Reduce la EMI y mejora la eficiencia con diseños de interruptores silenciosos

Los reguladores conmutados están sustituyendo a los reguladores lineales en áreas donde se valora la baja disipación de calor y la eficiencia. El regulador de conmutación suele ser el primer componente activo en la línea del bus de alimentación de entrada, por lo que tiene un impacto significativo en el rendimiento de la EMI de todo el circuito del convertidor.

Los componentes modernos de los filtros de entrada en tecnología de montaje superficial tienen un mejor rendimiento que las piezas con agujeros pasantes. Sin embargo, esta mejora está siendo superada por el aumento de las frecuencias de funcionamiento de los reguladores de conmutación. La mayor eficiencia y los bajos tiempos de encendido y apagado dan lugar a un mayor contenido armónico debido a las transiciones de conmutación más rápidas.

Por cada duplicación de la frecuencia de conmutación, las IEM empeoran 6dB cuando todos los demás parámetros, como la capacidad de conmutación y los tiempos de transición, permanecen constantes. Las IEM de banda ancha se comportan como un paso alto de primer orden con emisiones 20dB más altas si la frecuencia de conmutación aumenta 10×.

Los diseñadores de placas de circuito impreso inteligentes mantendrán los bucles calientes pequeños y utilizarán capas de blindaje GND lo más cerca posible de la capa activa; sin embargo, la disposición de las clavijas, la construcción de los paquetes, los requisitos de diseño térmico y los tamaños de los paquetes necesarios para el almacenamiento adecuado de energía en los componentes de desacoplamiento dictan un determinado tamaño mínimo de bucle caliente.

Para dificultar aún más el trazado, en una placa de circuito impreso plana típica, el acoplamiento magnético o en forma de transformador entre las trazas por encima de 30MHz disminuirá todos los esfuerzos de filtrado, ya que cuanto más altas sean las frecuencias armónicas, más eficaz será el acoplamiento magnético no deseado.

La solución probada es utilizar una caja de blindaje para todo el circuito. Por supuesto, esto añade costes, aumenta el espacio necesario en la placa, dificulta la gestión térmica y las pruebas, e introduce costes de montaje adicionales. Otro método utilizado con frecuencia es ralentizar los bordes de conmutación. Esto tiene el efecto indeseable de reducir la eficiencia, aumentar los tiempos mínimos de encendido y apagado, así como los tiempos muertos necesarios, y comprometer la velocidad potencial del bucle de control de corriente.

El conmutador silencioso LT8614 minimiza las emisiones EMI/EMC a la vez que proporciona una alta eficiencia en frecuencias de hasta 3 MHz

Con el nuevo Conmutador Silencioso LT8614 de Linear, obtienes el efecto de un paquete apantallado sin utilizar apantallamiento y además eliminas los inconvenientes mencionados. Ver la figura 1.

El LT8614 tiene un CI bajo de la serie LT861x de clase mundial de sólo 2,5μA de corriente de funcionamiento. Es la corriente total de alimentación que consume el aparato, en regulación, sin carga.

Presenta la misma caída ultrabaja de esta familia, que sólo está limitada por el interruptor superior interno. A diferencia de las otras soluciones, el RDSON del LT8614 no está limitado por el ciclo de trabajo máximo y el tiempo de inactividad mínimo. La pieza se salta sus ciclos de bajada en caso de caída y sólo realiza los ciclos de bajada mínimos necesarios para mantener la tensión de la etapa de amplificación del interruptor superior interno, como se muestra en la figura 6.

Al mismo tiempo, la tensión de entrada mínima de funcionamiento suele ser de 2,9 V (3,4 V máx.) y el dispositivo puede proporcionar un raíl de 3,3 V con la parte de bloqueo. El LT8614 es más eficiente que el LT8610/LT8611 a altas corrientes porque su resistencia total de conmutación es menor. También se puede sincronizar con una frecuencia externa que funcione de 200kHz a 3MHz.

