Como utilizar conversores modulares CC/CC pequenos para minimizar o ruído na trilha de alimentação

O ruído é uma consideração inerente e geralmente inevitável em quase todos os projetos de sistemas. Embora algum ruído seja de fontes externas e não diretamente dentro do controle do projetista do circuito, ele também é gerado pelo próprio circuito. Em muitos casos, é fundamental que o projetista minimize as fontes de ruído — especialmente o ruído nas trilhas de alimentação — pois isso pode afetar os circuitos analógicos e digitais sensíveis.

O resultado pode ser um desempenho errático do circuito, resolução e precisão reduzidas e maior taxa de erros de bit (BER), na melhor das hipóteses. Na pior das hipóteses, pode causar o mau funcionamento total do sistema, ou problemas de desempenho frequentes ou intermitentes, ambos de difícil depuração.

Há dois grandes problemas de ruído com os reguladores CC/CC e suas trilhas de saída: ondulação e ruído radiado. O ruído gerado dentro de um circuito está sujeito a mandatos regulatórios de compatibilidade eletromagnética (EMC) e deve estar abaixo dos níveis especificados nas diversas faixas de frequência.

O desafio para os projetistas é compreender o ruído da fonte interna e sua origem, e "projetá-lo" ou mitigá-lo de outra forma. Este artigo utilizará reguladores CC/CC da Monolithic Power Systems, Inc. para discutir as opções ao minimizar os problemas de ruído dos reguladores.

Comece com o tipo e fonte de ruído

O ruído mais fácil de ser observado, e o que afeta diretamente o desempenho do circuito, é a ondulação na frequência de chaveamento. Esta ondulação é tipicamente da ordem de 10 a 20 milivolts (mV) (figura 1). Embora não seja de natureza aleatória, ainda é uma manifestação de ruído com implicações no desempenho do sistema. O nível de milivolts de tal ondulação geralmente não é um problema para CIs digitais de tensão mais alta operando com trilhas a 5 volts ou mais, mas pode ser uma preocupação com circuitos digitais de tensão mais baixa operando abaixo de 3 volts. A ondulação nas trilhas de alimentação é também uma grande preocupação com circuitos e componentes analógicos de precisão, razão pela qual a especificação da razão de rejeição da fonte de alimentação (PSRR) para tais dispositivos é crítica.

Figura 1: ondulação na trilha CC, um resultado da ação de chaveamento do regulador, pode afetar o desempenho básico de um circuito ou resultados de precisão. (Fonte de imagem: Monolithic Power Systems, Inc.)

A ação de chaveamento de um regulador CC/CC também pode emitir ruído de radiofrequência (RF). Mesmo que os milivolts de ondulação na trilha CC sejam toleráveis, há também a questão das emissões eletromagnéticas comprometendo a EMC. Este ruído tem uma frequência fundamental conhecida entre alguns kHz a vários MHz, dependendo do conversor de comutação, e também tem muitos harmônicos.

Entre as normas regulamentares mais comumente citadas relacionadas à EMC estão CISPR 22 e CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR significa "Comité Internacional Spécial des Perturbations Radioélectriques"). Há também a Norma Européia EN 55022, derivada principalmente da norma de produto CISPR 22, com testes feitos sob condições cuidadosamente definidas.

A CISPR 22 foi adotada para uso pela maioria dos membros da Comunidade Europeia. Embora a FCC Parte 15 nos EUA e a CISPR 22 tenham sido feitas para serem relativamente harmoniosas, existem algumas diferenças. A CISPR 22/EN 55022 foi "absorvida" pela CISPR 32/EN 55032, uma nova norma da família de produtos para equipamentos multimídia (MME) que é eficaz como uma norma harmonizada em conformidade com a Diretiva EMC.

Equipamentos destinados principalmente para uso em ambiente residencial devem atender aos limites da Classe B, sendo que todos os outros equipamentos devem atender à Classe A (Figura 2). Os produtos projetados para os mercados norte-americanos devem obedecer aos limites estabelecidos pela Seção 15.109 da Comissão Federal de Comunicações (FCC) Parte 15, Subparte B, para radiadores não intencionais. Assim, mesmo que o ruído elétrico radiado de um regulador CC não afete negativamente o produto em si, esse ruído pode ainda ser inaceitavelmente alto no que diz respeito ao cumprimento dos vários mandatos regulatórios.

