Alimentación de convertidores analógico-digitales de alta velocidad con fuentes de alimentación conmutadas

Introducción

Los sistemas electrónicos modernos que utilizan convertidores analógico-digitales (ADC) requieren una menor potencia y un mayor rendimiento. Este artículo describe las diferencias entre las fuentes de alimentación lineales y las de conmutación y demuestra que la combinación de un ADC de alto rendimiento con un convertidor DC-DC eficiente puede reducir significativamente la potencia del sistema sin degradar el rendimiento.

Se pide a los diseñadores de sistemas que reduzcan la potencia total para mitigar el impacto en nuestro medio ambiente, al tiempo que se reducen los costes de capital y de funcionamiento. También se les pide que aumenten la densidad de los circuitos para que los sistemas electrónicos puedan introducirse en factores de forma más pequeños y funcionar en entornos más difíciles. Por desgracia, la integración de soluciones de alta potencia en estos sistemas conlleva importantes dificultades para eliminar el exceso de calor y deja sin cumplir otros objetivos.

Tradicionalmente, los fabricantes de ADCs recomiendan utilizar reguladores de tensión lineales para proporcionar fuentes de alimentación limpias al convertidor. Los reguladores lineales rechazan el ruido de baja frecuencia que suele haber en las fuentes de alimentación del sistema. Además, se utiliza una combinación de bolas de ferrita y condensadores de desacoplamiento para atenuar el ruido de alta frecuencia. Esta técnica es eficaz, pero limita la eficiencia, sobre todo en los sistemas en los que los reguladores lineales deben regular a partir de un carril de alimentación de varios voltios por encima de su tensión de salida. Los LDOs suelen ofrecer un 30-50% de eficiencia, mientras que la eficiencia de un regulador DC-DC puede ser superior al 90%. La figura 1 muestra la eficiencia típica de un regulador reductor de conmutación, el ADP2114 de Analog Devices.

Figura 1: Eficiencia típica del regulador de conmutación ADP2114.

Los convertidores CC-CC, aunque son mucho más eficientes que los LDO, se han considerado tradicionalmente demasiado ruidosos para alimentar directamente a los convertidores analógico-digitales de alta velocidad sin una degradación significativa del rendimiento. Este ruido tiene al menos dos fuentes: el ruido acoplado directamente en el convertidor por la ondulación de la alimentación y el ruido debido a los efectos de acoplamiento magnético. La ondulación puede aparecer como tonos distintos (o llamaradas) en el espectro de salida del ADC o provocar un aumento general del ruido de fondo. La sensibilidad del ADC a estos tonos distintos puede caracterizarse y suele especificarse en las hojas de datos del convertidor como relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR). Sin embargo, las mediciones de la PSRR no caracterizan los efectos de la banda ancha en el piso de ruido de un convertidor. Las elevadas corrientes producidas en una fuente de alimentación conmutada suelen generar fuertes campos magnéticos que pueden acoplarse a otros componentes magnéticos de la placa, incluidas las inductancias de las redes de adaptación y los transformadores utilizados para acoplar las señales analógicas y de reloj. Hay que utilizar técnicas de diseño de placa muy precisas para evitar que estos campos se acoplen a las señales críticas.

Ahorro de energía (beneficios de eficiencia)

Aunque las empresas de semiconductores siguen introduciendo ADCs, DACs y amplificadores más eficientes, estas mejoras palidecen en comparación con la eficiencia energética global del sistema que se puede conseguir sustituyendo los LDOs por reguladores DC-DC. Considera un circuito lineal que requiere 100 mA, o 330 mW de una alimentación de 3,3 V. Con un LDO típico que regule 5 V hasta 3,3 V, el consumo total de energía sería de 500 mW, mientras que sólo 330 mW proporcionarían una función útil. La fuente de alimentación bruta tiene que ser un 51% más grande de lo que realmente se necesita, lo que supone un desperdicio de energía y un mayor coste. En comparación, considera un regulador DC-DC con una eficiencia del 90%. La demanda total de una fuente de 5 V sería de 74 mA, un requisito mucho menor, lo que reduciría tanto la potencia como el coste en el tiempo.

