Como Fornecer Energia com Baixo Ruído e Alta Densidade Com Fator de Forma Pequeno para FPGAs e ASICs

Os CIs digitais com requisitos de alta corrente, tais como FPGAs e ASICs, estão cada vez mais no centro dos sistemas embarcados para aplicações automotivas, médicas, telecomunicações, industriais, jogos e áudio/vídeo de consumo. Muitas dessas aplicações são de missão crítica, como os sistemas automotivos de assistência ao motorista (ADAS), e de alta confiabilidade, como os data centers.

Além das exigências atuais, esses dispositivos de baixa tensão têm especificações de tolerância justas para suas trilhas de alimentação. Fornecer essa potência com eficiência, precisão, desempenho transitório rápido, estabilidade e baixo ruído é fundamental para o desempenho e integridade do sistema.

Os controladores reguladores de chaveamento convencionais e os subsistemas de potência têm problemas potenciais de ruído, tanto em suas trilhas de saída quanto como interferência eletromagnética irradiada (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI), resposta transitória inadequada e limitações de layout. Para minimizar o ruído, algumas aplicações utilizam reguladores pequenos e silenciosos de queda baixa (LDO) que oferecem maior eficiência em comparação com os LDOs anteriores. No entanto, mesmo esses LDOs geralmente não conseguem atender às exigências de eficiência do sistema, resultando em preocupações com dissipação térmica.

A alternativa eficiente para o LDO é o regulador chaveado, mas esses dispositivos têm inerentemente maior ruído devido a seu clock e função de chaveamento. Esse ruído precisa ser mitigado para que os projetistas possam tirar o máximo proveito desses dispositivos de chaveamento.

Felizmente, existem novas maneiras de equilibrar o ruído e a eficiência. Este artigo analisa as recentes inovações no projeto de conversão de energia que têm alta eficiência e requisitos mínimos de espaço, bem como ruído muito reduzido do regulador chaveado. Ele explora como reguladores de chaveamento inovadores podem atender aos múltiplos objetivos para cargas na faixa de tensão de um dígito e abaixo dos 10 amperes (A), e apresenta os minúsculos CIs Silent Switcher na família LTC33xx da Analog Devices como exemplos.

O imperativo de corrente/tensão

Quando os transistores e CIs foram inventados e melhorados na segunda metade do século ²⁰, entre suas muitas virtudes estava o fato de que seus requisitos de potência por função eram muito baixos em comparação com as válvulas termiônicas que eles substituíram — facilmente por um fator de 100 ou mais. Entretanto, esse avanço logo levou a densidades maiores de funções por dispositivo e placa de circuito, na medida em que os CIs agora requerem dezenas de amperes por trilha, e muitas vezes em trilhas múltiplas.

Entre os CIs que requerem essas altas correntes, os quais precisam finalmente dissipar as altas quantidades de energia associadas como calor, estão as matrizes de portas programáveis no campo (FPGAs) e os CIs de aplicação específica (ASICs). Ambos são amplamente utilizados em dispositivos embarcados que abrangem toda a indústria eletrônica, incluindo dispositivos automotivos, médicos, industriais, de comunicação, jogos e dispositivos de áudio/vídeo de consumo.

A corrente necessária para a FPGA ou ASIC pode ser obtida através de um conversor CA/CC para dispositivos alimentados pela linha ou um conversor CC/CC para os alimentados por bateria. Em ambos os casos, é necessário um regulador abaixador CC/CC (buck) subsequente para fornecer e gerenciar a tensão de um dígito da trilha para a carga nos níveis de corrente necessários.

Uma maneira de fornecer a energia necessária é usar um único regulador buck CC/CC para suportar todos os dispositivos da placa de circuito e localizá-lo na lateral ou no canto da placa pci para ajudar a lidar com os problemas de dissipação de calor e simplificar a arquitetura em nível de sistema CC/CC.

No entanto, essa solução que parece simples tem seus problemas:

• Primeiro, há a inevitável queda de IR entre o regulador e as cargas devido à distância e aos altos níveis de corrente (queda ΔV = corrente de carga I × resistência da trilha (R)). As soluções para isso são aumentar a largura ou a espessura das trilhas das placas pci ou usar um barramento elevado, mas esses ocupam um espaço precioso nas placas e aumentam o custo dos materiais (BOM).
• Uma técnica para superar a queda de IR é usar o sensoriamento remoto da tensão na carga, mas isso só funciona bem para uma carga de ponto único e não dispersa. Também causa novos problemas de oscilação potencial, pois a indutância da trilha de alimentação mais longa e os terminais do sensoriamento podem afetar o desempenho transitório do regulador e das trilhas.
• Finalmente, a questão que muitas vezes é mais difícil de gerenciar, as trilhas de alimentação mais longas também estão sujeitas a mais captação de ruído EMI/RFI ou causam a irradiação de ruído ao longo de seu comprimento, de modo que atuam como antenas. A solução geralmente requer capacitores de bypass adicionais, contas de ferrite em linha e outras medidas. Dependendo de sua magnitude e frequência, esse ruído pode afetar negativamente a operação confiável das cargas e tornar desafiador o cumprimento dos vários requisitos regulamentares sobre emissões de ruído.

