Solución compacta de convertidor DC-DC de muy bajo ruido y alta corriente para circuitos de procesamiento de señales y datos

Introducción

Los circuitos integrados de procesamiento de datos, como las matrices de puertas programables en campo (FPGA), los sistemas en chip (SoC) y los microprocesadores, están aumentando continuamente su alcance en los sistemas de telecomunicaciones, redes, industriales, de automoción, de aviónica y de defensa. El hilo conductor de estos sistemas es una potencia de procesamiento cada vez mayor, con el correspondiente aumento de las necesidades de energía bruta. Los diseñadores conocen bien los problemas de gestión térmica de los procesadores de alta potencia, pero puede que no tengan en cuenta los problemas de gestión térmica de las fuentes de alimentación. Al igual que los propios procesadores de transistores, los problemas térmicos más graves son inevitables cuando los bajos voltajes del núcleo requieren una alta corriente, que es la tendencia general de las fuentes de alimentación en todos los sistemas de procesamiento de datos.

Visión general de los requisitos de los convertidores CC-CC: EMI, relación de conversión, tamaño y consideraciones térmicas

Normalmente, un FPGA/SoC/microprocesador requiere varios raíles de alimentación, incluidos 5 V, 3,3 V y 1,8 V para los periféricos y la alimentación auxiliar, 1,2 V y 1,1 V para DDR4 y LPDDR4, y 0,8 V para los núcleos de procesamiento. Los convertidores CC-CC que producen estos raíles suelen tomar entradas de 12V o 5V de una batería o de un bus de CC intermedio. Para reducir estas tensiones continuas de la fuente a las tensiones mucho más bajas que necesita un procesador, se eligen naturalmente los convertidores buck de conmutación por su alta eficiencia a grandes relaciones de reducción. Hay cientos de versiones de convertidores de conmutación, pero la mayoría pueden clasificarse como controladores (MOSFET externos) o reguladores monolíticos (MOSFET internos). Veamos primero lo primero.

Las soluciones tradicionales de controladores pueden no ser adecuadas

Un CI controlador de conmutación tradicional acciona MOSFETs externos y tiene componentes de compensación del bucle de control de retroalimentación externos. El convertidor resultante puede ser muy eficiente y versátil, a la vez que proporciona una gran potencia, pero el número de componentes discretos necesarios hace que el diseño sea relativamente complicado y difícil de optimizar. Los interruptores externos también pueden limitar la velocidad de conmutación, lo cual es un problema cuando el espacio es escaso, como en los entornos de la automoción o la aviónica, ya que las frecuencias de conmutación más bajas dan lugar a componentes más grandes en el paquete. Los controladores monolíticos, en cambio, pueden simplificar mucho el diseño. Este artículo analiza en profundidad las soluciones monolíticas, empezando por la sección "Reducir el tamaño y mejorar la EMI".

No descuides los tiempos mínimos de encendido y apagado

Otra consideración importante es el tiempo mínimo de encendido y apagado de un convertidor, o su capacidad para funcionar con ciclos de trabajo suficientes para pasar de la entrada a la salida. Cuanto mayor sea la relación de reducción, menor será el tiempo mínimo de funcionamiento requerido (esto también depende de la frecuencia). Del mismo modo, el tiempo mínimo de desconexión es la tensión de desconexión: lo bajo que puede caer la entrada antes de que la salida deje de ser soportada. Aunque el aumento de la frecuencia de conmutación tiene la ventaja de que la solución global es menor, los tiempos mínimos de encendido y apagado fijan el límite superior de la frecuencia de funcionamiento. En resumen, cuanto más bajos sean estos valores, más margen de maniobra tendrás para diseñar una solución pequeña y de alta densidad de potencia.

Presta atención al rendimiento real del IME

Un rendimiento EMI superior también es obligatorio para un funcionamiento seguro con otros dispositivos sensibles al ruido. En las aplicaciones industriales, de telecomunicaciones o de automoción, minimizar la EMI puede ser una prioridad importante para los diseños de las fuentes de alimentación. Para que los sistemas electrónicos complejos funcionen juntos -sin problemas debidos a la superposición de EMI- se han adoptado normas estrictas sobre EMI, como las especificaciones de EMI radiada CISPR 25 y CISPR 32. Para cumplir con estos requisitos, los enfoques tradicionales de alimentación reducen la EMI ralentizando los bordes de conmutación y disminuyendo la frecuencia de conmutación, lo primero da lugar a una menor eficiencia y una mayor disipación de calor, y lo segundo a una menor densidad de potencia.