Figura 2: Este é um dos muitos gráficos fornecidos pela CISPR 32/EN 55032 que define limites de emissão versus frequência para várias classes de produtos de consumo. (Fonte de imagem: Academy of EMC, "Normas EMC")

Lidar com questões EMC é um tema complicado e não tem solução simplista. Entre outras coisas, a medição e limites permitidos dessas emissões são uma função da frequência de operação do circuito, distância, nível de potência e classe de aplicação. Por estas razões, faz sentido verificar os muitos recursos técnicos e talvez até mesmo os consultores que podem fornecer orientação e perícia.

Dito isto, os projetistas têm três estratégias básicas para minimizar o ruído a fim de evitar problemas de desempenho dos circuitos e também cumprir o mandato de ruído apropriado:

• Use um regulador de baixa queda de tensão (LDO).
• Adicione filtragem externa a um regulador de chaveamento para reduzir o ruído visto pela carga sobre as trilhas CC.
• Escolha um módulo regulador de chaveamento que incorpore componentes que de outra forma seriam externos ao CI regulador, tais como indutores ou capacitores. O módulo resultante é projetado e garantido para fornecer trilhas de baixo ruído, e por isso necessita de filtragem mínima ou nenhuma filtragem externa.

Comece com o LDO

Como a arquitetura LDO não tem clock ou chaveamento, ela apresenta um ruído EMC inerentemente baixo e nenhuma ondulação na trilha de saída; centenas de milhões de LDOs são usados a cada ano. Quando aplicada a um projeto adequado, ela pode ser uma solução eficaz.

Por exemplo, o LDO da Monolithic Power Systems MP20075 visa especificamente terminações ativas de barramento para memória de acesso síncrona dinâmica e aleatória (SDRAM) de taxa de dados dupla (DDR) 2/3/3L/4 (figura 3). Este LDO está em um encapsulamento MSOP de 8 pinos e pode drenar e fornecer até 3 ampères (A) a uma tensão ajustável pelo usuário entre 1,05 e 3,6 volts, e apresenta uma tensão de rastreamento V_REF/2 de precisão para uma terminação acurada.

Figura 3: o LDO MP20075 pode drenar ou fornecer até 3 A e é otimizado para as necessidades de terminação de várias classes de SRAM DDR. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

O divisor integrado do MP20075 rastreia a tensão de referência (REF) para garantir tensões de saída VTT e VTTREF precisas, enquanto a detecção Kelvin ajuda a alcançar uma precisão de ±30 mV para VTT e ±18 mV para VTTREF. Além disso, como na maioria dos LDOs, a topologia de malha fechada só analógica produz uma resposta muito rápida aos transientes da carga de saída, na ordem de apenas alguns microssegundos (figura 4). Tal resposta transitória é frequentemente crítica em circuitos de alta velocidade, como as terminações SRAM DDR para as quais este LDO foi projetado.

Figura 4: o projeto analógico de malha fechada do LDO contribui para sua resposta muito rápida às demandas transitórias pela carga; tal desempenho é necessário para aplicações como a terminação SRAM DDR. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Apesar de seus atributos inerentemente baixos de ruído e facilidade de uso, o LDO tem limitações. Primeiro, ele é muito menos eficiente que um regulador de chaveamento, o que por sua vez traz duas preocupações óbvias: o calor que ele dissipa aumenta a carga térmica do sistema, e a eficiência reduzida tem um impacto no tempo de funcionamento dos dispositivos portáteis operados a pilhas. Por estas razões, os LDOs são mais comumente usados para correntes de saída de até cerca de 1 a 3 A (como mostrado pelo MP20075), já que a "penalidade" de eficiência muitas vezes se torna excessiva acima desse valor.

