La tecnica del dithering

Una tecnica semplice ed efficace per ridurre lo spettro di emissioni elettromagnetiche prodotte da un convertitore switching DC/DC.

Il progetto di un convertitore switching DC/DC deve necessariamente confrontarsi con il problema del controllo delle EMI (Electromagnetic Interference) generate durante il normale funzionamento. Se queste emissioni fossero consistenti, potrebbero inserirsi sulle linee di alimentazione oppure irradiarsi nell’ambiente  circostante compromet tendo il funzionamento del sistema e di altre apparecchiature. In molti casi si può supporre che il picco di emissioni avvenga in corrispondenza della frequenza di switching a cui il convertitore lavora, ad ogni armonica successiva di ordine superiore, l’ampiezza dello spettro di emissione si ridurrà gradualmente. In generale si può considerare che la maggior parte dell’energia emessa sia confinata nell’armonica fondamentale e nelle prime armoniche multiple (in special modo la terza e la quinta).

Modulando la frequenza di switching del convertitore è possibile arrivare a ridurre il picco di emissioni, spalmando le EMI su una banda di frequenze più ampia. Questa tecnica viene anche detta dithering. La maggior parte dei convertitori PWM attuali utilizza una resistenza esterna per definire la frequenza operativa, tipicamente questa frequenza aumenta al diminuire della resistenza. Per esempio, il componente LM5020 di National Semiconductor ha un oscillatore interno che fornisce una tensione di 2V al pin di programmazione (RT). Una resistenza collegata a questo pin definisce la corrente che scorre verso massa. L’oscillatore invia una corrente proporzionale alla capacità di timing interna e il periodo di carica della tensione del condensatore definisce la frequenza di oscillazione. In particolare vale la relazione:

RRT=1/(fxNx10-12)

Dove RRT è la resistenza collegata al pin di RT e N varia da 158 a 316 a seconda che si utilizzi il componente LM5020-1 o LM5020-2 rispettivamente.

CIRCUITO DI DITHERING

Il dithering, nella elaborazione numerica di segnali, è una forma di rumore con una opportuna distribuzione che viene volontariamente aggiunto ai campioni con l’obiettivo di minimizzare la distorsione introdotta dal troncamento nel caso in cui si riquantizzino i campioni stessi. Il dithering viene usato abitualmente nell’elaborazione di segnali video e audio campionati e quantizzati. Per il nostro circuito variando la frequenza di oscillazione del PWM si simula l’applicazione alla frequenza portante del convertitore di un rumore di dithering. In realtà tale rumore viene da noi generato per spalmare gli effetti delle EMI in corrispondenza della portante. In figura 1 è riportato lo schema tipico del convertitore in configurazione Flyback.

Figura 1: circuito tipico per un regolatore flyback con LM5020

Figura 1: circuito tipico per un regolatore flyback con LM5020

Il circuito di figura 2 è composto di un semplice comparatore stand-alone programmato per oscillare ad una frequenza approssimativa di 800Hz. Lo stadio di uscita del comparatore IC2 va a livello alto al power-up.

Figura 2: con una forma d’onda triangolare si modula la frequenza del convertitore flyback

Figura 2: con una forma d’onda triangolare si modula la frequenza del convertitore flyback

Le resistenze R1, R2 e R3 definiscono una tensione iniziale di 2.9V sull’ingresso non invertente del comparatore. La tensione sulla capacità C3 sale finché non si supera la tensione di soglia impostata dalle resistenze. A questo punto la tensione sull’ingresso invertente del comparatore supera la tensione presente sull’ingresso non invertente e l’uscita del comparatore passa a livello basso. La variazione della tensione d’uscita del comparatore modifica la tensione sull’ingresso non invertente che si porta a 2.1V. La tensione ai capi di C3 diminuisce fino a raggiungere nuovamente la soglia impostata determinando una nuova commutazione a livello alto dell’uscita. A questo punto il ciclo si ripete come descritto in precedenza. La tensione ai capi di C3 sarà di tipo triangolare compresa tra 2.1V e 2.9V. Per utilizzare la tecnica del dithering modulando la frequenza di oscillazione del PWM dell’LM5020, la forma d’onda triangolare, creata da IC2, va a modulare la corrente fornita dal pin RT del regolatore. La resistenza R5 definisce la percentuale di modulazione da applicare. Un capo di R5 è fisso alla tensione di 2V presente sul pin RT, la forma d’onda triangolare a bassa frequenza generata tramite IC2 e la capacità C2, pilotano l’altro capo della R5. Con un valore di R5 pari a 64.9Kohm, la corrente picco-picco che attraversa la resistenza R5 è di circa 12 uA. Se si scollega il circuito di dithering, la corrente a riposo che scorre dal pin RT è all’incirca 121uA, quindi la corrente di dithering di 12uA si traduce in una modulazione totale del 10% circa.

RISULTATI

Andiamo a valutare gli effetti dell’applicazione del dithering sul regolatore PWM flyback LM5020, IC1. Il circuito opera ad una frequenza fondamentale di 250Khz, impostata tramite la resistenza RT. In figura 3 è possibile osservare le emissioni condotte sul circuito di alimentazione positiva in ingresso senza il circuito di dithering (traccia rossa).

Figura 3: emissioni condotte del regolatore flyback con LM5020 senza (traccia rossa) e con (traccia blu) il circuito di dithering collegato.

Figura 3: emissioni condotte del regolatore flyback con LM5020 senza (traccia rossa) e con (traccia blu) il circuito di dithering collegato.

Il picco di emissioni è confinato vicino alla frequenza di switching di 250Khz, l’ampiezza dell’emissione raggiunge i –24dB. Collegando il circuito di dithering al pin RT si genera la traccia di colore blu visibile in figura 3. Le emissioni condotte in corrispondenza della frequenza fondamentale ora si disperdono su più frequenza, raggiungendo una ampiezza di –34dB con un conseguente riduzione di 10dB rispetto al caso precedente.

 

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