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Reducir la frecuencia de conmutación también puede infringir el requisito de EMI de la banda AM de 530 kHz a 1,8 MHz de la norma CISPR 25. Se pueden adoptar técnicas de mitigación mecánica para reducir los niveles de ruido, como los complejos y engorrosos filtros EMI o el apantallamiento metálico, pero éstos añaden un coste y un volumen significativos en términos de espacio en la placa, número de componentes y complejidad de montaje, además de complicar aún más la gestión térmica y las pruebas. Ninguna de estas estrategias cumple los requisitos de tamaño compacto, alta eficiencia y baja EMI.

Reduciendo el tamaño y mejorando el rendimiento y la eficiencia térmica y de EMI

Está claro que el diseño de los sistemas de energía ha alcanzado un punto de complejidad que supone una gran carga para los diseñadores de sistemas. Para aliviar parte de esta carga, una buena estrategia es buscar soluciones de CI de potencia con características que resuelvan varios problemas a la vez: reducir la complejidad en la placa, funcionar con alta eficiencia, minimizar la disipación térmica y producir una baja EMI. Los circuitos integrados de potencia que admiten varios canales de salida simplifican aún más el diseño y la producción.

Los CI de potencia monolíticos, en los que los interruptores están incorporados en el paquete, pueden lograr muchos de estos objetivos. Por ejemplo, la figura 1 muestra una placa completa de solución de doble salida, que ilustra la simplicidad compacta de un regulador monolítico. Los MOSFETs integrados y el circuito de compensación incorporado en el CI utilizado aquí sólo requieren unos pocos componentes externos. El tamaño total del núcleo de esta solución es de sólo 22 mm × 18 mm, gracias en parte a la frecuencia de conmutación relativamente alta de 2 MHz.

Figura 1: Solución compacta, de alta frecuencia de conmutación y alta eficiencia con un excelente rendimiento EMI.

El esquema de esta placa se muestra en la Figura 2. En esta solución, el convertidor funciona a 2 MHz y produce 3,3 V a 8,5 A y 1,2 V a 8,5 A, utilizando dos canales de un LT8652S. Este circuito puede modificarse fácilmente para producir combinaciones de salida que incluyan 3,3 V y 1,8 V, 3,3 V y 1 V, etc. O, para aprovechar el amplio rango de entrada del LT8652S, puede utilizarse como convertidor de segunda etapa, después de un prerregulador de 12 V, 5 V o 3,3 V, para mejorar la eficiencia global y el rendimiento de la densidad de potencia. El LT8652S puede suministrar 8,5 A por cada canal al mismo tiempo, 17 A para la salida en paralelo y hasta 12 A para el funcionamiento de un solo canal, gracias a su alta eficiencia y su gran gestión térmica. Con un rango de entrada de 3 V a 18 V, puede cubrir la mayoría de las combinaciones de tensión de entrada necesarias para las aplicaciones de FPGA/SoC/microprocesador.

Figura 2. Aplicación de doble salida, 2 MHz, 3,3 V/8,5 A y 1,2 V/8,5 A utilizando dos canales del LT8652S.

Rendimiento de un regulador monolítico de doble salida

La figura 3 muestra las eficiencias medidas para la solución de la figura 1. Para el funcionamiento monocanal, la solución alcanza un 94% de eficiencia máxima para un raíl de 3,3 V y un 87% de eficiencia máxima para un raíl de 1,2 V con una tensión de entrada de 12 V. Para el funcionamiento de dos canales, el LT8652S tiene una eficiencia máxima del 90% con una entrada de 12 V y una eficiencia a plena carga del 86% con una corriente de carga de 8,5 A para cada canal. Gracias a la función de salto de tiempo de desconexión, el LT8652S tiene un ciclo de trabajo ampliado cercano al 100%, regulando la tensión de salida con el menor rango de tensión de entrada. El típico tiempo mínimo de encendido de 20 ns permite incluso que el regulador funcione a una alta frecuencia de conmutación, generando una salida de menos de 1 V directamente desde una batería de 12 V o un bus de CC, reduciendo el tamaño y la complejidad del sistema. - esto reduce el tamaño y el coste de la solución global, a la vez que evita la banda AM. Interruptor silencioso® 2 con condensadores de derivación integrados evita posibles problemas de diseño o producción que afecten al rendimiento superior de EMI y eficiencia en el banco.

