Dans les applications telles que les connexions sans fil qui reposent sur des circuits analogiques à faible niveau de signal et les conceptions numériques utilisant une faible tension de rail d'alimentation, la qualité du rail CC est essentielle au maintien des performances du système. Outre l'efficacité de conversion, la précision de sortie, la stabilité et la régulation de ligne et de charge, la qualité des rails CC dépend également de facteurs tels que leur bruit inhérent et leur réponse transitoire aux changements de charge dynamiques.
Cependant, la robuste série Silent Switcher d'Analog Devices a fait l'objet de plusieurs générations de développement et est devenue une technologie mature qui, lorsqu'elle est appliquée correctement, peut fournir la sortie CC à faible bruit requise et une réponse transitoire ultra rapide.
Cet article se concentrera sur la présentation de ces régulateurs à découpage DC/DC hautes performances et faciles à utiliser, leurs avantages et les problèmes qu'ils peuvent résoudre. Cet article prendra l'application d'Analog Devices comme exemple pour illustrer comment maximiser les performances de ces régulateurs à découpage.
Série de commutateurs silencieux
Les régulateurs à découpage DC/DC de la série Silent Switcher d'Analog Devices ont désormais évolué vers la troisième génération. Le produit Silent Switcher 1 de première génération est principalement utilisé pour réduire le bruit haute fréquence lié aux régulateurs à découpage. Cette génération de produits présente trois avantages majeurs : de faibles interférences électromagnétiques (EMI), un rendement élevé et une fréquence de commutation élevée (adaptée aux appareils connexes plus petits).
Par la suite, Analog Devices a lancé le Silent Switcher 2. Ce produit conserve les fonctionnalités de son prédécesseur et ajoute des condensateurs de précision intégrés, adoptant une apparence plus compacte et éliminant la sensibilité à la disposition des cartes de circuits imprimés (carte PC).
Le produit Silent Switcher 3 de troisième génération hérite des caractéristiques uniques des deux générations précédentes. Ce produit présente également les avantages d'une réponse transitoire rapide et d'un bruit ultra-faible dans la plage des basses fréquences (Figure 1).
Régulateur DC/DC Silent Switcher d'Analog Devices (cliquez pour agrandir).
Figure 1 : Chaque génération de régulateurs DC/DC Silent Switcher conserve les caractéristiques et fonctions de la génération précédente et ajoute de nouvelles caractéristiques et fonctions. (Source de l'image : Appareils analogiques)
Solution simple contre le bruit du commutateur
Afin d'obtenir les caractéristiques de faible bruit des deux générations précédentes de produits, les concepteurs ont étudié diverses sources de bruit et exploré des méthodes innovantes pour contourner, minimiser ou même éliminer les sources de bruit. Cela nécessite une approche multidimensionnelle. Par exemple, la principale source de bruit dans les alimentations à découpage est l’action de commutation du courant, plutôt que le flux de courant en régime permanent. Dans les topologies traditionnelles de régulateurs à découpage, il existe un chemin de courant appelé boucle thermique. La boucle thermique est la principale source de bruit haute fréquence émis dans l’air, provoquant des interférences électromagnétiques. Le régulateur DC/DC Silent Switcher de première génération a divisé de manière innovante le circuit thermique en deux circuits de courant symétriques. Cela crée deux champs magnétiques de polarité opposée, ce qui annule en grande partie le bruit rayonné.
En intégrant le condensateur d'entrée directement dans le boîtier IC, Silent Switcher 2 minimise au maximum les circuits thermiques critiques.
Cette architecture prend en charge une commutation rapide des fronts, permettant d'obtenir un rendement élevé dans des conditions de commutation haute fréquence tout en conservant de bonnes performances EMI. Le condensateur céramique interne à l'extrémité de la tension d'entrée CC (VIN) aide à maintenir une petite boucle de courant CA rapide, améliorant ainsi encore les performances. L'architecture Silent Switcher utilise également une conception et une technologie de conditionnement exclusives pour maximiser l'efficacité à des fréquences extrêmement élevées, lui permettant ainsi de dépasser les limites EMI maximales de la norme CISPR 25 classe 5.
De plus, la technologie de positionnement actif en tension (AVP) est également utilisée, ce qui signifie que la tension de sortie dépend du courant de charge. En cas de charge légère, la valeur de régulation de la tension de sortie est supérieure à la valeur nominale, et en pleine charge, elle est inférieure à la valeur nominale. La régulation de la charge CC a été ajustée pour améliorer les performances transitoires et minimiser les besoins en condensateurs de sortie.
Silent Switcher 3 et réponse transitoire
La réponse transitoire fait référence à la capacité d'un régulateur de tension à répondre à des changements soudains de charge et est devenue un paramètre de plus en plus important. Par conséquent, en plus de minimiser le bruit basse fréquence (10 Hz à 100 kHz), les produits de troisième génération visent également à fournir une réponse transitoire ultra rapide.
Les processeurs de signaux et les systèmes sur puce (SoC) subissent souvent des changements soudains dans les courbes transitoires de charge, c'est pourquoi une attention croissante est accordée à la réponse transitoire. Ce transitoire de charge peut provoquer des interférences avec la tension d'alimentation, et ce paramètre est crucial pour une conception RF hautes performances. Par exemple, différentes tensions d’alimentation peuvent sérieusement affecter la fréquence d’horloge du système.
Par conséquent, les SoC RF appliquent généralement un temps de suppression pendant les transitoires de charge. Dans les applications 5G, la qualité de l’information est étroitement liée à la période de suppression pendant les périodes transitoires. Par conséquent, minimiser l’impact des transitoires de charge sur l’alimentation électrique améliorera les performances au niveau du système.
Pour atteindre ces objectifs, le dispositif Silent Switcher 3 à puce unique adopte une conception d'amplificateur d'erreur ultra-haute performance, qui peut fournir une stabilité supplémentaire même en cas de compensation agressive. La fréquence de commutation maximale de 4 mégahertz (MHz) permet au circuit intégré d'augmenter la bande passante de la boucle de contrôle à environ 100 kHz en mode de contrôle de courant de crête à fréquence fixe. De plus, plusieurs technologies innovantes peuvent également réduire les facteurs subtils qui entravent la réponse transitoire :
Séparation de charge - Dans une conception typique, une charge de 1 V comprend des circuits d'émission et de réception, un oscillateur local (LO) et un oscillateur contrôlé en tension (VCO). Pendant le fonctionnement du duplexage par répartition en fréquence (FDD), il peut y avoir un changement soudain du courant de charge de la charge d'émission/réception. Pendant ce temps, les charges de LO et VCO sont constantes, mais nécessitent une haute précision et un faible bruit.
Les caractéristiques de bande passante élevée de ces dispositifs permettent aux concepteurs de séparer les charges dynamiques et statiques via une seconde inductance (L2), alimentant ainsi deux groupes de charges critiques de 1 V à partir du circuit intégré régulateur (Figure 2, en haut). La réponse transitoire de la charge est rapide, l'écart VOUT est minime et n'affectera pas la charge statique (Figure 2, en bas).