Sebbene la maggior parte dei progettisti in ambito digitale sappia come strutturare un semplice regolatore lineare, diverso è il caso di regolatori a commutazione. La varietà di tipi e le difficoltà progettuali insite in questi dispositivi richiedono competenze specifiche e strumenti idonei di sviluppo.
Benché il layout di un alimentatore switching non possa essere considerato magia nera, sovente non viene tenuto nella debita considerazione, finché è troppo tardi. Disporre di una tecnica affidabile in grado di eliminare all’origine le potenziali minacce dovute alla generazione di EMI, può garantirci un alimentatore stabile e silenzioso. Sebbene molti progettisti di circuiti di potenza abbiano una discreta familiarità con le complessità e le sfumature degli alimentatori switching, in molte aziende non se ne trovano in numero sufficiente per portare a termine tutti i progetti. Questo avviene anche perché un numero sempre maggiore di progettisti va in pensione senza il dovuto ricambio generazionale.
Come si risolve questo problema?
Per cominciare, a un numero sempre crescente di progettisti digitali viene chiesto di occuparsi della progettazione di alimentatori a commutazione, se non altro perché non esiste un numero sufficiente di progettisti analogici di alimentatori per svolgere il lavoro. Anche se possiamo affermare tranquillamente che la maggior parte dei progettisti in ambito digitale sappia come strutturare un semplice regolatore lineare, diverso è il caso di regolatori a commutazione, che possono essere di tipo step-down (Buck), step-up (boost) e up and down (buck-boost).
Chiaramente, l’ovvia domanda che molti produttori di sistemi elettronici si pongono è: come concludere la realizzazione di tutti i circuiti di alimentazione a commutazione necessari ai miei sistemi?
Risolvere la carenza delle risorse di progetto
Nell’articolo verranno affrontati alcuni aspetti fondamentali del funzionamento di un regolatore buck, e in particolare verrà mostrato come un elevato rapporto di/dt e l’induttanza parassita nell’hot loop del circuito di commutazione siano causa di rumore elettromagnetico e oscillazioni sullo switch. Successivamente, verrà illustrato cosa fare per ridurre il rumore ad alta frequenza e quanto possa essere utile la tecnologia Silent Switcher® Power by Linear™ di ADI per risolvere le problematiche EMI senza compromessi.
Sarà inoltre presentata una panoramica del packaging e del layout dei Silent Switcher e di come questi possano migliorare le prestazioni generali dei convertitori step-down. Inoltre, è possibile raggiungere un livello di integrazione più elevato del dispositivo Silent Switcher, grazie alla tecnologia μModule. Quest’ultimi forniscono soluzioni semplici e di facile utilizzo per quegli utenti che non posseggono conoscenze approfondite delle tecniche di progettazione di alimentatori a commutazione.
Un semplice circuito regolatore Buck
Una delle topologie più semplici di un alimentatore è quella del regolatore buck, come illustrato in Figura 1: i disturbi elettromagnetici sono generati negli anelli (hot loop) che presentano un’elevata variazione della corrente (di/dt). La linea d’alimentazione, così come quella di carico non dovrebbero avere un elevato contenuto di corrente impulsiva; la componente ac della corrente è fornita dal condensatore di ingresso C2 e filtrata da quello d’uscita, C1, dove qualsiasi componente ac cessa di esistere.
Sempre in riferimento alla Figura 1, durante il ciclo di on con M1 chiuso e M2 aperto, la componente ac segue il percorso indicato dalla linea continua blu. Durante il ciclo di off, con M1 aperto e M2 chiuso, l’ac segue il percorso dell’anello in tratto verde: la maggior parte dei lettori trova difficoltoso comprendere che il loop che produce il più elevato livello di EMI non è quello in tratto blu e neppure quello tratto verde. Soltanto nel loop, indicato in tratto rosso, si sviluppano le correnti impulsive con elevato di/dt. Il loop in tratto rosso è definito comunemente “hot loop”, perché caratterizzato dai più elevati livelli di energia ac ed EMI.
L’elevato rapporto di/dt e l’induttanza parassita nell’hot loop del circuito a commutazione sono la causa del rumore elettromagnetico e delle oscillazioni di commutazione. Per ridurre l’EMI e migliorare la funzionalità è necessario ridurre, quanto più sia possibile, l’effetto radiante del loop indicato in rosso. Se potessimo ridurre a zero la superficie del PCB, relativa a questo loop, e acquistare un condensatore ideale con impedenza pari a zero, il problema sarebbe risolto. Tuttavia, nel mondo reale, spetta al progettista trovare un compromesso ottimale.
