Las fuentes de alimentación de bajo ruido están disponibles en varias versiones: Parte 3 - Convertidores Buck

En la primera parte de la serie, examinamos los controladores lineales para conseguir el menor ruido de salida. En la Parte 2, destacamos las soluciones de bombas de carga con controladores post-lineales integrados. En estos ejemplos anteriores, la eficiencia del circuito era una prioridad menor. ¿Pero qué pasa si se desea tanto un bajo ruido de la tensión de salida como una alta eficiencia? ¿Puede una solución de un solo chip proporcionar ambas cosas?

Reguladores de conmutación reductores de bajo ruido

El ruido de salida de los reguladores de conmutación depende de muchos factores, como la corriente de inducción de pico, la corriente de carga, la topología del regulador de conmutación, las técnicas del bucle de control del circuito, el tamaño y las características del condensador de salida, los valores de los componentes del circuito y la disposición. Linear Technology ofrece muchos dispositivos que proporcionan niveles de ruido pico a pico por debajo de 10 mV en todo el rango de corriente de carga y tensión de alimentación de entrada

Eficiencia

Con las fuentes de alimentación conmutadas, es difícil conseguir una alta eficiencia cuando el convertidor está poco cargado, porque la disipación de potencia del circuito de control y las pérdidas de potencia de conmutación se convierten en un porcentaje mucho mayor del presupuesto de energía que con cargas más altas. La tecnología automática patentada de Linear Technology para el Modo Ráfaga permite que una fuente de alimentación conmutada ofrezca una alta eficiencia incluso cuando está poco cargada, desactivando los circuitos no esenciales cuando la salida está regulada, pero manteniendo un comparador que supervisa activamente la salida para que los circuitos de control puedan volver a activarse rápidamente cuando la salida empiece a caer. A continuación, al aumentar la corriente de carga, el convertidor pasará automáticamente del modo ráfaga al funcionamiento PWM de bajo ruido. A la inversa, el inversor pasará automáticamente del modo PWM al modo Ráfaga cuando la carga disminuya. La entrada y salida de la región de modo ráfaga depende de la tensión de entrada, la tensión de salida y el valor de la inductancia, pero generalmente es inferior a 100mA. En la Figura 1a se muestra un circuito de aplicación que utiliza el LTC3103, que tiene la opción de funcionamiento automático en modo ráfaga. La eficiencia frente a la corriente de salida del LTC3103 se muestra en la Figura 1b. Para una entrada de 5V y una corriente de carga de 2,2V, 100µA, la eficiencia es de un impresionante 80,3% cuando se utiliza el modo ráfaga.

Muchos dispositivos del mercado afirman tener una corriente de reposo ultrabaja y una alta eficiencia, la mejor de su clase. Muchos dispositivos de la competencia tienen corrientes de reposo inferiores a la corriente de modo de ráfaga de 1,8µA del LTC3103, pero su eficiencia a baja carga es mucho peor. Te animamos a que compares nuestro gráfico de eficiencia en modo ráfaga con estos dispositivos. Te darás cuenta de dos cosas: nuestros gráficos incluyen cifras de eficiencia para corrientes de carga inferiores a 1mA, y en cuanto a las eficiencias, sus gráficos muestran que nuestras eficiencias en modo ráfaga de baja carga suelen ser entre un 25 y un 45% superiores para las mismas corrientes de carga.

Ruido de salida

Cuando la corriente de carga está por encima del umbral del modo ráfaga y el convertidor pasa al modo PWM, el ruido de la tensión de salida es bastante bajo y sólo depende del rizado de la corriente del inductor y del tamaño del condensador de salida. Cuando la corriente de carga disminuye y el inversor entra en modo ráfaga, los circuitos de control se encienden y apagan intermitentemente para ahorrar energía. Aunque la tensión media de salida se regula con precisión en este modo, la histéresis de la tensión de salida entre los puntos de conexión y desconexión de los circuitos de control provoca una mayor ondulación en la tensión de salida, lo que aumenta el ruido subarmónico. El ejemplo siguiente muestra una comparación del rizado en modo PWM (Figura 2a) y en modo ráfaga (Figura 2b) para la misma corriente de carga.

