Conversión directa de CC a CC desde la entrada de la batería del automóvil: las fuentes de alimentación de 5 A, 3,3 V y 5 V cumplen con los estrictos estándares de emisión de EMI.

Introducción

Las aplicaciones sensibles al ruido en entornos automotrices e industriales hostiles requieren controladores reductores de bajo ruido de alta eficiencia que puedan caber en espacios reducidos. Los controladores reductores monolíticos, que incluyen los interruptores de alimentación MOSFET en el paquete, a menudo se eligen debido a su pequeña resolución general en comparación con el controlador IC tradicional y los MOSFET externos. Los controladores monolíticos que pueden operar a altas frecuencias, en la región de 2 MHz muy por encima de la banda AM, también ayudan a reducir el tamaño de los componentes externos. Además, si un controlador ofrece un tiempo mínimo bajo (T_DELANTERO), el regulador puede operar directamente desde rieles de mayor voltaje sin regulación intermedia, ahorrando así espacio y complejidad. Los tiempos mínimos de encendido requieren flancos de conmutación rápidos y un control de tiempo muerto mínimo para reducir de manera efectiva la pérdida de conmutación y permitir una operación de alta frecuencia de conmutación.

Otra forma de ahorrar espacio es la cantidad de componentes necesarios para cumplir con los estándares de interferencia electromagnética (EMI) y los requisitos térmicos. Desafortunadamente, en muchos casos, simplemente engarzar el convertidor hace que sea más difícil cumplir con estos requisitos. Este artículo presenta soluciones de vanguardia que ahorran espacio mientras logran un bajo EMI y un excelente rendimiento térmico.

Los convertidores de potencia de conmutación se eligen por su eficiencia, especialmente en relaciones reductoras altas, pero una compensación es la EMI que sostiene la acción de conmutación. En un convertidor reductor, la EMI es el resultado de cambios rápidos de corriente (alta di/dt) en los interruptores y anillos de conmutación debido a la inducción parásita en el bucle caliente.

EMI es solo uno de los parámetros con los que los ingenieros de diseño de sistemas deben lidiar cuando diseñan una fuente de alimentación compacta de alto rendimiento. Varias restricciones de diseño críticas a menudo están en conflicto, lo que requiere compensaciones críticas en términos de limitaciones de diseño y tiempo de comercialización.

Rendimiento EMI mejorado

Para reducir la EMI en un convertidor descendente, el efecto de radiación del bucle caliente debe reducirse tanto como sea posible y las señales de origen deben minimizarse. Hay varias formas de reducir la EMI radiada, pero muchas de ellas también reducen el rendimiento del controlador.

Por ejemplo, en un regulador reductor FET discreto típico, el borde del interruptor se ralentiza con una resistencia de compuerta externa, una resistencia BOOST o un amortiguador, como último recurso para cumplir con los estrictos estándares de emisiones radiadas de la industria automotriz. Una solución tan rápida para IEA tiene un costo de rendimiento; es decir, menor eficiencia, mayor cantidad de componentes y mayor tamaño de solución. Los flancos de conmutación lentos aumentan las pérdidas de transferencia, así como la pérdida del ciclo de trabajo. El convertidor debe operar a una frecuencia más baja, por ejemplo, 400 kHz, para lograr una eficiencia satisfactoria y pasar las pruebas de emisión de EMI radiadas obligatorias. La Figura 1 muestra las formas de onda de voltaje de un nodo de conmutación típico con un borde de conmutación rápido y un borde de conmutación lento, respectivamente. Como se señaló, el borde de conmutación es mucho más lento, lo que genera mayores pérdidas de transferencia y un aumento significativo en el ciclo de trabajo mínimo o relación de transmisión, sin mencionar otros efectos negativos en el rendimiento.

Disminuir la frecuencia de conmutación aumenta el tamaño físico del inductor del convertidor, la tapa de salida y la tapa de entrada. Mientras tanto, se necesita un voluminoso filtro π para pasar las pruebas de emisiones realizadas. La inductancia, L, y la capacitancia, C, en el filtro aumentan a medida que disminuye la frecuencia de conmutación. La corriente nominal del inductor debe ser mayor que la corriente máxima de entrada de carga baja completa de la línea. Por lo tanto, se requiere un inductor voluminoso y múltiples capacitores por adelantado para ayudar a cumplir con los estándares de intensidad de la IEA.

