Comprender los artefactos de salida de los reguladores de conmutación

Introducción

Puede ser importante minimizar el rizado de salida y los transitorios de un regulador de conmutación, especialmente cuando se alimentan dispositivos sensibles al ruido, como los ADC de alta resolución, en los que el rizado de salida puede aparecer como un pico distintivo en el espectro de salida del ADC. Para evitar la degradación de la relación señal-ruido (SNR) y el rango dinámico libre de espurias (SFDR), el regulador de conmutación suele sustituirse por un regulador de baja caída (LDO), cambiando la alta eficiencia del regulador de conmutación por la salida más limpia del LDO. La comprensión de estos artefactos permitirá a los diseñadores integrar con éxito los reguladores de conmutación en una gama más amplia de aplicaciones de alto rendimiento y sensibles al ruido.

Este artículo describe técnicas eficaces para medir el rizado de salida y los transitorios de conmutación en los reguladores de conmutación. La medición de estos artefactos requiere mucho cuidado, ya que una configuración incorrecta puede dar lugar a lecturas erróneas, ya que los bucles formados por los cables de señal y de tierra de la sonda del osciloscopio introducen una inductancia parásita. Esto aumenta la amplitud de los transitorios asociados a las transiciones rápidas de conmutación, por lo que hay que mantener conexiones cortas, una buena ingeniería y un amplio ancho de banda. Aquí se utiliza el convertidor reductor síncrono de CC a CC ADP2114 de doble 2 A/simple 4 A para demostrar las técnicas de medición del rizado de salida y del ruido de conmutación. Este regulador buck ofrece una alta eficiencia y funciona con frecuencias de conmutación de hasta 2 MHz.

Ondulación de salida y transitorios de conmutación

El rizado de salida y los transitorios de conmutación dependen de la topología del regulador y de los valores y características de los componentes externos. La ondulación de salida es una tensión de salida de CA residual que está relacionada coherentemente con el funcionamiento de conmutación del regulador. Su frecuencia fundamental es la misma que la frecuencia de conmutación del regulador. Los transitorios de conmutación son oscilaciones de alta frecuencia que se producen durante las transiciones de conmutación. Su amplitud, expresada como tensión máxima de pico a pico, es difícil de medir con precisión porque depende en gran medida de la configuración de la prueba. La figura 1 muestra un ejemplo de ondulación de salida y transitorios de conmutación.

Figura 1: Ondulación de salida y transitorios de conmutación.

Consideraciones sobre el rizado de salida

La inductancia y el condensador de salida del regulador son los principales componentes que afectan al rizado de salida. Una inductancia pequeña da lugar a una respuesta transitoria más rápida a expensas de una mayor ondulación de la corriente, mientras que una inductancia grande da lugar a una menor ondulación de la corriente a expensas de una respuesta transitoria más lenta. Utilizar un condensador con una baja resistencia efectiva en serie (ESR) minimiza el rizado de salida. Un condensador cerámico con un dieléctrico X5R o X7R es una buena elección. A menudo se utiliza un condensador grande para reducir el rizado de salida, pero el tamaño y el número de condensadores de salida se producen a expensas del coste y del área de la placa de circuito impreso.

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Medición en el dominio de la frecuencia

Cuando se miden los artefactos no deseados de la señal de salida, es útil que los ingenieros de potencia piensen en el dominio de la frecuencia, ya que esto da una mejor perspectiva de las frecuencias discretas que ocupan la ondulación de salida y sus armónicos con cada nivel de potencia correspondiente. La figura 2 muestra un ejemplo de espectro. Este tipo de información ayuda a los ingenieros a determinar si el regulador de conmutación elegido es adecuado para sus aplicaciones de RF de banda ancha o convertidores de alta velocidad.