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Figura 3: Eficiencia de la salida simple y doble con una frecuencia de conmutación de 2 MHz.

Detección de tensión diferencial para cargas de alta corriente

En las aplicaciones de alta corriente, cada pulgada lineal de traza de PCB induce una importante caída de tensión. Para las cargas de baja tensión y alta corriente típicas de los mainframes modernos, que requieren un rango de tensión muy estrecho, las caídas de tensión pueden causar graves problemas. El LT8652S tiene una función de detección de tensión de salida diferencial, que permite al cliente establecer una conexión Kelvin para la detección de la tensión de salida y la retroalimentación directamente desde el condensador de salida. Puede corregir hasta ±300 mV del potencial de la línea de tierra de salida. La figura 4 muestra la regulación de carga del LT8652S para ambos canales utilizando la función de detección diferencial.

Figura 4: Control de carga del LT8652S con función de detección diferencial.

Control de la corriente de salida

En algunas aplicaciones de alta corriente, debe recogerse información sobre la corriente de salida con fines de telemetría y diagnóstico. Además, la limitación de la corriente de salida máxima o la reducción de la corriente de salida en función de la temperatura de funcionamiento puede evitar daños en la carga. Por lo tanto, para regular con precisión la corriente de salida es necesario un funcionamiento a tensión y corriente constantes. El LT8652S utiliza los pines IMON para controlar y reducir la corriente regulada efectiva a la carga.

Mientras IMON programa la corriente regulada a la carga, puede configurarse para reducir esta corriente regulada en función de la resistencia entre IMON y GND. La reducción de la temperatura de la carga/tabla se programa mediante un termistor de coeficiente de temperatura positivo. A medida que aumenta la temperatura de la placa/carga, aumenta la tensión IMON. Para reducir la corriente regulada, la tensión IMON se compara con una referencia interna de 1 V para ajustar el ciclo de trabajo. La tensión IMON puede ser inferior a 1 V, pero no tendrá ningún efecto. La figura 5 muestra el perfil de la tensión de salida frente a la corriente de carga antes y después de que se active el bucle de corriente IMON.

Figura 5: Tensión de salida del LT8652S frente al perfil de corriente.

Baja EMI

Para que los sistemas electrónicos complejos funcionen, se aplican estrictas normas de EMI a las soluciones de los componentes individuales. Las normas han sido ampliamente adoptadas para garantizar la coherencia en varios sectores, como la CISPR 32 para la industria y la CISPR 25 para el automóvil. Para un rendimiento superior en materia de EMI, el LT8652S incorpora la tecnología Silent Switcher 2 de última generación con un diseño de cancelación de EMI y tapones de bucle caliente integrados que minimizan el tamaño de las antenas ruidosas. En combinación con los MOSFETs integrados y el pequeño tamaño de la solución, una solución LT8652S puede ofrecer un excelente rendimiento EMI. La figura 6 muestra los resultados de las pruebas de EMI de la placa de demostración estándar del LT8652S mostrada en la figura 1. La figura 6a muestra la EMI radiada CISPR 25 con el detector de picos, y la figura 6b muestra el resultado de la EMI radiada CISPR 32.

Figura 6. Resultados de la prueba de IEM radiada del circuito de aplicación de la figura 1. VEN = 14 V, VOUT1 = 3,3 V/8,5 A, VOUT2 = 1,2 V/8,5 A.

Funcionamiento en paralelo para mayores corrientes y mejor rendimiento térmico

A medida que la velocidad de procesamiento de datos se dispara y los volúmenes de datos se multiplican, la potencia de las FPGAs y los SoCs se amplía para satisfacer estas necesidades. La energía necesita energía, y las fuentes de alimentación deben seguir el ritmo de la densidad de potencia y el rendimiento. Sin embargo, los méritos de la simplicidad y la robustez no deben perderse en la búsqueda de una mayor densidad de potencia. Para los sistemas de procesadores que requieran más de 17 A de capacidad de corriente, se pueden poner en paralelo varios LT8652S y funcionar de forma desfasada.