Por ejemplo, a una frecuencia de conmutación de 400 kHz (en lugar de 2 MHz), además de aumentar el tamaño del inductor y el capacitor, los inductores y capacitores del filtro EMI también deben ser lo suficientemente grandes para pasar el estándar de conducción EMI requerido en un automóvil. . solicitud. Una de las razones es que no solo deben atenuar la frecuencia de conmutación fundamental a 400 kHz, sino todos sus armónicos hasta 1,8 MHz. Un controlador que opera a 2 MHz no tiene este problema. La figura 2 muestra el tamaño de una solución de 2 MHz en comparación con una solución de 400 kHz.

El escudo puede ser el último recurso para reducir las emisiones radiadas, pero un escudo ocupa un espacio que no estaría disponible en la aplicación y requeriría iteraciones de prueba y diseño mecánico adicionales.

Para evitar el ancho de banda de la frecuencia AM y mantener un tamaño de resolución pequeño, se prefiere una frecuencia de conmutación de 2 MHz o superior en aplicaciones automotrices. Dado que se evita la banda AM, esto es solo para garantizar que se minimicen el ruido de frecuencia más alta, también conocido como armónicos, y el timbre de conmutación. Desafortunadamente, el cambio de alta frecuencia normalmente aumentos resultantes en las emisiones radiadas de 30 MHz a 1 GHz.

Hay controladores de conmutación con bordes de conmutación rápidos y limpios, que reducen la EMI, como el interruptor silencioso^® dispositivos en Power by Linear ADI^MONTE línea. Pero primero, veamos algunas otras características que podrían ayudar.

La modulación de frecuencia de espectro ensanchado (SSFM) es una técnica que cambia el reloj del sistema en un rango conocido, distribuyendo así la energía EMI en el dominio de la frecuencia. Aunque la frecuencia de conmutación a menudo se elige fuera de la banda de AM (530 kHz a 1,8 MHz), los armónicos de conmutación no amortiguados aún pueden superar los estrictos requisitos de EMI para automóviles en la banda de AM. La adición de SSFM reduce en gran medida la EMI en la banda AM y otras regiones.

La Figura 3 muestra un convertidor de 12 V a 5 V/5 A de EMI ultrabaja y alta eficiencia que funciona a una frecuencia de conmutación de 2 MHz mediante el controlador reductor monolítico Silent Switcher LT8636. La figura 4 muestra el rendimiento de EMI radiada y conducida para un circuito de demostración probado con una entrada de 14 V y una salida de 5 A a 5 V. En el extremo frontal, un pequeño inductor y una tapa de cerámica ayudan a filtrar el ruido conducido, mientras que la perla de ferrita y el capacitor ayudan. cerámico. reducir el ruido radiado. Se colocan dos pequeñas tapas de cerámica sobre los pines de entrada y tierra para minimizar el área del bucle caliente, mientras se divide el bucle caliente, lo que ayuda a cancelar el ruido de alta frecuencia.

Para mejorar el rendimiento de IEA, el circuito está configurado para operar en modo de espectro ensanchado: SYNC/MODE = INTV_CC. La modulación de frecuencia triangular permite variar la frecuencia de conmutación entre el valor programado por R_j aproximadamente un 20% más que este valor, es decir, cuando el LT8636 está programado a 2 MHz, la frecuencia oscila entre 2 MHz y 2,4 MHz a una frecuencia de 3 kHz.

A partir del espectro de transmisión de EMI, está claro que la energía armónica máxima se dispersa, lo que reduce la amplitud máxima en una frecuencia dada: la función de espectro expandido reduce el ruido en al menos 20 dBµV/m. A partir del espectro de EMI radiado, también está claro que el método de espectro ensanchado también reduce el EMI radiado. Este circuito en particular cumple con la especificación EMI del radiador automotriz CISPR 25 Clase 5 con un filtro EMI del lado de entrada simple.

Alta eficiencia en todo el rango de carga

La cantidad de dispositivos electrónicos en aplicaciones automotrices solo está aumentando, y la mayoría de los dispositivos requieren más corriente de suministro con cada iteración de diseño. Con corrientes de carga activa tan altas, la eficiencia de carga pesada y la gestión térmica adecuada son las principales prioridades: la operación robusta depende de la gestión térmica, ya que la generación de calor no mitigada puede generar problemas de diseño costosos.

Los diseñadores de sistemas también están preocupados por la eficiencia con carga baja, que podría decirse que es tan importante como la eficiencia con carga alta, ya que la vida útil de la batería está determinada principalmente por la corriente de reposo con carga baja o vacía. Se deben hacer concesiones en el silicio, así como en el diseño a nivel del sistema, entre la eficiencia a plena carga, la corriente sin carga en reposo y la eficiencia a baja carga.

