Como lidar com problemas de ruído CC/CC, eficiência e layout usando módulos de potência integrados

Não parece difícil construir um regulador CC/CC (buck) abaixador básico para baixas tensões de 10 volts (típico) ou menos e níveis modestos de corrente de cerca de 2 a 15 amperes (A). O projetista só precisa selecionar um CI regulador de chaveamento adequado e adicionar alguns componentes passivos usando o circuito de exemplo na ficha técnica ou na nota de aplicação. Mas o projeto está realmente feito e pronto para ser lançado para a execução piloto, ou mesmo para a produção? Provavelmente não.

Embora o regulador forneça a alimentação CC desejada, ele ainda tem várias questões e problemas potenciais. Em primeiro lugar, a eficiência pode não atender aos objetivos do projeto ou às exigências regulamentares, aumentando assim o impacto térmico, bem como a vida mais curta da bateria. Em segundo lugar, componentes adicionais podem ser necessários para garantir um início de operação, desempenho transitório e baixa ondulação adequados, o que, por sua vez, afeta o tamanho, o tempo de colocação no mercado e a lista de materiais (BOM). Finalmente, e talvez o mais desafiador, o projeto pode não atender às limitações cada vez mais rigorosas de interferência eletromagnética (EMI) ou interferência de radiofrequência (RFI), conforme definido pelos vários mandatos regulatórios, exigindo assim uma reformulação ou mais componentes e testes adicionais.

Este artigo descreve a lacuna de expectativa e desempenho entre um projeto básico de um regulador CC/CC e outro avançado, que atenda ou exceda os requisitos de eficiência, baixo ruído irradiado e de ondulação, além da integração geral. O artigo apresenta então os µMódulos Silent Switcher da Analog Devices e mostra como usá-los para resolver vários problemas dos reguladores CC/CC.

Os CIs fazem parecer fácil, a princípio

Os reguladores CC/CC (buck) são amplamente utilizados para fornecer alimentações CC. Um sistema típico pode ter dezenas delas, fornecendo diferentes tensões ou trilhas fisicamente separadas na mesma tensão. Estes reguladores buck geralmente tomam uma tensão mais alta, normalmente entre 5 e 36 volts CC, e a regulam para um valor de um só volts com poucos ou baixos amperes de dois dígitos (Figura 1).

Figura 1: a função do regulador CC/CC (conversor) é simples: pegar uma fonte CC não regulada, que pode ser de uma bateria ou de uma linha CA retificada e filtrada, e fornecer uma alimentação CC bem regulada como a saída. (Fonte da imagem: Electronic Clinic)

Há boas e más notícias na construção de um regulador básico de buck. A boa notícia é que a construção de um que forneça nominalmente um desempenho "suficientemente bom" não é geralmente difícil. Há muitos CIs de chaveamento disponíveis para fazer a maior parte da tarefa, que precisam apenas de um único transistor de efeito de campo (FET) (ou nenhum) e alguns poucos componentes passivos para completar o trabalho. A tarefa é ainda mais fácil, pois a ficha técnica do CI regulador quase sempre mostra um circuito de aplicação típico com um esquema, um layout de placa e uma BOM que pode fornecer nomes de fornecedores de componentes e números de peças.

O dilema da engenharia é que um "bom" nível de desempenho pode não ser adequado com relação a alguns parâmetros de desempenho de reguladores não óbvios. Embora a trilha CC de saída possa fornecer corrente suficiente com regulação adequada de linha/carga e resposta transitória, esses fatores são apenas o começo da história das trilhas de alimentação.

A realidade é que, além desses critérios básicos de desempenho, um regulador também é avaliado por outros fatores, alguns dos quais são motivados por imperativos externos. As três questões críticas que a maioria dos reguladores deve abordar não são necessariamente aparentes, apenas da perspectiva simplista de um bloco funcional que aceita uma entrada CC não regulada e fornece uma saída CC regulada. Elas são (Figura 2):

• Frio: alta eficiência e impacto térmico mínimo associado.
• Silencioso: baixa ondulação para um desempenho sem erros do sistema, além baixa EMI para atender aos padrões de ruído radiado (não acústico).
• Completo: uma solução integrada que minimiza tamanho, risco, lista técnica, tempo de comercialização e outras preocupações "brandas".

