Los reguladores de conmutación están reemplazando a los reguladores lineales en áreas donde la baja disipación de calor y la eficiencia son importantes. Los reguladores de conmutación suelen ser el primer componente activo en la línea del bus de alimentación de entrada y, por lo tanto, tienen un impacto significativo en el rendimiento de la interferencia electromagnética (EMI) del circuito convertidor general.
Los componentes de filtro de entrada de última generación en tecnología de montaje en superficie superan a los componentes de orificio pasante. Sin embargo, esta mejora se ha visto superada por un aumento en la frecuencia de conmutación operativa de los reguladores de conmutación. Una mayor eficiencia y tiempos mínimos de encendido/apagado más cortos dan como resultado transiciones de conmutación más rápidas y un mayor contenido de armónicos.
Si todos los demás parámetros, como la capacitancia del interruptor y el tiempo de transición, permanecen constantes, la EMI se degrada en 6 dB por cada duplicación de la frecuencia de cambio. La EMI de banda ancha se comporta como un paso alto de primer orden con emisiones 20 dB más altas cuando la frecuencia de conmutación aumenta en un factor de 10.
Los diseñadores experimentados de placas de circuitos impresos (PCB) mantienen pequeños los bucles calientes y utilizan capas de tierra de protección (GND) lo más cerca posible de las capas activas. No obstante, el pinout, la construcción del paquete, los requisitos de diseño térmico y el tamaño del paquete requerido para el almacenamiento de energía adecuado en los componentes de desacoplamiento dictan el tamaño mínimo específico del bucle en caliente.
Christian Quek
Los reguladores de conmutación están reemplazando a los reguladores lineales en áreas donde la baja disipación de calor y la eficiencia son importantes. Los reguladores de conmutación suelen ser el primer componente activo en la línea del bus de alimentación de entrada y, por lo tanto, tienen un impacto significativo en el rendimiento de la interferencia electromagnética (EMI) del circuito convertidor general.
Los componentes de filtro de entrada de última generación en tecnología de montaje en superficie superan a los componentes de orificio pasante. Sin embargo, esta mejora se ha visto superada por un aumento en la frecuencia de conmutación operativa de los reguladores de conmutación. Una mayor eficiencia y tiempos mínimos de encendido/apagado más cortos dan como resultado transiciones de conmutación más rápidas y un mayor contenido de armónicos.
Si todos los demás parámetros, como la capacitancia del interruptor y el tiempo de transición, permanecen constantes, la EMI se degrada en 6 dB por cada duplicación de la frecuencia de cambio. La EMI de banda ancha se comporta como un paso alto de primer orden con emisiones 20 dB más altas cuando la frecuencia de conmutación aumenta en un factor de 10.
Los diseñadores experimentados de placas de circuitos impresos (PCB) mantienen pequeños los bucles calientes y utilizan capas de tierra de protección (GND) lo más cerca posible de las capas activas. No obstante, el pinout, la construcción del paquete, los requisitos de diseño térmico y el tamaño del paquete requerido para el almacenamiento de energía adecuado en los componentes de desacoplamiento dictan el tamaño mínimo específico del bucle en caliente.
Para complicar aún más el diseño, el acoplamiento magnético o tipo transformador entre trazas por encima de 30 MHz reduce todo el esfuerzo de filtrado en una placa de circuito impreso plana típica. Esto se debe a que el acoplamiento magnético no deseado se vuelve más efectivo a frecuencias armónicas más altas.
Una solución real y probada es utilizar una caja de blindaje para todo el circuito. Por supuesto, esto agrega costos, requiere más espacio en la placa, dificulta la gestión térmica y las pruebas, e introduce costos de ensamblaje adicionales. Otro método usado con frecuencia es ralentizar el flanco de conmutación. Esto tiene el efecto indeseable de reducir la eficiencia, aumentar los tiempos mínimos de encendido/apagado y los tiempos muertos requeridos, y potencialmente ralentizar el circuito de control actual.
El nuevo regulador LT8614 Silent Switcher™ de Linear elimina los inconvenientes anteriores al proporcionar el efecto de una caja de protección sin el uso de una protección (Figura 1).
El LT8614 tiene la corriente de reposo baja (IQ) de clase mundial de la serie LT861x con una corriente operativa de solo 2,5 µA. Es la corriente de alimentación total consumida por el dispositivo en regulación sin carga. Cuenta con la misma caída ultrabaja que esta familia, limitada solo por el interruptor superior interno. A diferencia de las soluciones alternativas, la resistencia de drenaje a fuente (RDS(on)) del LT8614 no está limitada por el ciclo de trabajo máximo y el tiempo de inactividad mínimo. Como se muestra en la Figura 6, el dispositivo omite los ciclos de apagado en la caída y realiza solo los ciclos de apagado mínimos necesarios para mantener el voltaje de la etapa de refuerzo del interruptor superior interno.
