El interruptor silencioso cumple con las emisiones radiadas CISPR Clase 5 mientras mantiene una alta eficiencia de conversión

Cuando minimizar la IEA es una prioridad de diseño, un controlador lineal puede ser una solución de bajo nivel de ruido, pero los requisitos de eficiencia y disipación de calor pueden impedir esta opción y hacer referencia a un controlador de conmutación. Incluso en aplicaciones sensibles a EMI, un regulador de conmutación suele ser el primer componente activo en la línea del bus de alimentación de entrada y, independientemente de los convertidores reductores, tiene un impacto significativo en el rendimiento general de EMI del convertidor. Hasta ahora, no había una forma segura de garantizar la supresión de EMI y lograr los requisitos de eficiencia mediante la selección de circuitos integrados de potencia. El interruptor silencioso LT8614^™ controlador que lo hace posible ahora.

El LT8614 reduce la EMI en más de 20 dB en comparación con los reguladores de conmutación líderes en la industria de la actualidad. En comparación, IEA se reduce 10 veces en el rango de frecuencia por encima de 30 MHz sin afectar los tiempos mínimos de encendido y apagado o la eficiencia en un área de placa equivalente. Esto se logra sin componentes ni blindaje adicionales, lo que representa un avance significativo en el diseño de reguladores de cambio.

Una nueva solución a los problemas de la IEA

La solución comprobada para los problemas de EMI es usar una caja protectora para todo el circuito. Por supuesto, esto agrega costos significativos en términos de espacio de placa requerido, componentes y ensamblaje, mientras que la gestión térmica y las pruebas son complejas al mismo tiempo. Otro método es reducir la velocidad de los bordes del interruptor. Esto tiene el efecto indeseable de reducir la eficiencia, aumentando los tiempos mínimos de encendido y apagado y sus tiempos muertos asociados, y afectando la velocidad potencial del lazo de control actual.

El regulador de conmutador silencioso LT8614 proporciona los efectos deseados de un gabinete blindado sin usar uno (consulte la Figura 1). El LT8614 cuenta con baja I_C 2,5 µA de corriente de suministro total consumida por el dispositivo, en regulación sin carga, siempre importante para los sistemas.

El único interruptor superior interno que limita su caída ultrabaja. A diferencia de las soluciones alternativas, la V es la LT8614_EN-V_AFUERA el límite no está limitado por el ciclo de trabajo máximo y el tiempo de inactividad mínimo. El dispositivo no realiza ciclos de apagado cuando está apagado y solo realiza los ciclos de apagado mínimos necesarios para mantener el voltaje de refuerzo del interruptor máximo interno, como se muestra en la Figura 6.

Al mismo tiempo, el voltaje de entrada operativo mínimo es de solo 2,9 V típico (máximo 3,4 V), lo que le permite alimentar un riel de 3,3 V con la parte de apagado. A altas corrientes, el LT8614 tiene una mayor eficiencia que las piezas comparables porque la resistencia general del interruptor es menor.

El LT8614 se puede sincronizar con una frecuencia externa que funcione de 200 kHz a 3 MHz. Las pérdidas de conmutación de CA son bajas, por lo que se puede operar a altas frecuencias de conmutación con una pérdida mínima de eficiencia. En aplicaciones sensibles a EMI, como las que se encuentran comúnmente en muchos entornos automotrices, se puede lograr un buen equilibrio y el LT8614 puede operar por debajo de la banda AM para EMI aún más bajos, o por encima de la banda AM por encima de la banda AM. En una configuración con una frecuencia de conmutación operativa de 700 kHz, la placa de visualización estándar LT8614 no supera el umbral mínimo de ruido de una medida CISPR25, clase 5.

La figura 2 muestra las medidas tomadas en una cámara anecoica con una entrada de 12 V, una salida de 3,3 V a 2 A con una frecuencia de conmutación fija de 700 kHz. Para comparar la tecnología del conmutador silencioso LT8614 con otros controladores de conmutación modernos actuales, la pieza se midió con el LT8610 (consulte la Figura 3). La prueba se realizó en una celda GTEM utilizando la misma carga, voltaje de entrada e inductancia en tableros de visualización estándar para ambas partes.

El uso de la tecnología Silent Switcher del LT8614 puede suponer una mejora de hasta 20 dB con respecto al ya muy buen rendimiento EMI del LT8610, especialmente en el área de alta frecuencia más difícil de gestionar.

En el dominio del tiempo, el LT8614 exhibe un comportamiento benigno en los bordes del nodo de conmutación, como se muestra en las Figuras 4 y 5. Incluso a 4 ns/div, el controlador de conmutación silencioso LT8614 exhibe un timbre mínimo. Por el contrario, el LT8610 atenuó con éxito el anillo como se muestra en la Figura 4, pero se puede ver la mayor energía almacenada en el bucle caliente en comparación con el LT8614 (Figura 4).

La Figura 5 muestra el nodo de conmutación con una entrada de 13,2 V y cómo el LT8614 logra una onda cuadrada casi ideal en el nodo de conmutación. Todas las mediciones en el dominio del tiempo de las Figuras 4, 5 y 6 se realizan con sondas Tektronix P6139A de 500 MHz con una conexión de protección de punta de sonda angosta al plano GND de la PCB. Para ambas partes se utilizan tableros de visualización listos para usar.

