un sistema di collaudo: meglio scegliere un alimentatore a commutazione (switching) oppure un alimentatore lineare? Gli alimentatori a commutazione hanno il vantaggio dell’elevata efficienza energetica, piccole dimensioni e minore generazione di calore, mentre gli alimentatori lineari tendono e essere più grandi e più pesanti. Però, il fattore chiave da considerare nella scelta tra un alimentazione a commutazione e uno lineare è il rumore elettrico. La percezione comune è che gli alimentatori a commutazione siano più rumorosi di quelli lineari. Un alimentatore da laboratorio viene utilizzato per valutare un prodotto e per collaudarlo. Sul banco di misura, questi alimentatori sono spesso controllati tramite tasti e manopole, mentre nei sistemi di collaudo automatici sono generalmente controllati mediante le interfacce GPIB, LAN/LXI o Usb. Gli alimentatori a commutazione da laboratorio sono sul mercato sin dalla fine degli anni ’70. Però, le prime realizzazioni causavano l’insorgere di diverse problematiche legate all’elevato livello di rumore elettrico generato, che li rendevano inadatte al collaudo di dispositivi sensibili al rumore.
Nel corso degli anni, i progetti di alimentatori a commutazione sono migliorati, ma la prima impressione che i tecnici si sono fatta non è stata molto influenzata dall’oggettivo miglioramento nel tempo degli alimentatori a commutazione. Chi è “rimasto scottato” una volta rimane molto diffidente e questa attitudine viene rafforzata da una limitata conoscenza dei fenomeni legati al rumore elettrico e da come questi possono influenzare negativamente il dispositivo in prova.
Tipi diversi di rumore
Una causa di preoccupazione legata agli alimentatori a commutazione è che generalmente funzionano (commutano) con frequenze da 50 kHz a 100 kHz. Il rumore elettrico viene generato alla frequenza di commutazione e alle sue frequenze armoniche. Al contrario, un alimentatore lineare genera rumore alla frequenza di rete (50 Hz/60 Hz) e alle sue armoniche, con un profilo di rumore quindi a frequenza molto più bassa che risulta più semplice da mitigare.
Ci sono tre tipi di rumore da considerare: il rumore picco-picco di modo normale, il rumore quadratico medio (RMS) di modo normale e il rumore di modo comune. Il rumore di modo normale è definito come il rumore che appare sul terminale di uscita positivo rispetto al terminale di uscita negativo dell’alimentatore. Il rumore di modo comune è definito come il rumore che appare identicamente su entrambi i terminali positivo e negativo rispetto alla massa. Per la maggior parte degli alimentatori commercialmente disponibili oggi, solamente il valore del rumore RMS di modo normale viene dichiarato dal costruttore. Però, sono il rumore picco-picco e il rumore di modo comune che invece possono causare più problemi. In molti alimentatori, la tensione di rumore di modo normale picco-picco può essere 10 volte più elevata del valore RMS. Inoltre, il ruolo del rumore di modo comune spesso non è compreso correttamente e, visto che il più delle volte non è dichiarato nelle specifiche, può essere il colpevole di una serie di problematiche legate all’utilizzo pratico degli alimentatori. I tecnici, scoprendo che il loro alimentatore può creare rumore ad alte frequenza, si mettono subito in allarme. Comunque, ci saranno sempre delle induttanze e capacità legate al cablaggio tra l’uscita dell’alimentatore e il dispositivo in prova. Quindi, gli stessi cavi tendono ad agire da filtri per il rumore ad alta frequenza. Di conseguenza, dall’80% al 90% dei casi, il rumore ad alta frequenza non ha alcuna importanza pratica in quanto non raggiunge mai il dispositivo in prova grazie all’effetto filtrante dei cavi di collegamento. Rimane comunque un 10%-20% dei casi dove il rumore invece è un aspetto importante. Poiché il rumore di modo normale appare come differenza tra il terminale positivo e negativo dell’alimentatore, il rumore di modo normale è proprio il rumore che può influenzare negativamente il dispositivo in prova. Il rumore di modo comune, poiché appare identico su entrambi i terminali, sembra “invisibile” per il dispositivo in prova. Sebbene il rumore di modo comune non influenzi in dispositivo in prova come il rumore di modo normale, bisogna notare però che la corrente di rumore di modo comune fluisce comunque nel dispositivo in prova, e una volta al suo interno genera inconvenienti come radiazione e diafonia (crosstalk). Poiché il rumore di modo comune appare identico su entrambi i terminali, la corrente di rumore di modo comune fluisce in modo identico in entrambi i terminali. Le correnti di rumore di modo comune Icm e Icm2 scorrono attraverso le impedenze Z1 e Z2 di ciascun terminale, quindi si genera una caduta di tensione ai capi delle impedenze, convertendo una corrente di rumore di modo comune in una tensione di rumore di modo comune. Fintantoché le impedenze sono praticamente identiche, allora la caduta di tensione ai capi delle impedenze sarà la stessa in entrambi i terminali e quindi, di nuovo, il rumore risulterà invisibile al dispositivo in prova. Invece, se l’impedenza è diversa tra i due terminali, allora la caduta di tensione sarà diversa ai capi dei due terminali. Questa differenza di tensione tra i terminali apparirà quindi come tensione di rumore di modo normale. In definitiva, la corrente di rumore di modo comune sarà convertita in tensione di rumore di modo normale a causa della diversa impedenza dei terminali e quindi il misterioso e invisibile rumore di modo comune, non specificato in alcun foglio tecnico, diventerà un dannoso rumore ben visibile e misurabile con un oscilloscopio.