Figura 2: Um regulador CC/CC deve fazer mais do que apenas fornecer uma trilha de alimentação estável; ele também deve ser frio e eficiente, "silencioso" à EMI e funcionalmente completo. (Fonte da imagem: Math.stackexchange.com; modificado pelo autor)

Abordar estas questões traz um conjunto de desafios, e resolvê-los pode se tornar uma experiência frustrante. Isto está de acordo com a "regra 80/20", onde 80% do esforço é dedicado a conseguir que os últimos 20% da tarefa sejam realizados. Olhando para os três fatores com mais detalhes:

Frio: todo projetista quer alta eficiência, mas exatamente quão alta, e a que custo? A resposta é a usual: depende do projeto e de suas contrapartidas. Uma maior eficiência é importante por três razões principais:

1. Ela se traduz em um produto mais frio que aumenta a confiabilidade, pode permitir a operação a uma temperatura mais alta, pode eliminar a necessidade de resfriamento por ventilação forçada (ventoinha), ou pode simplificar a instalação eficiente de um resfriamento por convecção, se possível. Na pior hipótese, pode ser necessário manter componentes específicos que funcionem particularmente quentes abaixo de sua temperatura máxima permitida e dentro de sua área de operação segura.
2. Mesmo que estes fatores térmicos não sejam uma preocupação, a eficiência se traduz em tempo de funcionamento mais duradouro para sistemas operados por baterias ou um fardo reduzido sobre o conversor CA-CC a montante.
3. Existem agora muitas normas regulamentares que exigem níveis de eficiência específicos para cada classe de produto final. Embora estas normas não exijam eficiência para as trilhas individuais em um produto, o desafio do projetista é garantir que a eficiência global agregada cumpra o mandato. Isto é mais fácil quando o regulador CC/CC de cada trilha contribuinte é mais eficiente, uma vez que isso proporciona uma folga na soma com as outras trilhas e outras fontes de perda.

Silencioso: há duas grandes classes de ruído que preocupam os projetistas. Primeiro, o ruído e a ondulação na saída do regulador CC/CC devem ser suficientemente baixos para que não afetem negativamente o desempenho do sistema. Esta é uma preocupação crescente à medida que as tensões das trilhas caem para baixos dígitos simples em circuitos digitais, bem como para circuitos analógicos de precisão onde a ondulação de até mesmo alguns milivolts pode degradar o desempenho.

A outra grande preocupação está relacionada ao EMI. Há dois tipos de emissões EMI: conduzidas e radiadas. As emissões conduzidas andam sobre os fios e trilhas que se conectam a um produto. Como o ruído é localizado em um terminal ou conector específico no projeto, a conformidade com os requisitos de emissões conduzidas pode ser assegurada com relativa antecedência no processo de desenvolvimento com um bom layout e projeto de filtro.

As emissões radiadas, no entanto, são mais complicadas. Cada condutor em uma placa de circuito que conduz corrente radia um campo eletromagnético: cada trilha da placa é uma antena, e cada plano de cobre é um espelho. Qualquer coisa que não seja uma onda senoidal ou tensão CC pura gera um amplo espectro de sinal.

A dificuldade é que, mesmo com um projeto cuidadoso, um projetista nunca sabe realmente quão ruins serão as emissões radiadas até que o sistema seja testado, e os testes de emissões radiadas não podem ser formalmente realizados até que o projeto esteja essencialmente completo. Os filtros são usados para reduzir a EMI, atenuando os níveis em frequências específicas ou em uma gama de frequências usando várias técnicas.