Para hacer una medición en el dominio de la frecuencia, conecta una sonda de cable coaxial de 50-Ω al condensador de salida. La señal pasa a través de un condensador de bloqueo de CC y termina en una terminación de 50-Ω a la entrada del analizador de espectro. El condensador de bloqueo de corriente continua impide que la corriente continua pase al analizador de espectro y evita los efectos de carga de corriente continua. El entorno de transmisión de 50-Ω minimiza las reflexiones de alta frecuencia y las ondas estacionarias.

El condensador de salida es la principal fuente de ondulación de salida, por lo que el punto de medición debe estar lo más cerca posible. El bucle entre la punta de la señal y la tierra debe ser lo más pequeño posible para minimizar la inductancia adicional que podría afectar a la medición. La figura 2 muestra el rizado de salida y los armónicos en el dominio de la frecuencia. El ADP2114 genera un rizado de salida de 4 mV p-p a la frecuencia fundamental en las condiciones de funcionamiento especificadas.

 Figura 2
Figura 2: Gráfico en el dominio de la frecuencia utilizando un analizador de espectro.

Medición en el dominio del tiempo

Cuando utilices una sonda de osciloscopio, evita los bucles de tierra eliminando los cables de tierra largos, ya que los bucles formados por la punta de la señal y los cables de tierra largos crean una inductancia adicional y mayores transitorios de conmutación.

Cuando midas la ondulación de salida de bajo nivel, utiliza una sonda pasiva de 1× o un cable coaxial de 50-Ω en lugar de una sonda de 10×, porque la sonda de 10× atenúa la señal por un factor de 10, empujando la señal de bajo nivel al piso de ruido del osciloscopio. La figura 3 muestra un método de sondeo subóptimo. La figura 4 muestra la forma de onda resultante, medida con un ajuste de ancho de banda de 500 MHz. El ruido de alta frecuencia y los transitorios son artefactos de medición debidos al bucle formado por el largo cable de tierra, y no son inherentes al regulador de conmutación.

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Figura 3
Figura 3. El bucle de tierra provoca errores de salida.
Figura 4
Figura 4: Nodo de conmutación (1) y forma de onda de salida acoplada en CA (2).

Hay varias formas de reducir la inductancia parásita. Una forma es eliminar el largo cable de tierra de la sonda estándar del osciloscopio, conectando en su lugar el cuerpo de la sonda a la referencia de tierra. La figura 5 muestra el método de la punta y el barril. En este caso, sin embargo, la punta está conectada al punto equivocado de la salida del regulador, en lugar de hacerlo directamente al condensador de salida, como debería. Se ha eliminado el cable de tierra, pero la inductancia causada por la traza en la placa de circuito impreso permanece. La figura 6 muestra la forma de onda resultante utilizando un ajuste de ancho de banda de 500 MHz. El ruido de alta frecuencia es menor porque se ha eliminado el largo cable de tierra.

Figura 5
Figura 5: Método de punta y barril sondeado en un punto aleatorio de la salida del interruptor.
Figura 6
Figura 6. Nodo de conmutación (1) y forma de onda de salida acoplada a la CA (2).

Como se muestra en la Figura 7, sondear el condensador de salida directamente con un cable de bobina conectado a tierra produce un detalle casi óptimo de la ondulación de salida. Se mejora el ruido en la transición de conmutación y se reduce considerablemente la inductancia de la traza en la placa de circuito impreso. Sin embargo, se sigue superponiendo una silueta de señal de baja amplitud a la ondulación, como se muestra en la figura 8.

Figura 7
Figura 7. Método de punta y barril sondeado en el condensador de salida utilizando la tierra del cable de la bobina.
Figura 8
Figura 8. Nodo de conmutación (1) y forma de onda de salida acoplada a la CA (2).

