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Potenza a bassissimo rumore

Come ottenere il massimo da un convertitore DC/DC in termini di potenza, minimizzando allo stesso tempo le emissioni elettromagnetiche.

Gli alimentatori DC/DC, grazie all’elevata efficienza e alle dimensioni ridotte, sono il sistema di conversione della tensione preferito. Anche se una maggiore efficienza crea un ulteriore problema, l’interferenza elettromagnetica (EMI) condotta e irradiata che è una conseguenza della commutazione ad alta frequenza utilizzata nel processo di conversione. L’interferenza elettromagnetica [1] genera sistemi rumorosi e può ostacolare  il rispetto delle normative. Esistono molte applicazioni che per il funzionamento richiedono una alimentazione con rumore molto basso. Per affrontare il rumore del convertitore sono stati utilizzati molti metodi tra cui: uso di una topologia più complessa; aggiunta di altri componenti e materiali per filtrare o schermare le componenti ad alta frequenza; particolare attenzione alla realizzazione del circuito stampato; dithering sulla frequenza di commutazione per ridurre l’irradiazione media (non di picco). Anche queste soluzioni comportano una serie di problemi e di costi e richiedendo spesso un’esperienza specifica che va oltre le competenze di un normale ingegnere.

L’LT1683 e l’LT1738 sono controllori regolatori di commutazione che riducono il rumore a monte del problema, controllando gli slew rate di corrente e tensione degli switch principali. In questo modo si elimina la fonte di maggior parte dell’energia armonica ad alte frequenze, sia nella tensione in uscita che nelle correnti in ingresso e in uscita. L’utente imposta gli slew rate per ottenere un compromesso tra rumore ed efficienza del convertitore, dove l’impostazione ottimale comporta solo una minima perdita di efficienza. Poiché il problema è risolto alla sorgente, il design risulta più semplice e robusto. L’LT1683, con due MOSFET esterni, è progettato per una topologia “push-pull”, mentre l’LT1738 ha un solo MOSFET esterno per topologie a switch singolo. Essendo gli switch esterni, l’utente ha il controllo completo sui livelli di tensione e corrente dell’alimentatore.

La magia  del controllo dello slew rate

L’analisi di Fourier [2], del tipico segnale a onda quadra, della tensione dello switch dimostra che i  picchi delle armoniche scendono con pendenza di 20 dB/dec a partire dalla frequenza fondamentale. Se i fronti di questa onda quadra vengono modificati in modo da farla diventare trapezoidale, si ottiene un secondo roll-off a 20 dB/dec a 1/tSLEW, dove tSLEW è il tempo di transizione della forma d’onda. In un alimentatore a commutazione la maggior parte del rumore sotto forma di interferenza elettromagnetica è generata dalla commutazione degli switch. In genere queste transizioni avvengono il più bruscamente possibile per ottenere un elevato rendimento, ma rallentando questi fronti si ottiene una notevole riduzione del rumore e una modesta perdita di efficienza. La sfida quindi consiste nel capire in che modo pilotare precisamente la tensione e la corrente dello switch. La transizione di tensione tende a produrre un accoppiamento capacitivo nel convertitore, mentre la transizione di corrente produce un accoppiamento magnetico. Ridurre entrambe è fondamentale per creare un convertitore a rumore molto basso. In un ciclo di commutazione normale con carico induttivo quando si attiva lo switch, la tensione sullo stesso si annulla rapidamente e la corrente aumenta finché lo switch assorbe tutta la corrente dell’induttore. La nostra intenzione è quindi controllare la salita della corrente e poi passare al controllo graduale della discesa della tensione ai capi dello switch. Quando lo switch si disattiva, avviene il contrario. L’LT1683 e l’LT1738 utilizzano due anelli di reazione per il controllo dello slew rate. La figura 1 illustra come appare un singolo canale.

Figura 1: LT1683/LT1738 Slew Control (One Channel).

Figura 1: LT1683/LT1738 Slew Control
(One Channel).

Il controllo dello slew rate della tensione è un semplice integratore che usa il condensatore  esterno, CV, e una corrente di carica e scarica, IVSL, in base a una resistenza esterna definita dall’utente, RVSL. Il  controllo dello slew rate della corrente si ottiene nel seguente modo: la tensione ai capi del resistore di rilevamento viene amplificata e differenziata mediante un condensatore interno, CC. Quindi la corrente in CC  è proporzionale a dI/dt. Tale corrente è limitata a un valore, ICSL, in base a una resistenza esterna definita dall’utente, RCSL. L’ampiezza della corrente in CC è trasformata in una corrente proporzionale a IVSL e applicata al nodo integratore (cap pin) per controllare lo switch. In questo modo entrambi gli slew rate sono regolati e collegati in modo da garantire transizioni on e off veloci ed efficienti. Convertitore da 48V a 5V a rumore bassissimo. La figura 2 mostra lo schema di un convertitore che utilizza l’LT1683 in una topologia “push-pull” in un convertitore forward.