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En sistemas como las estaciones base inalámbricas, la alimentación suele provenir de una única fuente de alta corriente. A menudo, esta potencia se regula en sentido descendente a través de diferentes etapas de reducción antes de llegar a los componentes de señal lineal y mixta. Cada una de estas etapas de reducción, aunque puede ser muy eficiente, desperdicia algo de energía. La figura siguiente muestra un sistema típico en el que la fuente de alimentación se regula a partir de una barra de alimentación de 12 V. Pueden intervenir tres o más etapas de reducción para alimentar el ADC y otros componentes analógicos. La última etapa, que suele ser un LDO, suele ser la menos eficiente de las etapas de reducción. Incluso los reguladores DC-DC eficientes que alcanzan un 90% de eficiencia sólo tienen un 81% de eficiencia cuando se conectan en cascada dos veces, como se muestra en la Figura 2. La situación es aún peor cuando los LDO tienen que seguir el paso de la regulación final.

Figura 2. Típica fuente de alimentación a nivel de sistema.

Las recientes mejoras en la tecnología de las fuentes de alimentación DC-DC y las mayores frecuencias de conmutación han hecho posible que los ADC funcionen directamente con fuentes de alimentación DC-DC sin pérdida de rendimiento y con una eficiencia mucho mayor. La figura 3 muestra un típico circuito reductor sin el LDO.

Figura 3. Reducción del suministro de energía a nivel del sistema.

Además, muchos sistemas utilizan un LDO distinto para cada ADC. Se han utilizado LDOs separados para proporcionar aislamiento de ruido entre los diferentes ADCs y para reducir la disipación de energía en cada LDO. Esta separación distribuye el calor generado por los LDO y permite utilizarlos en recintos pequeños. Debido a la mayor eficiencia de los convertidores de conmutación, un conmutador puede alimentar varios ADC y otros componentes lineales sin la excesiva disipación de energía y generación de calor que se produciría utilizando un único LDO de gran tamaño. El uso de bolas de ferrita filtrantes en la salida de la fuente de alimentación conmutada aísla los componentes que comparten el mismo raíl de alimentación. El uso de un conmutador reduce la necesidad de reguladores en el sistema, lo que supone un importante ahorro de energía y un menor coste de la placa al eliminar los LDO redundantes y los circuitos asociados.

Desde el laboratorio

Un convertidor analógico-digital de 16 bits y 125 MSPS, como el AD9268 de Analog Devices, consigue un nivel de ruido muy bajo, con una relación señal/ruido (SNR) de 78 dB. El bajo nivel de ruido de -152 dBm/Hz lo convierte en un candidato ideal para la evaluación con una fuente de alimentación conmutada. Cualquier ruido adicional o contenido parasitario aportado por el convertidor CC-CC sería fácilmente visible en el espectro de salida del convertidor. El convertidor se combinó con un regulador reductor PWM de Analog Devices ADP2114. Este regulador reductor de doble salida tiene un rendimiento de hasta el 95%, funciona a una alta frecuencia de conmutación y tiene un bajo nivel de ruido.

Un estudio de laboratorio comparó el rendimiento del ADC con reguladores lineales; frente a su rendimiento cuando se utiliza un regulador de conmutación. Estos experimentos se llevaron a cabo con la placa de evaluación del cliente del convertidor. El convertidor tiene dos alimentaciones de entrada: AVDD alimenta la parte analógica, mientras que DRVDD alimenta las secciones digital y de salida. Para comparar, el convertidor se evaluó inicialmente con dos reguladores lineales (Analog Devices ADP1706), que suministraban tanto AVDD como DRVDD. La configuración de esta prueba se muestra en la Figura 4. A continuación, el convertidor se alimentó con un regulador de conmutación, como se muestra en la figura 5. Una salida del regulador de conmutación proporcionaba AVDD; la segunda salida proporcionaba DRVDD.

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En ambas configuraciones, la fuente de entrada analógica era un Rhode & Schwartz SMA-100 con un filtro pasabanda K&L. La entrada analógica se alimentó con una red de entrada de doble balun, que convierte la salida monotemática del generador de señales en una entrada diferencial para el ADC. La fuente de reloj de muestreo era un oscilador Wenzel de baja fluctuación, que también se alimentaba con un circuito de balun para la conversión de monopolar a diferencial. El raíl de alimentación de entrada (antes de los reguladores) se ajustó a 3,6 V para ambas mediciones.