Criteri di scelta
Un tipico alimentatore a commutazione avrà un’elevata corrente di modo comune a meno che non si sia posta grande attenzione a questo aspetto durante la progettazione dell’alimentatore stesso. Poiché il rumore di modo comune non viene tipicamente indicato nelle specifiche tecniche, quando si sceglie un alimentatore a commutazione non è possibile farsi un’idea se si è di fronte a un alimentatore a commutazione ben progettato con basso livelli di rumore di modo comune oppure a un semplice alimentatore a commutazione progettato senza alcuna mitigazione degli effetti negativi del rumore di modo comune.
Quando siete preoccupati del rumore, è importante scegliere un alimentatore a basso rumore. La corrente di rumore di modo comune può essere un pericolo nascosto. Come si può sapere se l’alimentatore scelto è abbastanza buono, specialmente se la corrente di rumore di modo comune non è nemmeno riportata nelle specifiche? L’alimentatore che state considerando è abbastanza buono? Gli alimentatori non sono più o meno tutti uguali? I costruttori di alimentatori che raggiungono le prestazioni di più alto livello specificheranno chiaramente la corrente di rumore di modo comune, così che gli utilizzatori attenti alle problematiche del rumore potranno sapere se l’alimentatore in questione è adatto alla loro applicazione. Osservate queste specifiche nei fogli tecnici per determinare se il vostro alimentatore a commutazione è “all’avanguardia”.
Perché non tutti gli alimentatori non hanno un basso rumore di modo comune? Progettare un sistema con basso rumore di modo comune è un problema non da poco e la maggior parte dei progettisti di alimentatori non ha quella particolare competenza e i tanti anni di esperienza necessaria per progettare un alimentatore a commutazione con basso rumore di modo comune. Inoltre, la mitigazione del rumore di modo comune richiede l’aggiunta di componenti costosi che fanno salire il prezzo dell’alimentatore.
Ridurre il rumore degli alimentatori
Solo i costruttori che si focalizzano sulla riduzione del rumore degli alimentatori a commutazione sono in grado di fornire alimentatori da laboratorio con bassi livelli di rumore di modo comune, che offrono prestazioni di rumore simili a quelle degli alimentatori lineari. Per esempio, Agilent ha oltre 25 anni di esperienza nella progettazione di alimentatori a commutazione. Agilent è giunta alla sua settima generazione di architetture per alimentatori a commutazione, con il risultato di ottenere livelli di corrente di modo comune di 3 mA. In prima battuta, il rumore viene ridotto controllando i fronti e i picchi generati dai circuiti di commutazione. Inoltre, Agilent utilizza più livelli di filtri di modo comune brevettati che riducono le armoniche e prevengono la fuoriuscita del rumore di modo comune dall’alimentatore. Oltre al rumore di modo comune, anche il rumore di modo normale viene ridotto grazie all’adozione di tali particolari filtri. Guardando al futuro, Agilent sta adottando nuove tecnologie nello sviluppo della prossima generazione di alimentatori che ridurrà la corrente di rumore di modo comune alla gamma dei microampere. I tecnici desiderano sfruttare i vantaggi offerti dagli alimentatori a commutazione, tra cui le dimensioni ridotte, il costo inferiore, la migliore efficienza che li rende più “verdi”, la minor generazione di calore e la grande possibilità di scelta tra i tanti modelli disponibili sul mercato. È però importante prendere in considerazione le caratteristiche di rumore, in particolar modo quelle del rumore di modo comune. Scegliendo i migliori alimentatori che sono stati progettati per minimizzare il rumore, i tecnici hanno usato con successo in laboratorio gli alimentatori a commutazione, come quelli offerti da Agilent, per affrontare la maggior parte delle applicazioni, anche quelle che tradizionalmente erano difficili per gli alimentatori a commutazione. Naturalmente rimane sempre qualche applicazione, come il collaudo di VCO, PLL e altri particolari circuiti, dove il dispositivo in prova è estremamente sensibile al rumore. Per queste applicazioni è necessario utilizzare un alimentatore con un basso rumore con spettro 1/f (tipicamente espresso nV/√Hz) poiché il rumore bassa frequenza può essere in tal caso fonte di jitter. Gli alimentatori lineari vanno meglio in queste applicazioni, in quanto hanno un rumore 1/f estremamente basso.