Parte da energia radiante pelo espaço é atenuada pelo uso de uma chapa metálica como escudo magnético. A parte de frequência mais baixa que se desloca sobre as trilhas da placa de circuito impresso (conduzidas) é controlada usando contas de ferrite e outros filtros. A blindagem funciona, mas traz um novo conjunto de problemas. Deve ser bem projetada com boa integridade eletromagnética (muitas vezes surpreendentemente difícil). Ela acrescenta custos, aumenta o espaço, torna o gerenciamento térmico e os testes mais difíceis, e introduz custos adicionais de montagem.

Outra técnica é diminuir a velocidade das bordas de chaveamento do regulador. No entanto, isto tem o efeito indesejável de reduzir a eficiência, aumentando os tempos mínimos de ligar e desligar, bem como os tempos mortos necessários, e comprometendo a velocidade da malha de controle da corrente.

Ainda outra abordagem é ajustar o projeto do regulador para radiar menos EMI através da seleção cuidadosa dos parâmetros principais do projeto. A tarefa de compensar estas contrapartidas dos reguladores envolve a avaliação da interação de parâmetros como frequência de chaveamento, pegada, eficiência e EMI resultante.

Por exemplo, uma frequência de chaveamento mais baixa geralmente reduz a perda de comutação e da EMI e melhora a eficiência, mas requer componentes maiores com aumentos associados na área ocupada, isto é, a pegada. A busca por maior eficiência é acompanhada por baixos tempos mínimos de ligar e desligar, resultando em maior conteúdo harmônico devido às transições mais rápidas de comutação. Em geral, a cada duplicação da frequência de chaveamento, a EMI fica 6 decibéis (dB) pior, assumindo que todos os outros parâmetros, como capacidade de comutação e tempos de transição, permanecem constantes. A EMI de banda larga se comporta como um filtro passa-alta de primeira ordem com emissões 20 dB maiores quando a frequência de chaveamento aumenta em um fator de dez.

Para superar isto, os projetistas experientes de placas de circuito impresso farão as malhas de corrente do regulador ("malhas quentes") pequenas, e usarão camadas com o terra de blindagem o mais próximo possível da camada ativa. No entanto, a pinagem, a construção do invólucro, os requisitos de projeto térmico e os tamanhos do invólucro necessários para o armazenamento adequado de energia nos componentes de desacoplamento ditam um certo tamanho mínimo da malha quente.

Para tornar o problema de layout ainda mais desafiador, a típica placa de circuito impresso planar tem um acoplamento magnético ou do tipo transformador entre trilhas acima de 30 megahertz (MHz). Este acoplamento atenuará os esforços de filtragem, pois quanto mais altas as frequências harmônicas, mais evidente se torna o acoplamento magnético indesejado.

Quais normas são relevantes?

Não há um único padrão de orientação no mundo sobre EMI, pois ele é determinado em grande parte pela aplicação e pelas leis relevantes do governo. Entre as mais citadas estão EN55022, CISPR 22 e CISPR 25. EN 55022 é um derivado modificado do CISPR 22 e se aplica a equipamentos de tecnologia da informação. A norma é produzida pelo CENELEC, o Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica, e é responsável pela padronização no campo da engenharia eletrotécnica.

Estas normas são complexas e definem os procedimentos de teste, sondas, instrumentação, análise de dados e muito mais. Entre os muitos limites definidos pela norma, o limite de emissão de radiação Classe B é frequentemente de maior interesse para os projetistas.

Completo: mesmo quando a situação de projeto é bem compreendida, selecionar e empregar os componentes de suporte necessários da maneira correta é um desafio. Pequenas diferenças na colocação e nas especificações dos componentes, nos terras e nas trilhas da placa de circuito impresso e outros fatores podem afetar negativamente o desempenho.

A modelagem e simulação são necessárias e podem ajudar, mas é muito difícil caracterizar os parasitas associados a estes componentes, especialmente se seus valores mudam. Além disso, uma mudança nos fornecedores (ou uma mudança não anunciada pelo fornecedor preferencial) pode induzir uma mudança sutil nos valores dos parâmetros de segunda ou terceira camada (como a resistência cc do indutor (DCR)), o que poderia ter consequências significativas e imprevistas.