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La figura 7 muestra dos convertidores conectados en paralelo para proporcionar una corriente de salida de 34 A a 1 V. El reloj de la unidad maestra se sincroniza con el de la unidad esclava enlazando el CLKOUT de U1 con el SYNC de U2. La diferencia de fase de 90° resultante por canal reduce el rizado de la corriente de entrada y reparte la carga térmica por toda la placa.

Figura 7. Una solución de 4 fases, 1 V/34 A, 2 MHz para una aplicación SoC.

Para garantizar un mejor reparto de la corriente en estado estacionario y en el arranque, VC, FB, SNSGND y SS están conectados entre sí. Se recomienda una conexión Kelvin para obtener una retroalimentación precisa e inmunidad al ruido. Coloca tantas vías térmicas como sea posible cerca de las clavijas de tierra a la capa inferior para mejorar el rendimiento térmico. Los condensadores cerámicos en los bucles calientes de entrada deben colocarse cerca de los pines VIN.

Los requisitos de carga transitoria impuestos por los SoCs de automoción pueden ser difíciles de cumplir, ya que las condiciones de conducción pueden cambiar drásticamente, con frecuencia y rapidez, y el SoC debe adaptarse sin demora a las cargas que cambian rápidamente. No es infrecuente ver una velocidad de giro de la corriente de carga de 100 A/μs en las fuentes de alimentación periféricas y aún más en las fuentes de alimentación del núcleo. Sin embargo, los transitorios de tensión en la salida de las fuentes de alimentación deben reducirse al mínimo con velocidades de giro de la corriente de carga rápidas. Una frecuencia de conmutación rápida, >2 MHz, permite una rápida recuperación de los transitorios con mínimas excursiones de la tensión de salida. La figura 7 muestra los valores adecuados de los componentes de compensación del bucle que aprovechan una frecuencia de conmutación rápida y una respuesta dinámica estable del bucle. También es esencial en el diseño de la placa minimizar la inductancia de la traza entre los condensadores de salida del circuito y la carga.

Figura 8. Respuesta de carga transitoria del circuito de la Figura 7.

Conclusión

La potencia de procesamiento de las FPGAs, los SoCs y los microprocesadores aumenta continuamente, con el correspondiente incremento de las necesidades de energía bruta. A medida que aumenta el número de raíles de alimentación necesarios y su capacidad de transporte, es imperativo pensar en pequeño y rápido cuando se trata del diseño y el rendimiento del sistema de alimentación. El LT8652S es un regulador buck síncrono de modo de corriente Silent Switcher 2, de 8,5 A y 18 V, que funciona con un rango de tensión de entrada de 3 V a 18 V, adecuado para aplicaciones con fuentes de entrada que van desde una batería de iones de litio de una sola célula hasta entradas de automóviles.

El LT8652S tiene un rango de frecuencia de funcionamiento de 300 kHz a 3 MHz, lo que permite a los diseñadores minimizar el tamaño de los componentes externos y evitar las bandas de frecuencia críticas, como la radio AM. La tecnología Silent Switcher 2 garantiza un excelente rendimiento EMI sin sacrificar la frecuencia de conmutación y la densidad de potencia, ni la velocidad de conmutación y la eficiencia. La tecnología del Conmutador Silencioso 2 también incorpora todos los condensadores de derivación necesarios en la carcasa, lo que minimiza el riesgo de sorpresas de EMI debido a la disposición o la producción, simplificando el diseño y la fabricación.

Modo ráfaga® reduce la corriente de reposo a sólo 16 μA, manteniendo una baja ondulación de la tensión de salida. La combinación de un encapsulado LQFN de 4 mm × 7 mm y muy pocos componentes externos garantiza una huella muy compacta a la vez que minimiza el coste de la solución. Los interruptores de 24 mΩ/8 mΩ del LT8652S ofrecen eficiencias superiores al 90%, mientras que el bloqueo de subtensión programable (UVLO) optimiza el rendimiento del sistema. La detección remota de la tensión de salida diferencial mantiene una alta precisión en todo el rango de la carga, a la vez que es inmune a la impedancia de la traza, lo que minimiza la posibilidad de dañar la carga debido a la variedad externa. Otras características son la compensación interna/externa, el arranque suave, el repliegue de frecuencia y la protección térmica.

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