Podría ser simple, para lograr una alta eficiencia a plena carga, la R_DS(AR) del FET, especialmente el FET inferior, para ser minimizado. Sin embargo, un transistor con R bajo_DS(AR) por lo general, tiene una capacitancia relativamente alta, con un aumento asociado en las pérdidas de transmisión de puerta y transferencia, y un tamaño y costo de chip más grandes. Por el contrario, el controlador monolítico LT8636 tiene una resistencia de conducción MOSFET muy baja, lo que permite una eficiencia excepcional en condiciones de carga completa. La corriente de salida máxima para el LT8636 es de 5 A continuos y 7 A pico en el aire sin un disipador de calor adicional, lo que simplifica el diseño aproximado.

Para mejorar la eficiencia de las cargas ligeras, existen controladores que funcionan en modo de ráfaga de baja ondulación^® mantenga el capacitor de salida cargado al voltaje de salida deseado mientras minimiza la corriente de entrada en reposo y minimiza la ondulación del voltaje de salida. En la operación de modo de ráfaga, la corriente se envía en pulsos cortos al capacitor de salida, seguido de períodos de suspensión relativamente largos, cuando la mayor parte del circuito del controlador (lógico) está apagado.

Para lograr una mayor eficiencia de carga ligera, se prefiere un inductor de mayor valor porque se puede entregar más potencia a la salida durante pulsos cortos y el regulador reductor puede permanecer en modo de suspensión por más tiempo entre cada pulso. Al maximizar el tiempo entre pulsos y minimizar la pérdida de transferencia de cada pulso corto, la corriente de reposo del convertidor reductor monolítico puede acercarse a 2,5 μA en un regulador monolítico, como el LT8636. Este número se compara con las decenas de µA o cientos de µA de las piezas típicas del mercado.

La Figura 5 muestra una solución de alta eficiencia para una salida de 3,8 V/5 A desde una entrada de 12 V para aplicaciones automotrices que utilizan el LT8636. El circuito opera a 400 kHz para una eficiencia muy alta y utiliza un inductor XAL7050-103 de 10 µH. Mantiene una eficiencia superior al 90 % con cargas tan ligeras como 4 mA y tan altas como 5 A. La eficiencia máxima en 1A es del 96%.

La figura 6 muestra la eficiencia de µA a 5 A para esta solución. El regulador interno se alimenta desde la salida de 5 V a través del pin BIAS para minimizar la disipación de energía. La eficiencia máxima alcanza el 95%; la eficiencia de carga completa es del 92 % para una salida de 5 V desde una entrada de 13,5 V La eficiencia de carga ligera permanece igual o superior al 89 % para cargas de hasta 30 mA para aplicaciones de 5 V. El convertidor funciona a 2 MHz y el inductor es XEL6060: se usa para la prueba 222 para optimizar la eficiencia en cargas pesadas y livianas, en una solución relativamente densa. La eficiencia de las cargas ligeras se puede mejorar aún más, hasta más del 90 %, mediante el uso de un inductor más grande. La corriente en el divisor de la resistencia de retroalimentación se minimiza porque aparece en la salida como una corriente de carga.

La figura 7 muestra el rendimiento térmico de esta solución bajo una carga constante de 4 A más una carga pulsada de 4 A (total de 8 A en el pulso) con un ciclo de trabajo del 10 % (de 2,5 ms) — a una entrada de 13,5 V y aire limpio a temperatura ambiente. temperatura ambiente. Incluso con una potencia de pulso de 40 W y una frecuencia de conmutación de 2 MHz, la temperatura de la carcasa del LT8636 se mantiene por debajo de los 40 °C, lo que permite que el circuito funcione de forma segura hasta 8 A durante períodos breves sin ventiladores ni disipadores de calor. Esto es posible con un paquete LQFN de 3 mm × 4 mm debido a la tecnología de acondicionamiento térmico mejorada y la alta eficiencia del LT8636 a altas frecuencias.