Além disso, mesmo um leve reposicionamento dos componentes passivos ou a adição de "apenas mais um", pode alterar o cenário EMI e resultar em emissões que excedam os limites permitidos.

Os µMódulos SilentSwitcher resolvem os problemas

Antecipar e gerenciar riscos é uma parte normal do trabalho de um projetista. A redução da quantidade e da intensidade desses riscos é uma estratégia padrão do produto final. Uma solução é usar um regulador CC/CC funcionalmente completo que, através de um bom projeto e implementação, seja frio, silencioso e completo. O uso de um dispositivo conhecido reduz a incerteza ao mesmo tempo em que cuida do tamanho, custo, EMI, BOM e riscos de montagem. Fazendo isso, também acelera o tempo de colocação no mercado e reduz a angústia da conformidade regulatória.

Olhando para uma família completa desses reguladores, como os µMódulos Silent Switcher da Analog Devices, os projetistas podem escolher um regulador CC/CC compatível com o dimensionamento necessário de tensão e corrente, tendo a certeza de que as leis sobre EMI serão cumpridas, o tamanho e o custo serão conhecidos, e não haverá surpresas.

Estes reguladores incorporam muito mais do que esquemas e topologias inovadoras. Entre as técnicas que eles utilizam estão:

• Técnica nº 1: o chaveamento do regulador atua como um oscilador/fonte de RF e combina com os fios de ligação, que atuam como antenas. Isto transforma a montagem em um transmissor RF com energia indesejada que pode exceder os limites permitidos (Figuras 3, 4 e 5).

Figura 3: Os fios de ligação da matriz do CI ao invólucro funcionam como antenas em miniatura e emitem radiação indesejada de energia RF. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Figura 4: A montagem Silent Switcher começa pela substituição das ligações de fios pela tecnologia flipchip ou de chip invertido, eliminando assim os fios radiantes de energia. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Figura 5: A abordagem flipchip elimina efetivamente as antenas e minimiza a emissão da energia de radiação. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Técnica nº 2: o uso de capacitores de entrada simétricos limita a EMI criando correntes equilibradas e opostas (Figura 6).

Figura 6: Capacitores de entrada duplos e espelhados também são adicionados para restringir a EMI. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Técnica nº 3. Finalmente, o uso de malhas de corrente oposta para cancelar campos magnéticos (Figura 7).

Figura 7: Um layout interno com malhas de corrente em sentidos opostos também cancela campos magnéticos indesejados. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Estes µMódulos Silent Switcher representam a evolução de projeto e encapsulamento do regulador abaixador desde um CI com componentes de suporte para um CI LQFN com capacitores integrados até um µMódulo com capacitores e indutores necessários (Figura 8).

Figura 8: Ao incorporar capacitores e um indutor no invólucro, os µMódulos Silent Switcher passam a ser o terceiro estágio no avanço dos reguladores de chaveamento centrados em CI. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A ampla oferta atende às necessidades e contrapartidas

Os µMódulos Silent Switcher compreendem muitas unidades individuais com diferentes dimensionamentos para a faixa de tensão de entrada, trilha da tensão de saída e corrente de saída. Por exemplo, o LTM8003 é uma entrada de 3,4 a 40 volts, saída de 3,3 volts, µMódulo de 3,5 A contínuo (6 A de pico) que atende aos limites da Classe 5 do CISPR 25, mas mede apenas 9 × 6,25 milímetros (mm) e 3,32 mm de altura (Figura 9).

Figura 9: O LTM8003 Silent Switcher é um invólucro minúsculo e autônomo que atende facilmente o limite da energia de pico da radiação emitida de CISPR 25 Classe 5 desde CC a 1000 MHz. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Ele é oferecido em uma pinagem que está em conformidade com a análise de modo e efeito de falha (FMEA) (LTM8003-3.3), o que significa que a saída permanece na tensão de regulagem ou abaixo dela durante um curto-circuito de pino adjacente ou se o potencial de um pino estiver flutuante. A corrente quiescente típica é de apenas 25 microamperes (µA), e a versão de grau H é dimensionada para operação a 150°C.