O enigma do ruído versus eficiência

É importante observar que o enigma "ruído versus eficiência" para os reguladores CC/CC é um cenário diferente dos tradeoffs usuais do projeto de engenharia. A situação muitas vezes é sobre avaliar os tradeoffs e encontrar o "ponto ideal" que equilibra atributos favoráveis versus desfavoráveis.

Como essa situação é diferente? A maioria dos cenários de tradeoff permite que o projetista aceite deliberadamente um valor menor de algum parâmetro desejado em troca de um maior em outro, seguindo uma sequência de tradeoffs. (Figura 1, parte superior).

Figura 1: a maioria das situações de projeto permite que o engenheiro avalie e depois faça vários tradeoffs de desempenho ao longo de um caminho bastante contínuo (superior), mas para o ruído/eficiência de reguladores de chaveamento versus LDOs, os projetos acabam de um lado ou de outro, com pouco "meio-termo" (inferior). (Fonte da imagem: Bill Schweber)

Por exemplo, o projetista pode escolher um amplificador operacional (op-amp) que drena mais corrente (ruim) a fim de fornecer uma taxa de inclinação maior (bom) em comparação com outro amplificador operacional; um tradeoff é aceitável ou necessário na aplicação.

Entretanto, com os reguladores de chaveamento e LDOs, seus atributos de ruído e eficiência são em grande parte "introduzidos" em sua estrutura. Um projetista não pode dizer, por exemplo, que aceitará um LDO com 20% a mais de ruído em troca de oferecer uma melhoria de 10% na eficiência — esse tipo de tradeoff não existe. Em vez disso, existe uma lacuna no espaço de atributo/tradeoff (Figura 1, parte inferior).

Os reguladores Switcher Silent resolvem o dilema do tradeoff

Uma solução alternativa e geralmente melhor é usar reguladores CC/CC individuais localizados o mais próximo possível de seus CIs de carga. Isso minimiza a queda de IR, a pegada das placas pci e a captação e radiação de ruído das trilhas. Entretanto, para que essa abordagem seja viável, é essencial ter reguladores pequenos, eficientes e com baixo ruído que possam ser colocados ao lado da carga e ainda atender a todos os seus requisitos de corrente.

É aqui que os muitos reguladores Silent Switcher são solucionadores de problemas. Esses reguladores não apenas fornecem tensões de saída de um dígito com níveis de corrente de alguns amperes até 10 A, mas o fazem com ruído extremamente baixo, o que é conseguido empregando múltiplas inovações de projeto.

Esses reguladores mudam o pensamento convencional do LDO em relação à lacuna do regulador chaveado com os dispositivos Silent Switcher 1 (primeira geração) e Silent Switcher 2 (segunda geração). Os projetistas desses dispositivos identificaram as várias fontes de ruído e desenvolveram maneiras de atenuar cada uma delas.

Observe que os reguladores Silent Switcher não utilizam a conhecida e atestada técnica de "espectro alargado" para adicionar ruído pseudo-aleatório ao sinal do clock. Isso amplia o espectro do ruído, reduzindo ao mesmo tempo sua amplitude na frequência do clock e seus harmônicos. Embora o uso de clock de espectro alargado possa ajudar a cumprir os limites regulatórios, ele não reduz a energia do ruído agregada e pode, na verdade, adicionar algum ruído em partes do espectro que afetam o desempenho do circuito.

Os benefícios dos dispositivos Silent Switcher 1 incluem baixa EMI, alta eficiência e uma alta frequência de chaveamento que afasta muito do ruído restante de partes do espectro em que interferiria com a operação do sistema ou teria problemas regulatórios. As vantagens do Silent Switcher 2 incluem todas as características da tecnologia Silent Switcher 1 mais capacitores de precisão integrados, uma solução de menor tamanho e a eliminação da sensibilidade ao layout da placa pci.

Devido ao seu pequeno fator de forma (apenas alguns milímetros (mm) quadrados) e eficiência, esses chaveadores podem ser colocados muito próximos à carga FPGA ou ASIC, maximizando assim o desempenho e eliminando incertezas entre as especificações de desempenho da ficha técnica e a realidade do uso. Eles mudam o dilema "binário" de ter que escolher entre aceitar ou mais ruído ou menos eficiência, permitindo que os projetistas tenham o melhor dos dois atributos quando se trata de ruído e eficiência.

