En aplicaciones como conexiones inalámbricas que dependen de circuitos analógicos de bajo nivel de señal y diseños digitales que utilizan bajo voltaje de riel de alimentación, la calidad del riel de CC es clave para mantener el rendimiento del sistema. Además de la eficiencia de conversión, la precisión de salida, la estabilidad y la regulación de línea y carga, la calidad de los rieles de CC también depende de factores como su ruido inherente y su respuesta transitoria a los cambios dinámicos de carga.
Sin embargo, la robusta serie Silent Switcher de Analog Devices ha pasado por varias generaciones de desarrollo y se ha convertido en una tecnología madura que, cuando se aplica correctamente, puede proporcionar la salida de CC de bajo ruido requerida y una respuesta transitoria ultrarrápida.
Este artículo se centrará en presentar estos reguladores de conmutación CC/CC de alto rendimiento y fáciles de usar, sus ventajas y los problemas que pueden resolver. Este artículo tomará la aplicación de Analog Devices como ejemplo para ilustrar cómo maximizar el rendimiento de estos reguladores de conmutación.
Serie de conmutadores silenciosos
Los reguladores de conmutación CC/CC de la serie Silent Switcher de Analog Devices ahora han evolucionado a la tercera generación. El producto de primera generación Silent Switcher 1 se utiliza principalmente para reducir el ruido de alta frecuencia relacionado con los reguladores de conmutación. Esta generación de productos tiene tres ventajas principales: baja interferencia electromagnética (EMI), alta eficiencia y alta frecuencia de conmutación (adecuada para dispositivos relacionados más pequeños).
Posteriormente, Analog Devices lanzó Silent Switcher 2. Este producto conserva la funcionalidad de su predecesor y agrega condensadores de precisión integrados, adoptando una apariencia más compacta y eliminando la sensibilidad al diseño de la placa de circuito impreso (placa de PC).
El producto de tercera generación Silent Switcher 3 hereda las características únicas de las dos generaciones anteriores. Este producto también tiene las ventajas de una respuesta transitoria rápida y un ruido ultrabajo en el rango de baja frecuencia (Figura 1).
Regulador DC/DC Silent Switcher de Analog Devices (haga clic para ampliar).
Figura 1: Cada generación de reguladores DC/DC Silent Switcher conserva las características y funciones de la generación anterior y agrega nuevas características y funciones. (Fuente de la imagen: dispositivos analógicos)
Solución simple de ruido del conmutador
Para lograr las características de bajo ruido de las dos generaciones anteriores de productos, los diseñadores estudiaron varias fuentes de ruido y exploraron métodos innovadores para evitar, minimizar o incluso eliminar las fuentes de ruido. Esto requiere un enfoque multifacético. Por ejemplo, la principal fuente de ruido en las fuentes de alimentación de modo conmutado es la acción de conmutación de la corriente, en lugar del flujo de corriente en estado estacionario. En las topologías de reguladores de modo conmutado tradicionales, existe una ruta de corriente llamada bucle térmico. El circuito térmico es la principal fuente de ruido de alta frecuencia emitido al aire y que provoca EMI. El regulador DC/DC Silent Switcher de primera generación dividió de forma innovadora el circuito térmico en dos circuitos de corriente simétricos. Esto crea dos campos magnéticos de polaridad opuesta, lo que anula en gran medida el ruido irradiado.
Al integrar el condensador de entrada directamente en el paquete IC, Silent Switcher 2 minimiza los circuitos térmicos críticos en la mayor medida posible.
Esta arquitectura admite una conmutación rápida de bordes, lo que logra una alta eficiencia en condiciones de conmutación de alta frecuencia y al mismo tiempo mantiene un buen rendimiento EMI. El condensador cerámico interno en el extremo del voltaje de entrada de CC (VIN) ayuda a mantener un pequeño bucle de corriente CA rápido, mejorando así aún más el rendimiento. La arquitectura Silent Switcher también utiliza diseño patentado y tecnología de empaquetado para maximizar la eficiencia en frecuencias extremadamente altas, lo que le permite superar las limitaciones máximas de EMI de CISPR 25 Clase 5.
Además, también se utiliza la tecnología de posicionamiento activo de voltaje (AVP), lo que significa que el voltaje de salida depende de la corriente de carga. Cuando está bajo carga ligera, el valor de regulación del voltaje de salida es mayor que el valor nominal, y cuando está bajo carga completa, es menor que el valor nominal. La regulación de carga de CC se ha ajustado para mejorar el rendimiento transitorio y minimizar los requisitos del condensador de salida.
Conmutador silencioso 3 y respuesta transitoria
La respuesta transitoria se refiere a la capacidad de un regulador de voltaje para responder a cambios repentinos de carga y se ha convertido en un parámetro cada vez más importante. Por lo tanto, además de minimizar el ruido de baja frecuencia (10 Hz a 100 kHz), los productos de tercera generación también se centran en proporcionar una respuesta transitoria ultrarrápida.
Los procesadores de señal y el System on Chip (SoC) a menudo experimentan cambios repentinos en las curvas transitorias de carga, por lo que se presta cada vez más atención a la respuesta transitoria. Este transitorio de carga puede causar interferencias en el voltaje de la fuente de alimentación y este parámetro es crucial para el diseño de RF de alto rendimiento. Por ejemplo, diferentes voltajes de la fuente de alimentación pueden afectar seriamente la frecuencia del reloj del sistema.
Por lo tanto, los SoC de RF suelen aplicar un tiempo de supresión durante los transitorios de carga. En las aplicaciones 5G, la calidad de la información está estrechamente relacionada con el período de supresión durante los períodos transitorios. Por lo tanto, minimizar el impacto de los transitorios de carga en la fuente de alimentación mejorará el rendimiento a nivel del sistema.
Para lograr estos objetivos, el dispositivo Silent Switcher 3 de un solo chip adopta un diseño de amplificador de error de rendimiento ultraalto, que puede proporcionar estabilidad adicional incluso en el caso de una compensación agresiva. La frecuencia de conmutación máxima de 4 megahercios (MHz) permite al IC aumentar el ancho de banda del bucle de control a alrededor de 100 kHz en el modo de control de corriente máxima de frecuencia fija. Además, múltiples tecnologías innovadoras también pueden reducir factores sutiles que dificultan la respuesta transitoria:
Separación de carga: en un diseño típico, una carga de 1 V incluye circuitos de transmisión y recepción, un oscilador local (LO) y un oscilador controlado por voltaje (VCO). Durante el funcionamiento dúplex por división de frecuencia (FDD), puede haber un cambio repentino en la corriente de carga de la carga transmisora/receptora. Mientras tanto, las cargas de LO y VCO son constantes, pero requieren alta precisión y bajo ruido.
Las características de gran ancho de banda de estos dispositivos permiten a los diseñadores separar cargas dinámicas y estáticas a través de un segundo inductor (L2), alimentando así dos grupos de carga críticos de 1 V desde el CI regulador (Figura 2, arriba). La respuesta transitoria de la carga es rápida, la desviación VOUT es mínima y no afectará la carga estática (Figura 2, abajo).