La tensión de entrada máxima total de 42 V de la familia LT861x es importante para entornos industriales y de automoción. Igualmente importante, especialmente en situaciones automotrices, es el comportamiento de abandono. Los suministros lógicos críticos de 3,3 V a menudo necesitan respaldo en situaciones de arranque en frío. El conmutador silencioso LT8614 mantiene el comportamiento casi ideal de la familia LT861x en este caso. En lugar de voltajes de apagado por bajo voltaje más altos y abrazaderas máximas de ciclo de trabajo de CA, los dispositivos LT8610/11/14 funcionan hasta 3,4 V y comienzan a omitir ciclos cuando es necesario, como se muestra en la Figura 6. Esto da como resultado un bloqueo de comportamiento ideal. como se muestra en la figura 7.

El LT8614 tiene un tiempo de encendido mínimo de 30 ns, lo que permite grandes relaciones de reducción, incluso a altas frecuencias de conmutación. Como resultado, puede proporcionar voltajes de núcleo lógico con un solo paso hacia abajo desde entradas de hasta 42 V.

Conclusión

Es bien sabido que pasar la prueba de EMI al final del sistema requiere una cuidadosa consideración de las consideraciones de EMI durante el diseño inicial del convertidor. El controlador Silent Switcher LT8614 ayuda a garantizar el éxito con una simple selección de IC de alimentación. El LT8614 IEA reduce los reguladores de conmutación modernos de hoy en día en más de 20 dB y aumenta la eficiencia de conversión: no se requieren componentes adicionales ni blindaje adicional.

Reguladores de conmutación y EMI

El diseño de las placas de circuito determina el éxito o el fracaso de cada fuente de alimentación. Define la interferencia funcional, electromagnética (EMI) y térmica. Aunque cambiar el diseño de la fuente de alimentación no es un arte negro, a menudo se puede pasar por alto en el proceso de diseño inicial. Dado que se deben cumplir los requisitos funcionales y de EMI, lo que es bueno para la estabilidad funcional de la fuente de alimentación también lo es para sus emisiones de EMI. Cabe señalar que un buen diseño desde el principio no aumentará los costos, pero de hecho puede generar ahorros de costos, eliminando la necesidad de filtros IEA, blindaje mecánico, tiempo de prueba IEA y revisiones de placas de circuito impreso.

Hay dos tipos de emisiones EMI: conducidas y radiadas. Las emisiones conductivas viajan por cables y pistas que se conectan a un producto. Debido a que el ruido se localiza en un terminal o conector específico en el diseño, a menudo se puede garantizar el cumplimiento de los requisitos de emisión conducida relativamente temprano en el proceso de desarrollo con una buena distribución y diseño del filtro.

Sin embargo, las emisiones de radiación son otra historia. Cualquier cosa que lleva una corriente en el tablero libera un campo electromagnético. Cada pista en el mapa es una antena y cada plano de cobre es un espejo. Cualquier cosa que no sea una onda sinusoidal pura o un voltaje de CC genera un amplio espectro de señal. Incluso con un diseño cuidadoso, un diseñador nunca sabe qué tan malas serán las emisiones radiadas hasta que se prueba el sistema. Y las pruebas de emisiones de radiación no se pueden realizar formalmente hasta que el diseño esté esencialmente completo.

Los filtros se utilizan a menudo para reducir la EMI al atenuar la fuerza a una determinada frecuencia o en un rango de frecuencias. Parte de esta energía que viaja por el espacio (radiación) se mitiga agregando láminas de metal como escudos magnéticos. La parte de baja frecuencia que interfiere con las trazas de la PCB (controlador) se controla agregando perlas de ferrita y otros filtros. La EMI no se puede eliminar, pero se puede mitigar a un nivel aceptable con otros componentes digitales y de comunicación. Además, muchos organismos reguladores hacen cumplir las normas para garantizar el cumplimiento.

Los componentes de filtro de entrada modernos con tecnología de montaje en superficie funcionan mejor que las piezas de orificio pasante. Sin embargo, esta mejora se ve contrarrestada por el aumento de las frecuencias de funcionamiento de los reguladores de conmutación. Una mayor eficiencia da como resultado un mayor contenido de armónicos, tiempos mínimos de encendido y apagado debido a transiciones de conmutación más rápidas. Por cada duplicación de la frecuencia de conmutación, la EMI disminuye en 6 dB, mientras que todos los demás parámetros, como la capacitancia de transferencia y los tiempos de transición, permanecen constantes. La EMI de banda ancha se comporta como un paso alto de primer orden con emisiones 20 dB más altas si la frecuencia de conmutación aumenta 10 veces.

Los diseñadores de PCB inteligentes minimizarán el bucle caliente y utilizarán capas de tierra de protección lo más cerca posible de la capa activa. Sin embargo, los pines del dispositivo, la construcción del paquete, los requisitos de diseño térmico y los tamaños de paquete necesarios para el almacenamiento de energía adecuado en los componentes de desacoplamiento dictan menos bucles calientes. Para complicar aún más las cosas, en las típicas placas de circuito impreso planares, el acoplamiento magnético o transformador entre pistas por encima de 30 MHz reducirá cualquier esfuerzo de filtrado ya que cuanto más altas sean las frecuencias, mayor será el acoplamiento magnético o la antena no deseada.

El problema potencial de la interferencia y el ruido puede verse exacerbado cuando varios reguladores de conmutación de CC/CC se conectan en paralelo para compartir corriente y una mayor potencia de salida. Si todos operan (conmutan) a una frecuencia similar, la energía combinada generada por múltiples controladores en un circuito se enfoca en esa frecuencia y sus armónicos. La presencia de esta energía puede ser motivo de preocupación, especialmente para el resto de los circuitos integrados en la placa de circuito y otras placas del sistema que están muy juntas y son sensibles a esta energía radiada. Esto puede ser especialmente preocupante en sistemas automotrices densamente poblados que a menudo se encuentran muy cerca de sistemas de audio, RF, bus CAN y varios receptores.