Como esses benefícios do Switcher Silent foram conseguidos? Isso foi feito por meio de uma abordagem multifacetada:

• A principal causa do ruído em uma fonte de alimentação chaveada é a corrente chaveada, não as de estado estacionário. Na topologia de um regulador chaveado convencional, existe um caminho do luxo de corrente chamado malha quente. Essa malha quente não é uma malha de corrente independente, mas apenas uma malha de corrente virtual composta pelos componentes de duas malhas de corrente reais (Figura 2).

Figura 2: A topologia habitual de um regulador chaveado tem uma malha de corrente virtual chamada malha quente que é composta pelos componentes de duas malhas de corrente reais e tem fluxos de corrente de chaveamento. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A tecnologia Silent Switcher 2 da Analog Devices torna as malhas quentes críticas tão pequenas quanto possível pela integração de capacitores de entrada no invólucro do CI. Além disso, ao dividir a malha quente em duas formas simétricas, dois campos magnéticos de polaridades opostas são criados e o ruído irradiado se cancela em grande parte.

• A arquitetura de segunda geração suporta bordas de chaveamento rápido para alta eficiência em altas frequências de chaveamento e, ao mesmo tempo, consegue um bom desempenho de EMI. Os capacitores internos de cerâmica na tensão de entrada CC (V_IN) mantêm pequenas todas as malhas de corrente CA rápidas, melhorando o desempenho de EMI.
• A arquitetura Silent Switcher usa projeto e técnicas de encapsulamento proprietários para maximizar a eficiência em frequências muito altas e permitir um desempenho EMI ultrabaixo, cumprindo facilmente os limites CISPR 25 Classe 5 de EMI de pico, usando projetos altamente compactos e robustos.
• É utilizado o posicionamento ativo da tensão (AVP), uma técnica em que a tensão de saída depende da corrente da carga. Em cargas leves, a tensão de saída é regulada acima do valor nominal, enquanto que em carga total, a tensão de saída é regulada abaixo do valor nominal. A regulação de carga CC é ajustada para melhorar o desempenho transitório e reduzir os requisitos do capacitor de saída.

As muitas famílias de Silent Switcher

Os reguladores Silent Switcher estão disponíveis em muitas famílias e modelos, com diferentes classificações de tensão/corrente dentro de cada família. Algumas considerações adicionais variam de modelo para modelo, tais como saída fixa versus ajustável. Entre os vários membros da família LTC33xx estão:

• LTC3307: Silent Switcher abaixador de 5 volts, 3 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher abaixador de 5 volts, 4 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher abaixador de 5 volts, 6 A em um invólucro LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher 2 abaixador de 5 volts, 10 A em invólucro LQFN de 3 mm × 3 mm

Analisando o LTC3310 mais de perto, vemos que é um conversor abaixador CC/CC de baixo ruído, muito pequeno e monolítico, que é capaz de fornecer até 10 A de corrente de saída de uma fonte de entrada de 2,25 a 5,5 volts; a faixa de V_OUT é de 0,5 volts para V_IN. As frequências de chaveamento vão de 500 quilohertz (kHz) até 5 megahertz (MHz). Ele requer apenas alguns poucos componentes passivos externos e tem uma eficiência de cerca de 90% na maior parte de sua faixa de carga de saída (Figura 3).

Figura 3: o regulador abaixador CC/CC LTC3310 requer componentes ativos externos e oferece alta eficiência na maior parte de sua faixa de carga. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Ele está disponível em quatro versões básicas. Os dispositivos fornecem tanto baixa EMI quanto alta eficiência em frequências de chaveamento de até 5 MHz, e há versões da família LTC3310 que tem qualificação AEC-Q100 para uso automotivo. Observe que tanto os dispositivos de primeira geração (SS1) — LTC3310 — como os dispositivos de segunda geração (SS2) — LTC3310S e LTC3310S-1 — estão disponíveis como dispositivos de saída ajustável e fixa (Tabela 1):

Tabela 1: o LTC3310 é oferecido em quatro versões básicas, representando projetos de primeira e segunda geração, bem como saídas fixas e ajustáveis. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para as versões ajustáveis, a tensão de saída é programada por meio de um divisor de resistores entre a saída e o pino de realimentação (FB) usando uma equação simples para determinar o valor correto do resistor (Figura 5).