Reduzca el tamaño de la solución con una operación de alta frecuencia

El espacio es cada vez más importante en las aplicaciones automotrices, que requieren fuentes de alimentación cada vez más pequeñas para adaptarse a las caras huellas de las placas. Al aumentar la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación, se pueden utilizar componentes externos más pequeños, como condensadores e inductores. Además, como se mencionó anteriormente, en las aplicaciones automotrices, las frecuencias de conmutación superiores a 2 MHz (o inferiores a 400 kHz) mantienen la banda base fuera de la banda de radio AM. Comparemos un diseño de 400 kHz de uso común con un diseño de 2 MHz. En este caso, cancelar la frecuencia de conmutación a 2 MHz reduce la inductancia de salida y la capacitancia de salida a una quinta parte del diseño a 400 kHz. Suena fácil. Sin embargo, es posible que incluso los circuitos integrados de alta frecuencia no se puedan usar en muchas aplicaciones debido a algunas de las ventajas y desventajas inherentes al uso de una solución de alta frecuencia.

Por ejemplo, la operación de alta frecuencia en aplicaciones de alta relación de transmisión requiere solo un tiempo de giro mínimo. De la ecuación V_AFUERA =T_DELANTERO x f_SUDOESTE ×V_ENa una frecuencia de operación de 2 MHz, a tiempo para el interruptor superior (T_DELANTERO) alrededor de 50 ns para producir 3,3 V a partir de una entrada de 24 V. Si el circuito integrado de potencia no puede alcanzar este tiempo bajo, los pulsos deben ignorarse para mantener baja la salida de control, lo que anula el propósito de la alta frecuencia de conmutación. Es decir, la frecuencia de conmutación es probablemente la misma (debido a la omisión de pulsos) en la banda AM. Con un tiempo de encendido mínimo de 30 ns, el LT8636 permite alta V directa_EN a baja V_AFUERA convertido a 2 MHz. Por el contrario, muchos dispositivos están limitados a un mínimo de >75 ns, lo que requiere que funcionen a una frecuencia baja, 400 kHz, para relaciones de reducción más altas para evitar pulsos de salto.

Otro problema común con la alta frecuencia de conmutación es que aumentarán las pérdidas de conmutación. Las pérdidas de conmutación incluyen pérdida de activación, pérdida de desactivación y pérdida de accionamiento de puerta, todas las cuales dependen linealmente de la frecuencia de conmutación. Sin embargo, estas pérdidas se pueden mejorar con tiempos de encendido y apagado más rápidos. El LT8636 tiene tiempos de conmutación de encendido y apagado muy cortos, menos de 5 V/ns, lo que da como resultado un tiempo muerto mínimo y un tiempo de diodo mínimo, lo que reduce las pérdidas de conmutación de alta frecuencia.

El LT8636 utilizado en las soluciones aquí está ensamblado en un LQFN de 3 mm × 4 mm, utilizando una construcción monolítica con interruptores de alimentación integrados y la inclusión del circuito necesario da como resultado una solución con una huella mínima de PCB. La gran almohadilla de tierra expuesta debajo del IC conduce el calor a la PCB a través de una ruta con una resistencia térmica muy baja (26 °C/W), lo que reduce la necesidad de una gestión térmica adicional. El paquete está diseñado para compatibilidad FMEA. La tecnología Silent Switcher reduce el área de bucle caliente de PCB del bucle, por lo que la EMI radiada con una frecuencia tan alta puede se maneja fácilmente con filtros simples, como se muestra en la Figura 3.

Conclusión

Con una cuidadosa selección de circuitos integrados, se pueden producir fuentes de alimentación compactas de alto rendimiento para aplicaciones automotrices sin los compromisos habituales. Es decir, se puede lograr alta eficiencia, alta frecuencia de conmutación y baja EMI. Para demostrar los tipos de diseños compactos que se pueden lograr, las soluciones presentadas en este artículo utilizan el LT8636, un regulador reductor silencioso monolítico de 42 V, 5 A continuo/7 A pico en un paquete LQFN de 3 mm × 4 mm. En este CI, la V_EN los pines se dividen y colocan simétricamente en el IC, dividiendo el bucle caliente de alta frecuencia, cancelando mutuamente los campos magnéticos para evitar las emisiones de radiación EMI. Además, el diseño síncrono y los bordes de conmutación rápidos mejoran la eficiencia de carga alta, y la eficiencia de carga liviana se beneficia de la operación en modo de ráfaga de ondulación baja.

El LT8636 también es adecuado para aplicaciones automotrices con un rango de entrada de 3,4 V a 42 V y baja caída de voltaje, lo que le permite operar en situaciones de arranque o descarga de carga de automóviles. En las aplicaciones automotrices, los diseñadores de sistemas están acostumbrados a lidiar con varias compensaciones cuando intentan reducir la solución de energía, pero con los diseños que se muestran aquí, los diseñadores pueden cumplir todos sus objetivos de diseño con un rendimiento sin concesiones.