E allora, da dove viene tutto questo rumore ad alta frequenza? Nei circuiti elettronici, le transizioni da commutazione accoppiate attraverso resistenza, induttanza e capacità parassite, creano armoniche ad alta frequenza; pertanto, conoscendo dove viene generato il rumore, cosa si può fare per ridurre quello che deriva dalla commutazione ad alta frequenza?
Il modo tradizionale per ridurlo è di rallentare i fronti di commutazione del MOSFET, che si può ottenere rallentando il driver dello switch interno o aggiungendo soppressori esterni.
In ogni caso, ciò ridurrà l’efficienza del convertitore a causa dell’aumento delle perdite di commutazione, specialmente se il commutatore sta lavorando ad alta frequenza, ad esempio 2 MHz. Parlando di quest’ultima, perché dovremmo lavorare proprio alla frequenza di 2 MHz? Effettivamente per svariati motivi:
• consente di utilizzare componenti esterni, come condensatori e induttori, di dimensioni più ridotte. Ad esempio, al raddoppio della frequenza di commutazione si dimezzano i valori dell’induttanza e della capacità d’uscita;
• nelle applicazioni automotive, commutare a 2 MHz mantiene il rumore lontano dalla banda radio AM.
L’energia EMI è distribuita nel dominio della frequenza ma, sebbene la frequenza di commutazione venga scelta in molti casi all’esterno della banda AM (da 530 kHz a 1,8 MHz), le armoniche di commutazione non attenuate possono ancora violare i rigidi requisiti sull’EMI per la banda AM. Per ridurre le emissioni si possono anche usare filtri e schermature, ma rappresentano un costo maggiore in termini di componenti esterni e spazio richiesto sulla scheda. un’altra tecnica per la riduzione del rumore è la modulazione in frequenza Spread Spectrum (SSFM): questa tecnica esegue il dithering del clock di sistema in un intervallo conosciuto, distribuendo l’energia contenuta nei picchi delle armoniche su un intervallo più ampio. L’aggiunta dell’SSFM riduce le emissioni EMI all’interno della banda AM così come nelle altre.
In alternativa, si potrebbe semplicemente utilizzare la tecnologia Silent Switcher di ADI, che soddisfa tutte le caratteristiche descritte, senza compromessi:
• alta efficienza;
• alta frequenza di commutazione;
• basso livello di EMI.
La tecnologia Silent Switcher
Non avendo la necessità di rallentare i fronti di commutazione, un dispositivo Silent Switcher elimina il compromesso tra EMI e efficienza. Come si ottiene? Considerate l’LT8610, come illustrato sul lato sinistro della Figura 2. Si tratta di un convertitore buck sincrono da 42 V di ingresso, monolitico (FET integrati), che può erogare fino a 2,5 A di corrente d’uscita. Notate che dispone di un unico pin di ingresso (VIN) nell’angolo in alto a sinistra dello schema.
Tuttavia, confrontando l’LT8610 con l’LT8614 (un convertitore buck sincrono monolitico da 42 V di ingresso, che può fornire fino a 4 A di corrente d’uscita), si può notare che l’LT8614 ha due pin VIN e due di ground posti su lati opposti del package. Questo è significativo, perché queste differenze fanno parte di quanto lo rende un “silent switcher”.
Come rendere “Silent” uno Switcher
Quindi, come possiamo ottenere queste prestazioni? Ora il dispositivo ha due hot loop posti ai due lati del package come evidenziato in Figura 3 con le frecce rosse che indicano la posizione dei condensatori. La corrente impulsiva si divide tra i due loop, ma il verso è tale che i campi magnetici generati hanno uguale intesità ma verso opposto, e data la vicinanza tendono a cancellarsi.
L’LT8614 nei dettagli
L’LT8614 incorpora la funzionalità Silent Switcher. Per questo dispositivo si utilizza un package flip-chip con copper pillar. In questo modo si eliminano l’induttanza e la resistenza parassita dovuta ai lunghi fili di bonding. Inoltre, lo sdoppiamento dei pin VIN e GND sui lati opposti del package, con i relativi condensatori, contribuisce a ridurre le emissioni EMI, mediante cancellazione del campo magnetico creato dai due hot loop.
Abbiamo messo a confronto il regolatore Silent Switcher LT8614 con un regolatore a commutazione attuale allo stato dell’arte, l’LT8610. Il test è stato eseguito in una cella GTEM usando lo stesso carico, la stessa tensione d’uscita e il medesimo induttore su una demo board standard per entrambe le parti. Rispetto alle già più che rilevanti prestazioni EMI dell’LT8610, utilizzando l’LT8614 abbiamo rilevato un miglioramento di 20 dB, specialmente nell’area delle frequenze più alte, che sono le più difficili da gestire.