Figura 4: Diagrama de bloques para la medición de la alimentación lineal con los LDOs ADP1708.
Figura 5. Diagrama de bloques para medir la potencia de conmutación con el regulador de conmutación ADP2114.

Resultados del rendimiento del CAD

Se midió el rendimiento del convertidor con cada configuración de fuente de alimentación para determinar si se producía una degradación al utilizar las fuentes de alimentación conmutadas. Se midieron la SNR y la SFDR en varias frecuencias de entrada; los resultados, resumidos en la Tabla 1, no muestran diferencias significativas en la SNR o la SFDR cuando se utilizan reguladores lineales en comparación con fuentes de alimentación conmutadas.

El regulador de conmutación puede funcionar de forma asíncrona o puede sincronizarse con el reloj de muestreo del convertidor sin que ello afecte al rendimiento del mismo. La sincronización permite una libertad adicional en las aplicaciones en las que puede ser ventajosa.

Tabla 1. Comparación del rendimiento: Fuentes de alimentación lineales frente a
Entrada analógica
Frecuencia (MHz)
Fuentes de alimentación linealesFuentes de alimentación conmutadas
SNRFSSFDRSNRFSSFDR
10.379.292.279.292.3
70.078.591.078.490.8
100.377.885.877.785.6
140.376.985.076.984.8
170.376.284.375.984.6
200.375.076.975.077.0

Gráficos FFT

Las figuras 6 y 7 muestran las FFT del AD9268 con una frecuencia de entrada analógica de 70 MHz utilizando fuentes de alimentación lineales frente a las conmutadas.

Figura 6. 70 MHz AEN con las fuentes de alimentación lineales ADP1708.
Figura 7. 70 MHz AEN con las fuentes de alimentación conmutadas ADP2114.

Resultados de eficiencia

La tabla 2 muestra la eficiencia medida de cada solución de alimentación. A una tensión de entrada de 3,6 V, el regulador de conmutación ofrece una mejora del 35% en la eficiencia y un ahorro de 640 mW. Este ahorro es para un solo convertidor y se amplía considerablemente en los sistemas que utilizan varios ADC.

Tabla 2. Comparación de la eficiencia: Fuentes de alimentación lineales frente a
Reguladores linealesConmutación ADP2114
Controlador
Tensión de entrada/
Actual
3.6 V/0,433 mA
(1.5588 W)
3.6 V/0,255 mA
(0.918 W)
Tensión de salida/
Actual
1.8 V/0,433 mA
(0.7794 W)
1.8 V/0,433 mA
(0.7794 W)
Eficiencia global50%85%

Imágenes térmicas

Las figuras 8 y 9 muestran las diferencias de calor generadas en la sección de alimentación de la placa entre el uso de la fuente de alimentación LDO y el ADP2114. Se aplica la misma escala a ambas imágenes. Los puntos de medición SP01, SP02 y SP03 muestran la temperatura de los reguladores lineales, que están operativos en la Figura 8. El SP06 de la figura 9 muestra la temperatura del ADP2114, que es entre 10 y 15 °C inferior a la de los controladores lineales de la figura 8. SP04 muestra la temperatura del AD9268, que es similar en ambas imágenes. Observa también que en la figura 8 la temperatura global de fondo es mayor y que un diodo de bloqueo en serie (no etiquetado) maneja una carga térmica mucho mayor.

Detalles del circuito

La figura 10 muestra el diagrama detallado del circuito utilizado para el regulador de conmutación, que se configuró para funcionar en modo PWM forzado con los canales configurados para salidas individuales de 2 A. La frecuencia de conmutación del controlador se ajustó a 1,2 MHz colocando una resistencia de 27 kΩ entre el pin FREQ y GND. Además del circuito mostrado, se incluyó un cordón de ferrita adicional entre el interruptor y el ADC, y se colocaron condensadores de derivación estándar cerca de los pines de alimentación del ADC. Este diseño da como resultado 220 μV de rizado de conmutación y menos de 6 μV de ruido de alta frecuencia en la salida del ADP2114. El cordón de ferrita adicional y el bypass cerca del AD9268 lo reducen a 300 nV y a menos de 3 μV de ruido en los pines de alimentación del ADC.