Figura 5: para estabelecer a tensão de saída dos dispositivos ajustáveis LTC3310 basta apenas um divisor de resistores básico definido por uma equação simples. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os níveis de ruído estão tipicamente em dezenas de microvolts. Duas métricas-chave do desempenho de baixo ruído dos dispositivos LTC3310 são os testes de ruído realizados de acordo com os relevantes limites de pico CISPR25 Classe 5. Esses incluem o ruído conduzido (Figura 6) e o ruído irradiado tanto no plano horizontal como no vertical (Figura 7).

Figura 6: um regulador devidamente arranjado com base no LTC3310S atende aos rigorosos limites de emissões EMI conduzidas CISPR25 (com picos de Classe 5). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Figura 7: nos testes de emissões irradiadas, o LTC3310S atende requisitos de EMI CISPR25 tanto no plano horizontal (esquerdo) quanto no plano vertical (direito). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Outra característica notável da família LTC3310 é a facilidade com que os dispositivos podem ser usados em paralelo para operação com corrente multifase mais alta, uma característica que muitos outros reguladores de chaveamento não suportam ou só suportam com dificuldade. O paralelismo mais simples é para operação em duas fases, produzindo uma corrente de até 20 A (Figura 8). A abordagem pode ser facilmente expandida para três, quatro ou mais fases, e correspondentemente, correntes mais altas.

Figura 8: com alguns componentes adicionais, dois ou mais dispositivos LTC3310 podem ser combinados para operação com corrente multifase mais alta; a configuração bifásica/20 A é mostrada aqui. (Fonte da imagem: Analog Devices)

As placas de teste encurtam os ciclos de projeto

Reguladores como os dispositivos LTC3310 são diretos em sua aplicação, pois não possuem registros de inicialização, funções controladas por software ou outras complexidades de configuração. No entanto, tecnicamente faz sentido poder avaliar seu desempenho estático e dinâmico e otimizar os valores de componentes passivos antes de se comprometer com um layout final ou com uma BOM específica. A disponibilidade das placas de teste LTC3310 facilita muito esse processo. A Analog Devices oferece uma seleção de tais placas combinadas com diferentes versões e configurações do LTC3310:

• A DC3042A suporta o dispositivo de saída ajustável LTC3310 (Figura 9).

Figura 9: a placa de teste DC3042A é projetada para o LTC3310 com uma tensão de saída ajustável pelo usuário. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Além de instruir os usuários sobre a configuração básica e operação, a documentação inclui um diagrama esquemático, o layout da placa e a lista de materiais (BOM). Também destaca os vários pontos de teste e conexões, bem como o arranjo de sondagem para medir a ondulação de saída e a resposta temporal (Figura 10).

Figura 10: o manual de demonstração do usuário da DC3042A destaca claramente os pontos de teste e as conexões (topo), bem como a configuração da sondagem e a configuração para medir a ondulação de saída e a resposta temporal. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Para o LTC3310S-1 com uma tensão de saída fixa, há a placa de teste DC3021A (Figura 11).

Figura 11: para o LTC3310S-1 com uma tensão de saída não ajustável pelo usuário, a placa de teste DC3021A é a escolha apropriada. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Finalmente, para o arranjo multifásico um pouco mais complexo, há a DC2874A-C (Figura 12). Essa placa de teste tem o LTC3310S operando como um regulador buck multifase de 2,0 MHz, de 3,3 a 1,2 volts. A DC2874A tem três opções de montagem para fornecer soluções de saída bifásicas/20 A, trifásicas/30 A ou quadrifásicas/40 A.

Figura 12: a placa de teste DC2874A-C para o LTC3310S tem três opções de montagem: bifásica/20 A, trifásica/30 A ou quadrifásica/40 A. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Ao utilizar o LTC3310S e investir algum tempo com a placa de teste apropriada e seu correspondente manual do usuário, os projetistas podem minimizar o tempo gasto com o desempenho do regulador CC/CC.

Conclusão

Os engenheiros sempre tiveram que escolher entre duas topologias de reguladores CC/CC conflitantes com atributos distintamente opostos. Os LDOs oferecem uma saída CC muito silenciosa, mas com eficiência de baixa a moderada, tornando-os um desafio térmico além das saídas de cerca de 1 A. Em contraste, os reguladores de chaveamento oferecem eficiências na faixa de 90%, mas adicionam ruído à trilha de saída CC e são também uma fonte de ruído conduzido — e especialmente irradiado — que pode facilmente resultar em que o produto não passe nos testes regulatórios necessários.

Felizmente, as famílias Silent Switcher da Analog Devices empregam uma variedade de técnicas de projeto inovadoras que superam esse dilema de "escolher um ou outro", resultando em opções de reguladores altamente eficientes, com muito pouco ruído e de pequeno fator de forma.