Questo consente la realizzazione di progetti più semplici e compatti, dove l’alimentatore switching con LT8614 richiede un filtraggio minore e può funzionare più vicino agli altri sistemi sensibili dell’intero progetto. Per di più, nel dominio del tempo, l’LT8614 mostra un comportamento assolutamente notevole sui fronti di commutazione. (Figura 4)
Ulteriori miglioramenti per i dispositivi Silent Switcher
Nonostante l’LT8614 avesse già prestazioni notevoli, ADI non si è fermata e ha cercato di migliorarlo ulteriormente. Il nuovo regolatore step-down LT8640, dotato dell’architettura Silent Switcher per minimizzare le emissioni EMI/EMC, fornisce un alto livello di efficienza a frequenze fino a 3 MHz. Realizzato in QFN di 3 × 4 mm, la sua costruzione monolitica con gli switch di potenza integrati e l’inclusione di tutta la circuiteria necessaria offre una soluzione dall’ingombro minimo sul PCB.
La risposta al transiente rimane eccellente e il ripple inferiore ai 10 mV p-p a qualsiasi carico, da zero alla massima corrente. L’LT8640 permette la conversione ad alta frequenza da una VIN elevata a una V OUT bassa, con un tempo minimo di on di soli 30 ns.
Per migliorare l’EMI/EMC, l’LT8640 può funzionare in modalità spread spectrum. Questa caratteristica varia il clock con una modulazione in frequenza del 20% a onda triangolare. Quest’ultima, quando l’LT8640 si trova nella modalità a modulazione di frequenza spread spectrum, viene utilizzata per variare la frequenza di commutazione tra il valore programmato dall’RT e un valore superiore di circa il 20% rispetto al medesimo. La frequenza di modulazione è di circa 3 kHz. Per esempio, quando l’LT8640 è programmato a 2 MHz, la frequenza varierà da 2 MHz a 2,4 MHz alla cadenza di 3 kHz. Quando viene scelto il funzionamento in spread spectrum, quello in Burst Mode viene disabilitato e il regolatore funzionerà in modalità pulse-skipping oppure forced continuous.
Tuttavia, nonostante tutte le raccomandazioni inserite nella documentazione del Silent Switcher, relative a schema e layout nonché alla collocazione dei condensatori d’ingresso, il più possibile vicino all’IC su entrambi i lati, alcuni progettisti continuano a commettere errori. Inoltre, gli stessi ingegneri di Analog Devices spendevano troppo tempo nella sistemazione del layout dei PCB dei clienti. Così, per risolvere questo problema i progettisti ADI hanno ideato una soluzione brillante: l’architettura Silent Switcher 2.
Silent Switcher 2
Con la tecnologia Silent Switcher 2, sono stati semplicemente integrati i condensatori in un nuovo package LQFN: su VIN, IntVCC, e boost, permettendo la loro collocazione il più possibile vicino ai pin.
I vantaggi hanno riguardato tutti gli hot loop e i ground plane interni, col risultato di un’emissione EMI inferiore. Un numero di componenti esterni più ridotto ha significato dimensioni di soluzione più contenute. Inoltre, abbiamo anche eliminato la sensibilità al layout del PCB.
Da quanto viene illustrato in Figura 5, è possibile notare la differenza tra gli schemi dell’LT8640 e dell’LT8640S. La svolta di marketing è stata dare alla nuova versione, a più alta integrazione e con i condensatori integrati, il suffisso “S”, poiché è più “silenziosa” rispetto alla quella di prima generazione.
La tecnologia Silent Switcher 2 consente migliori prestazioni termiche. La moltitudine di pad esposte nella parte inferiore del package flip-chip LQFN facilita l’estrazione del calore e il suo trasferimento verso il PCB. Ora disponiamo anche di un’efficienza di conversione più elevata, perché abbiamo eliminato i bond wire con alto valore di resistenza. Le prestazioni EMI dell’LT8640S superano facilmente, e con un ampio margine, i limiti di picco su EMI irradiata secondo lo standard CISPR 25 Classe 5.
Il passo successivo: integrare tutto nei regolatori μModule Silent Switcher 2
La tecnologia Silent Switcher è così convincente che ADI ha deciso di incorporarla nella propria linea di prodotti di regolazione μModule. In questo fattore di forma, tutto viene integrato all’interno di un singolo package, fornendo all’utente semplicità, affidabilità, prestazioni e alta densità di potenza. Gli LTM8053 e LTM8073 sono regolatori micromodule dove tutto è virtualmente integrato, con solo un ridotto numero di condensatori e resistenze all’esterno.