También se proporciona información sobre la nomenclatura y la disposición. Observa en el esquema que los inductores de conmutación L101 y L102 están en el lado opuesto de la placa a los componentes del ADC y de la ruta de señal. Esta ubicación minimiza cualquier posible acoplamiento entre estos inductores y los componentes de la parte superior de la placa, especialmente los baluns en las rutas de señal y de reloj. En cualquier disposición con un convertidor de conmutación, hay que tener cuidado para evitar el acoplamiento de campos magnéticos o eléctricos.

Figura 8: Imagen térmica de la placa de evaluación del AD9268 con alimentación lineal.
Figura 9: Imagen térmica de la placa de evaluación AD9268 con la fuente de alimentación ADP2114.
Figura 10. Configuración del circuito ADP2114.
Tabla 3. Nomenclatura de los materiales
CantidadCódigo de referenciaDescripciónFabricanteNúmero de piezaTipo de envase
1C1071 µF CAP CERPanasonicECJ-0EF0J105ZC0402
2C108, C10910000 pF CAP CER
MULTICAPA X7R 0402
PanasonicECJ-0EB1E103KC0402
1C1102200 pF CAP CERPhycomp (Yageo)0402R222K8B20DC0402
2C111, C113100 pF CAP CHIP MONO
CER C0G 0402
MurataGRM1555C1H101JD01DC0402
1C112cAP 1500 pF CER 0402PanasonicECJ-0EB1H152KC0402
6C138, C139, C141,
C142, C147, C148
22 µF CAP CER CHIPMurataGRM21BR60J226ME39LC0805
2E116, E117iNDUCTOR 100 MHz
FERRITA BD
PanasonicEXC-ML20A390UL0805
2L101, L1022.iNDUCTOR 2 µH SMTokoFDV0630-2R2MLSML291W264H118
1R10410 Ω RES DE GROSOR
CHIP DE PELÍCULA R0402
PanasonicERJ-2RKF10R0XR0402
2R105, R106100 kΩ RES PREC GRUESO
CHIP DE PELÍCULA R0402
PanasonicERJ-2RKF1003XR0402
1R10727 kΩ RES CHIP SMD 0402PanasonicERJ-2RKF2702XR0402
1R10810.5 kΩ RES PREC GRUESO
CHIP DE PELÍCULA R0402
PanasonicERJ-2RKF1052XR0402
1R1094.75 kΩ RES CHIP
SMD 0402
PanasonicERJ-2RKF4751XR0402
2R110, R11115 kΩ RES CHIP SMD 0402PanasonicERJ-2RKF1502XR0402
1R11813 kΩ RES FILM SMD 0402Yageo9C04021A1302FLHF3R0402
1VR101IC ADI DUAL
CONFIG SYNC PWM
REG DE PASO A PASO
ADIADP2114QFN32_5X5_PAD3_3X3_3
Figura 11. Esquema de la placa de circuito impreso que muestra la ubicación relativa del ADP2114 y el AD9268 (observa que los inductores de conmutación están en el lado opuesto de la placa de circuito impreso).

Conclusión

Este artículo demuestra que los convertidores analógico-digitales pueden alimentarse directamente de fuentes de alimentación conmutadas sin pérdida de rendimiento si se siguen unas prácticas de diseño cuidadosas. El rendimiento del convertidor no mostró ninguna degradación cuando se alimentó de la fuente de alimentación conmutada ADP2114 en comparación con las fuentes de alimentación lineales ADP1708. El uso de una fuente de alimentación conmutada puede mejorar la eficiencia de la fuente de alimentación en un 30-40% y reducir significativamente el consumo total de energía, incluso más que la simple selección de un convertidor de baja potencia. En muchos sistemas, estos dispositivos funcionan de forma continua, por lo que el uso de fuentes de alimentación conmutadas puede reducir significativamente los costes de funcionamiento sin comprometer el rendimiento.

Reproducido con permiso de Power Management DesignLine - 27 de mayo de 2009

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