Al mismo tiempo, el voltaje de entrada operativo mínimo es de 2,9 V típico (3,4 V máximo), lo que permite que el dispositivo suministre un riel de 3,3 V en caída. El LT8614 tiene una mayor eficiencia que el LT8610/11 a altas corrientes debido a su menor resistencia total del interruptor. También se puede sincronizar a una frecuencia externa que opera desde 200kHz a 3MHz. Debido a las bajas pérdidas del interruptor de CA, la eficiencia no cae significativamente cuando se opera a altas frecuencias de conmutación. Para aplicaciones sensibles a EMI, como el entorno automotriz, se obtiene un buen equilibrio, el LT8614 puede operar por debajo de la banda AM para reducir aún más la EMI, o por encima de la banda AM. En una configuración con una frecuencia de conmutación operativa de 700 KHz, la placa de demostración estándar LT8614 no supera el ruido de fondo en las mediciones CISPR25.
Las mediciones de la Figura 2 se realizaron en una cámara anecoica con una frecuencia de conmutación fija de 700 KHz y una entrada de 12 V y una salida de 3,3 V de 2 A. LT8610. La prueba se realizó en una celda electromagnética transversal de gigahercios (GTEM) utilizando la misma carga, voltaje de entrada e inductor en una placa de demostración estándar para ambas partes.
En comparación con el ya excelente rendimiento de EMI del LT8610, vemos una mejora de hasta 20 dB con la tecnología Silent Switcher del LT8614, especialmente en la región de alta frecuencia más difícil de administrar. Esto permite un diseño más simple y compacto donde la fuente de alimentación conmutada LT8614 requiere menos filtrado y distancia en todo el diseño en comparación con otros sistemas sensibles.
En el dominio del tiempo, como se muestra en la Figura 4, el LT8614 exhibe un comportamiento muy leve en el borde del nodo de conmutación. Incluso a 4 ns/div, el regulador Silent Switcher LT8614 muestra un timbre muy bajo (canal 2 en la Figura 3). El LT8610 tiene un buen timbre de amortiguación (cap. 1, Figura 3), pero se puede ver que hay más energía almacenada en el circuito activo en comparación con el LT8614 (cap. 2). La figura 5 muestra el nodo de conmutación para una entrada de 13,2 V. Se puede ver que la desviación de la onda cuadrada ideal para el LT8614 (canal 2) es muy pequeña. Todas las mediciones en el dominio del tiempo de las Figuras 3-5 se realizan con una sonda Tektronix P6139A de 500 MHz, ambas en una placa de demostración estándar con el protector de la punta de la sonda estrechamente conectado al plano GND de la PCB.
Además de la clasificación de voltaje de entrada máxima absoluta de 42 V en entornos automotrices, la operación de caída también es muy importante. En muchos casos, los suministros lógicos críticos de 3,3 V deben admitirse en condiciones de arranque en frío. En este caso, el regulador LT8614 Silent Switcher mantiene el comportamiento casi ideal de la familia LT861x. En lugar del voltaje de bloqueo por bajo voltaje más alto y la abrazadera de ciclo de trabajo máximo de las piezas alternativas, los dispositivos LT8610/11/14 funcionan hasta 3,4 V y comienzan a omitir ciclos según sea necesario, como se muestra en la Figura 6. Esto le dará abandonos ideales. Funciona como se muestra en la Figura 7.
El bajo tiempo de activación mínimo del LT8614 de 30 ns permite grandes relaciones de reducción incluso a altas frecuencias de conmutación. Como resultado, puede suministrar el voltaje del núcleo lógico con un solo paso hacia abajo desde entradas de hasta 42 V.
En conclusión, el regulador Silent Switcher LT8614 reduce la EMI en más de 20 dB con respecto a los reguladores de conmutación de última generación de la actualidad, al tiempo que mejora la eficiencia de conversión sin los inconvenientes. En la misma área de la placa, EMI se puede mejorar en un factor de 10 en el rango de frecuencia de 30 MHz sin sacrificar los tiempos mínimos de encendido/apagado o la eficiencia. Esto se logra sin componentes especiales ni blindaje y representa un gran avance en el diseño de reguladores de conmutación. Lograr este nivel de rendimiento en un solo circuito integrado (IC) nunca ha sido posible antes. Este es un producto innovador que permite a los diseñadores de sistemas finales llevar sus productos al siguiente nivel.