A placa de demonstração (demo) DC2416A está disponível para que os projetistas exercitem o regulador e avaliem seu desempenho para sua aplicação (Figura 10).

Figura 10: A placa de demonstração DC2416A simplifica a conexão e avaliação do dispositivo LTM8003 Silent Switcher. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Dois membros nominalmente similares da família do µMódulo Silent Switcher, o LTM4657 (3,1 a 20 volts de entrada; 0,5 a 5,5 volts a 8 A de saída) e o LTM4626 (3,1 a 20 volts de entrada; 0,6 a 5,5 volts a 12 A de saída), mostram a natureza das contrapartidas que os dispositivos oferecem. O LTM4657 utiliza um indutor de maior valor do que o LTM4626, permitindo que ele opere em frequências mais baixas para diminuir a perda de chaveamento.

O LTM4657 é uma solução melhor para altas perdas de chaveamento e baixas perdas de condução, como em aplicações onde a corrente de carga é baixa e/ou a tensão de entrada é alta. Olhando para o LTM4626 e o LTM4657, operando na mesma freqüência de chaveamento, e com a mesma entrada de 12 volts e saída de 5 volts, pode-se ver a perda superior de chaveamento do LTM4657 (Figura 11). Além disso, seu indutor de valor mais elevado reduz a ondulação da tensão de saída. Entretanto, o LTM4626 pode fornecer mais corrente de carga do que o LTM4657.

Figura 11: A comparação da eficiência do LTM4626 e LTM4657 em 1,25 MHz com a mesma configuração em uma placa de demonstração DC2989A mostra diferenças modestas, mas tangíveis. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os usuários podem avaliar o desempenho do LTM4657 usando a placa de demonstração DC2989A (Figura 12), enquanto para aqueles que precisam avaliar o LTM4626, a placa DC2665A-A está disponível (Figura 13).

Figura 12: A placa de demonstração DC2989A foi projetada para avaliar rapidamente o LTM4657 Silent Switcher. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Figura 13: Para o módulo Silent Switcher LTM4626, a placa de demonstração DC2665A-A está disponível para facilitar o exercício e a avaliação. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os µMódulos Silent Switcher não estão restritos a módulos de saída única. Por exemplo, o LTM4628 é um regulador CC completo de chaveamento e saída dupla de 8 A que pode ser facilmente configurado para fornecer uma saída simples de 2 fases de 16 A (Figura 14). O módulo é oferecido em invólucros LGA de 15 mm × 15 mm × 4,32 mm e BGA de 15 mm × 15 mm × 4,92 mm.  Inclui o controlador de chaveamento, FETs de potência, indutor e todos os componentes de suporte.

Figura 14: O LTM4628 pode ser configurado como um regulador CC/CC de chaveamento com saída dupla de 8 A por canal, ou com uma saída única de 16 A. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O módulo opera em uma faixa de tensão de entrada de 4,5 a 26,5 volts e suporta uma faixa de tensão de saída de 0,6 a 5,5 volts, definida por um único resistor externo. Os usuários podem investigar seu desempenho como um dispositivo de saída única ou dupla usando a placa de demonstração DC1663A (Figura 15).

Figura 15: A avaliação do LTM4628 de saída única/dupla é agilizada com o uso de sua placa de demonstração DC1663A. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

O projeto de um regulador CC/CC funcional é bastante fácil com os CIs disponíveis. No entanto, não é simples projetar um regulador que simultaneamente prima pela eficiência, seja funcionalmente completo e atenda aos vários mandatos do regulador, muitas vezes confusos e rigorosos. Os µMódulos Silent Switcher da Analog Devices simplificam o processo de projeto. Eles eliminam o risco ao atingir os objetivos de operação fria e eficiente, emissões de EMI abaixo dos limites permitidos, e a plenitude da improvisação.