Un dispositivo como el LTC3103 ofrece una alta eficiencia, pero ¿es adecuado su rendimiento acústico? En muchos casos, la respuesta es sí. Linear Technology ha mejorado el rendimiento del modo ráfaga a lo largo de los años, lo que ha dado lugar a un rendimiento del ruido de la tensión de salida aún más bajo en los productos anunciados más recientemente. A continuación se muestra un gráfico del ruido de salida del LTC3103 en modo ráfaga. En esta figura, el pico de ruido de salida varía entre unos 10 mV y 12 mV.

La eficiencia de la carga ligera es la verdadera ventaja del modo ráfaga, pero si el ruido del modo ráfaga es un problema, el cliente tiene varias opciones. En primer lugar, como la patilla MODE controla el modo de funcionamiento, la unidad puede pasar momentáneamente al modo continuo para minimizar el ruido. Esto es ideal en aplicaciones como los transmisores de baja potencia, en los que el modo de bajo ruido sólo es necesario cuando se transmiten datos o se realiza una medición sensible. El modo continuo forzado reduce el ruido de salida, pero a costa de la eficiencia. Si la degradación de la eficiencia es sólo de corta duración, la eficiencia global del sistema sólo se verá ligeramente afectada. Recuerda que aunque esté activado y la corriente de carga sea lo suficientemente alta, el modo ráfaga cambia automáticamente al modo PWM de menor ruido y frecuencia constante. La figura siguiente muestra una entrada de 12V convertida a 3,3V@300mA y el pico de ruido de salida es de sólo 5mV. Los ejes de escala Y y X de los gráficos son 10mV/div y 500ns/div respectivamente. Cuando se reduce la diferencia de tensión entre la entrada y la salida, el ruido de salida también mejora. Al cambiar la tensión de entrada a 5 V, el ruido de salida se reduce a 2 mV de pico a pico.

Una segunda opción es utilizar el LTC3104, que no es más que el LTC3103 con un regulador lineal integrado de 10mA de baja caída. El regulador lineal tiene una patilla de alimentación independiente y una caída de tensión típica de 150 mV.

La figura siguiente muestra el LTC3104 con una entrada de 12V, una salida buck de 4V y un post regulador LDO de 3,3V que reduce la salida de 4V a 3,3V@10mA. Los ejes de escala Y y X vuelven a ser de 10mV/div y 500ns/div respectivamente. Observa que la ondulación pico a pico en la salida del LDO (el trazo central) está ahora en el rango de ±1mV.

Una última opción es añadir un filtro discreto o una cuenta de ferrita a la salida para reducir el ruido. Sin embargo, los detalles de cómo seleccionar los componentes y los valores de los filtros correctos son muy específicos de la aplicación y están fuera del alcance de este debate.

En resumen

Hay muchas opciones de fuentes de alimentación para sistemas de bajo ruido y alta eficiencia. A veces el ruido debe ser "suficientemente bajo" a cambio de una mayor eficiencia a baja carga, y otras veces se requiere el mejor rendimiento de ruido a cualquier corriente de carga. Para todas estas aplicaciones, la amplia oferta de fuentes de alimentación de Linear Technology simplifica el proceso de selección de tu solución de bajo ruido. Desde los mejores reguladores lineales de bajo ruido de su clase hasta las bombas de carga de solución de un solo chip con LDO integrados, pasando por las soluciones de conmutación de inductancia de bajo ruido con y sin LDO, recurre a Linear Technology para obtener productos innovadores que ofrecen un rendimiento de bajo ruido y permiten una amplia gama de otras opciones de rendimiento, como el tamaño, el coste y la eficiencia.