Figura 2: ultralow Noise 48V to 5V DC/DC Converter.

Figura 2: ultralow Noise 48V to 5V DC/DC Converter.

L’LT1683 contiene tutti i circuiti di controllo per il convertitore:  oscillatore,  amplificatore dell’errore, driver per gate e circuiti di protezione. Le reti di partizione capacitive dai drain al cap A e al cap B costituiscono una capacità equivalente di 0,33 pF utilizzata per il feedback dello slew rate della tensione. Il  feedback per lo slew della corrente e’ realizzato internamente all’LT1683 e usa la tensione CS.(proporzionale alla corrente dello switch). La topologia “push-pull” è adatta per convertitori a basso rumore perché assorbe  corrente in modo continuo dall’ingresso, riducendo le emissioni condotte. Il rumore in uscita del convertitore è illustrato nella figura 3.

Figura 3: 5V Ouput Noise (Bandwidth = 100MHz).

Figura 3: 5V Ouput Noise (Bandwidth = 100MHz).

La traccia inferiore è la tensione in uscita del regolatore. Il rumore è dominato dalla frequenza fondamentale del convertitore. Quando questo componente viene filtrato ulteriormente dal filtro aggiunto, diventa evidente quanto sia silenzioso  il convertitore;  il  rumore  residuo  è  di  appena 200µVP-P con un’uscita a 2A (larghezza di banda = 100 MHz). L’LT1683 ha molte funzioni di protezione. Innanzi tutto il pin SHDN offre all’alimentatore  il blocco di sottotensione, garantendo che l’ingresso sia attivo e funzionante prima che il convertitore possa partire. Inoltre il pin GCL impedisce una tensione eccessiva sui gate del MOSFET e impedisce che i MOSFET si attivino senza una tensione sufficiente sui gate. La corrente di commutazione eccessiva viene individuata sul pin CS e il  MOSFET viene disattivato. Grazie al controllo dello slew rate della tensione, non si richiedono snubbers sui drain dei MOSFET, mentre l’ampiezza e la durata di risposta del ringing sullo switch vengono ridotte di oltre l’80%. Convertitore boost  da 5V a 12V a rumore bassissimo. La figura 4 mostra un convertitore boost da 5V a 12V/1A che utilizza l’LT1738.

Figura 4: ultralow Noise 5V to 12V Converter.

Figura 4: ultralow Noise 5V to 12V Converter.

Lo switch singolo offre una soluzione più semplice a scapito di un rumore leggermente più elevato. La figura 5 mostra il rumore con una tensione in uscita  di  1A.  Un  valore  molto  basso: 400µVPP.

Figura 5: 12V Output Noise (Bandwidth = 100MHz).

Figura 5: 12V Output Noise (Bandwidth = 100MHz).

Alimentazione off-line da 30 W a rumore  bassissimo

La figura 6 mostra la flessibilità di avere switch esterni. Il circuito è un convertitore dalla tensione di rete AC (da 90 VAC a 264 VAC) ad una tensione di 12V/2,5A che utilizza l’LT1738 e un singolo MOSFET ad alta tensione. La topologia di base è un convertitore flyback che, insieme all’optoisolatore, garantisce l’isolamento elettrico completo dell’uscita. Una avvolgimento ausiliario sul trasformatore fornisce la tensione di alimentazione al dispositivo. Per attenuare le armoniche delle basse frequenze viene usato un filtro in ingresso;cosi l’alimentatore risulta conforme alle norme FCC Classe B. L’LT1738 riduce le armoniche delle alte frequenza e i componenti del rumore EMI, eliminando la necessità dei condensatori collegati a terra sul filtro in ingresso.

Figura 6: ultralow Noise 30W Offline Power Supply.

Figura 6: ultralow Noise 30W Offline Power Supply.

Conclusioni

Sono stati creati due controller per consentire ai progettisti di trattare applicazioni a rumore bassissimo in completa sicurezza. L’LT1683 e l’LT1738, oltre ad offrire le normali funzioni di un controllore, tengono sotto controllo i componenti principali dell’interferenza elettromagnetica di un convertitore switching, riducendo il rumore in uscita. I  convertitori DC/DC possono essere utilizzati in applicazioni quali strumenti di precisione e apparecchiature per la comunicazione a banda larga sensibili al rumore, senza i problemi associati al rumore, tipici dei normali tipi di convertitori.