El mejor método

El mejor método para sondear la salida del conmutador es utilizar un cable coaxial de 50-Ω mantenido en un entorno de 50-Ω y terminado con la impedancia de entrada de 50-Ω seleccionable del osciloscopio. Un condensador colocado entre el condensador de salida del regulador y la entrada del osciloscopio bloquea el flujo de corriente continua. El otro extremo del cable se puede soldar directamente al condensador de salida utilizando cables voladores muy cortos, como se muestra en la Figura 9 y la Figura 10. Esto preserva la integridad de la señal cuando se miden señales de muy bajo nivel en un amplio ancho de banda. La figura 11 muestra una comparación entre el método de punta y barril y el método coaxial de 50-Ω sondeados en el condensador de salida, utilizando un ancho de banda de medición de 500 MHz.

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Figura 9
Figura 9. El mejor método de sondeo utiliza un cable coaxial de 50-Ω terminado.
Figura 10
Figura 10: Ejemplo del mejor método de encuesta.
Figura 11
Figura 11. Nodo de conmutación (1), método de punta y barril (3) y método coaxial de 50-Ω (2).

Una comparación de las técnicas muestra que el cable coaxial en un entorno de 50-Ω proporciona resultados más precisos con menos ruido, incluso con un ancho de banda de 500 MHz. Al cambiar el ancho de banda del osciloscopio a 20 MHz, el ruido de alta frecuencia desaparece, como se muestra en la Figura 12. El ADP2114 genera una ondulación de salida de 3,9 mV p-p en el dominio del tiempo, que coincide con el valor medido de 4 mV p-p utilizando el ajuste de ancho de banda de 20 MHz en el dominio de la frecuencia.

 Figura 12
Figura 12. Nodo de conmutación (1) y ondulación de salida (2).

Medición de los transitorios de conmutación

Los transitorios de conmutación tienen menor energía pero mayor contenido de frecuencia que la ondulación de salida. Se produce durante las transiciones de conmutación y a menudo se normaliza como un valor de pico a pico que incluye la ondulación. La figura 13 muestra una comparación de los transitorios de conmutación medidos con una sonda de osciloscopio estándar con un cable de tierra largo y una terminación coaxial de 50-Ω en un ancho de banda de 500 MHz. Generalmente, el bucle de tierra debido al largo cable de tierra genera transitorios de conmutación mayores de lo esperado.

Figura 13
Figura 13. Nodo de conmutación (1), sonda de osciloscopio estándar (3) y terminación coaxial de 50-Ω (2).

Conclusión

Las técnicas de medición del rizado de salida y de los transitorios de conmutación son importantes a la hora de diseñar y optimizar la fuente de alimentación del sistema para los convertidores de bajo ruido y alto rendimiento. Estas técnicas de medición proporcionan un resultado preciso y repetible en el dominio del tiempo y la frecuencia. Es importante mantener un entorno de 50-Ω cuando se miden señales de bajo nivel en una amplia gama de frecuencias. Una forma sencilla y barata de conseguirlo es utilizar un cable coaxial de 50 Ω con los extremos bien terminados. Este método puede utilizarse con una amplia gama de topologías de reguladores de conmutación.

Referencias

Gestión de la energía

Reguladores de conmutación

Limjoco, Aldrick. Nota de aplicación AN-1144 Medición del rizado de salida y de los transitorios de conmutación en los reguladores de conmutación. Analog Devices, Inc, 2013.

Nota de aplicación 01-08-01, Rev. 01 Mediciones de la tensión de rizado de salida. SinQor.

Williams, Jim. Nota de aplicación 70 Un regulador de conmutación monolítico con un ruido de salida de 100 µV. Tecnología lineal, 1997.

Agradecimientos

Un agradecimiento especial a las personas que han contribuido a este trabajo: Pat Meehan por su gran supervisión y asesoramiento técnico, Donal O'Sullivan por sus conocimientos técnicos sobre pruebas y mediciones, Rob Reeder por sus valiosos comentarios y conocimientos técnicos sobre los convertidores analógico-digitales, y Manny Malaki y Miles Ramírez por su apoyo.

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