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Conversione di potenza ad alta efficienza combinata con regolazione lineare a basso rumore

I dispositivi dotati di funzioni ad alta velocità o ad alta risoluzione richiedono potenza “pulita”. I regolatori a commutazione offrono buona efficienza in un’ampia gamma di condizioni di ingresso/uscita, ma per il tipico regolatore a commutazione è difficile assicurare il rumore di uscita di basso livello, pulito e la risposta veloce ai transitori necessari per canali I/O di FPGA funzionanti a elevate velocità di trasmissione dati o per convertitori di dati a elevato numero di bit. Al contrario, i regolatori lineari dalle prestazioni elevate presentano basso rumore di uscita e risposta veloce ai transitori, ma possono raggiungere rapidamente alte temperature.

L’LTM8028 [1] riunisce entrambi i vantaggi: un convertitore a commutazione sincrono ad alta efficienza controllato da un regolatore lineare UltraFast™, entrambi integrati in un compatto package µModule® da 15mm × 15mm. È disponibile in due configurazioni di conduttori – LGA (altezza 4,32mm) e BGA (altezza 4,92mm) – entrambe a norma RoHS.
Il regolatore lineare controlla l’uscita del convertitore a commutazione sino a 300mV oltre la tensione di uscita desiderata per offrire la combinazione ottimale di tensione di headroom, efficienza e risposta ai transitori. L’LTM8028 accetta ingressi di ampiezza notevole, sino a 40V, e produce tensioni di uscita comprese tra 0,8V e 1,8V a correnti sino a 5A. Nella Figura 1 è mostrata una tipica applicazione con uscita di 1,2V.

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Figura 1. (immagine principale) rappresenta L’LTM8028 è un regolatore ultraveloce da 5A, con ingresso a 36V e basso rumore di uscita, integrato in un package µModule.

La tensione di uscita dell’LTM8028 viene impostata regolando tre ingressi tri-state: VO0, VO1 e VO2. Applicando una tensione al pin MARGA si può regolare il margine all’uscita fino a ±10%. Il limite di corrente può essere ridotto dal massimo di 5A tramite il pin IMAX, e un segnale PGOOD indica che l’uscita è entro il 10% della tensione desiderata.
Un circuito che utilizzi un tradizionale regolatore lineare e produca 1,2V a 5A a partire da una tensione d’ingresso pari a 12V consumerebbe oltre 50W e potrebbe richiedere costosi dissipatori. L’LTM8028, nella configurazione mostrata nella Figura 2, dissipa meno di un dodicesimo di tale potenza (circa 4 W), per cui l’aumento tipico della temperatura di giunzione è di soli 45°C.

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Figura 2. In un’applicazione da 5A con ingresso a 12V e uscita a 1,2V l’LTM8028 dissipa meno di 4W e si riscalda fino a soli 45°C.

Il componente fondamentale dell’LTM8028 è il regolatore lineare ad alte prestazioni UltraFast. La regolazione del carico e di linea totale è minore di 0,2% a temperatura ambiente e pari a 1% nell’intero intervallo di temperature, da –40°C a 125°C. La larghezza di banda ultra-ampia fa sì che l’LTM8028 presenti una risposta che varia di solo il 2% tra il 10% e il 90% di un carico transitorio a gradino. Le figure 3 e 4 mostrano la risposta al transitorio dell’LTM8028 quando il carico varia a gradino da 0,5A a 5A con uno slew rate di 1A/µs con il dispositivo configurato per produrre, rispettivamente, 1V e 1,8V.

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Figura 3. A un’uscita di 1,0V la risposta al transitorio dell’LTM8028 è minore di 20mV.

 

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Figure 4. La risposta al transitorio dell’LTM8028 è pari a soli 38mV.

Anche se il regolatore lineare e il convertitore a commutazione sincrono sono integrati nello stesso package, l’elevata reiezione del segnale dell’alimentatore e la mitigazione integrata del rumore assicurano basso rumore di uscita. La Figura 5 mostra che il rumore picco-picco è minore di 1mV.1

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Figura 5. Il rumore di commutazione picco-picco all’uscita dell’LTM8028 è minore di 1mV (lo schema circuitale mostra la configurazione adoperata per ottenere questi risultati).

Nel dominio della frequenza, il contenuto spettrale del rumore è molto basso, raggiungendo un picco di 4µV/√Hz alla frequenza fondamentale di 300kHz del convertitore a commutazione, come illustrato nella Figura 6.

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Figura 6. La densità spettrale del rumore di uscita, il cui picco è di soli 4µV/√Hz, fa dell’LTM8028 una buona soluzione per circuiti di conversione dati sensibili.

Ciò è importante quando si alimentano circuiti di conversione dati a elevato numero di bit.

Conclusione

Quando il progetto di un sistema richiede bassa attenuazione di potenza, regolazione di precisione, risposta ai transitori veloce e basso rumore di uscita, la soluzione ideale è il regolatore LTM8028, che combina le migliori funzionalità dei regolatori a commutazione e lineari ad alte prestazioni in un solo compatto package µModule.
Visitare www.linear.com/LTM8028 [1] per schede dati, demo di schede di circuiti e altre informazioni applicative.

Note
1 Le misure di rumore a bassa ampiezza possono essere difficili. Questa misura è stata eseguita impiegando cavi coassiali, tecniche di adattamento di impedenza e un amplificatore HP461A da 150MHz. Questa configurazione è simile a quella descritta nell’articolo Linear Technology Application Note 70, “A Monolithic Switching Regulator with 100μV Output Noise” di Jim Williams, con l’eccezione che nel caso di questa misura, la larghezza di banda non è limitata a 10MHz.