Las pérdidas de conmutación de CA son bajas, por lo que puede funcionar a altas frecuencias de conmutación sin mucha pérdida de eficiencia. En aplicaciones sensibles a la EMI, como los entornos de automoción, se puede conseguir un buen equilibrio y el LT8614 puede funcionar por debajo de la banda de AM para una EMI aún más baja o por encima de la banda de AM. En una configuración con una frecuencia de conmutación de 700 kHz, la placa de demostración estándar del LT8614 no supera el ruido de fondo en una medición CISPR25.

Las mediciones de la Figura 2 se realizaron en una cámara anecoica de 12V en 3,3V a 2A con una frecuencia de conmutación fija de 700kHz.

Para comparar la tecnología del Conmutador Silencioso del LT8614 con un regulador de conmutación de última generación, se midió la pieza frente a un LT8610. La prueba se realizó en una célula GTEM utilizando la misma carga, tensión de entrada e inductancia en las placas de demostración estándar de ambas piezas.

Se puede ver que la tecnología del Conmutador Silencioso LT8614 proporciona una mejora de hasta 20 dB sobre el ya muy buen rendimiento EMI del LT8610, especialmente en la región de alta frecuencia más difícil de manejar. Esto permite realizar diseños más sencillos y compactos en los que la fuente de alimentación conmutada LT8614 requiere menos filtrado y distancia de otros sistemas sensibles en el diseño general.

En el dominio del tiempo, el LT8614 muestra un comportamiento muy benigno en los bordes de los nodos de conmutación, como se muestra en la Figura 3.

Incluso a 4ns/div, el controlador del Conmutador Silencioso LT8614 muestra muy poco timbre (ver Figura 3). El LT8610 tiene un buen timbre amortiguado (Figura 3), pero se puede ver la mayor energía almacenada en el bucle caliente en comparación con el LT8614.

La figura 4 muestra el nodo de conmutación a 13,2 V de entrada. Se puede apreciar la pequeñísima desviación de la onda cuadrada ideal del LT8614. Todas las mediciones en el dominio del tiempo de las Figuras 3 a 5 se realizaron con sondas Tektronix P6139A de 500 MHz con una estrecha conexión del blindaje de la punta de la sonda al plano GND de la placa de circuito impreso, ambas en placas de demostración estándar.

Además de su tensión de entrada máxima absoluta de 42 V en entornos de automoción, el comportamiento de caída es también muy importante. A menudo, las fuentes de alimentación lógicas críticas de 3,3 V deben mantenerse 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 las tensiones mínimas de sujeción y los ciclos de trabajo máximos de otras piezas, los dispositivos LT8610/LT8611/LT8614 funcionan hasta 3,4 V y empiezan a saltar ciclos en cuanto es necesario, como se muestra en la figura 5. Esto permite un comportamiento de droop ideal, como se muestra en la figura 6.

El bajo tiempo mínimo de encendido del LT8614, de 30 ns, permite conseguir altas relaciones de reducción incluso a altas frecuencias de conmutación. Como resultado, puede proporcionar tensiones de núcleo lógico de una sola caída desde las entradas hasta 42V.

En conclusión, el regulador Silent Switcher LT8614 reduce la EMI en más de 20dB en comparación con los actuales reguladores de conmutación de última generación, al tiempo que aumenta la eficiencia de conversión sin ningún inconveniente. Se consigue una mejora de 10× en la EMI en el rango de frecuencias por encima de 30MHz sin comprometer los tiempos mínimos de encendido y apagado o la eficiencia en la misma área de la placa. Esto se consigue sin componentes especiales ni apantallamiento, lo que representa un avance significativo en el diseño de reguladores de conmutación. Este nivel de rendimiento en un solo CI no ha sido posible antes. Este es exactamente el tipo de producto innovador que permite a los diseñadores de sistemas finales llevar sus productos al siguiente nivel.