Há outra limitação inerente aos LDOs: eles só podem fornecer uma regulação abaixadora (buck) e não podem reforçar um fornecimento não regulado de entrada CC acima de seu valor nominal. Se uma saída em modo boost for necessária, o LDO é automaticamente descartado como uma opção de regulador CC/CC.

Ajuste fino do layout, acrescente alguma filtragem

Quando um regulador de chaveamento for usado, seja para operação em modo boost ou modo buck, sua ação de chaveamento é uma fonte de ruído inerente e inevitável. A adição de filtragem de saída adicional é mais fácil quando o regulador opera em uma frequência fixa. Considere o MP2145, um regulador abaixador de chaveamento síncrono de 5,5 volts, 6 A, alojado em um pacote QFN de 12 terminais condutores, 2 × 3 milímetros (mm), com MOSFETs integrais de 20 miliohm (mΩ) e 12 mΩ (figura 5).

Figura 5: o MP2145, um regulador abaixador de chaveamento síncrono de 5,5 volts, 6 A, inclui MOSFETs integrais de 20 mΩ e 12 mΩ em seu pacote QFN de 2 × 3 mm. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Um conversor síncrono de buck como o MP2145 consiste de um capacitor de entrada C_IN, dois interruptores (S1 e S2) com seus diodos de corpo, um indutor de armazenamento de energia (L), e capacitores de saída (C_OUT). Os capacitores de saída (C_OUT) são colocados na saída para suavizar a tensão de saída sob um estado estacionário. Estes formam um filtro de primeiro estágio e reduzem a ondulação da tensão de saída, fornecendo um caminho de baixa impedância para que os componentes de tensão de alta frequência retornem ao terra.Tipicamente, tal capacitor de derivação (shunt) de saída pode efetivamente reduzir a ondulação da tensão de saída para 1 mV.

Para reduzir ainda mais a ondulação da tensão de saída, é necessário um filtro de saída de segundo estágio, com um filtro de indutor-capacitor (LC) em cascata para os capacitores de saída do primeiro estágio (figura 6). O indutor de filtragem (L_f) é resistivo na faixa de alta frequência pretendida e dissipa a energia do ruído sob a forma de calor. O indutor combina com capacitores shunt adicionais para formar uma rede de filtros LC passa-baixa.

Figura 6: adicionar um filtro LC de segundo estágio à saída de um regulador de chaveamento, como o MP2145, pode reduzir a ondulação de saída. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

As fichas técnicas e notas de aplicação dos fornecedores fornecem equações e diretrizes para o dimensionamento dos componentes indutores, capacitores e resistores de amortecimento deste filtro. Eles também identificam parâmetros secundários críticos, tais como resistência CC máxima do indutor (DCR) e corrente de saturação, e resistência série máxima equivalente do capacitor (ESR). Os valores típicos de indutância variam entre 0,22 µH e 1 µH.

A disposição desses componentes também é fundamental para se obter o mais alto desempenho possível. Um layout mal concebido pode resultar em má regulação da linha ou da carga, aumento da ondulação e outros problemas de estabilidade. O capacitor de entrada (Cin) para o MP2145 deve ser colocado o mais próximo possível dos pinos do CI (figura 7).

Figura 7: o capacitor de entrada do MP2145 (Cin aqui, embaixo à direita; e C1 no esquema da figura 5) deve estar o mais próximo possível do pino 8 (o pino de entrada de alimentação) e dos pinos 10/11/12 (os pinos GND de alimentação). (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Os módulos oferecem garantia de desempenho

Os módulos levam a implementação dos reguladores CC/CC para o próximo nível de integração do sistema. Ao fazer isso, eles minimizam ou eliminam preocupações relacionadas à seleção e colocação de componentes externos e fornecem especificações garantidas. Os módulos incorporam componentes adicionais, principalmente o tradicional e um tanto problemático indutor externo. Como tal, eles reduzem os desafios associados ao dimensionamento, colocação e orientação de componentes passivos, todos com impacto sobre a EMC e o desempenho relacionado à ondulação.

Por exemplo, o MPM3833C é um módulo abaixador com MOSFETs de potência e um indutor embutidos, fornecendo até 3 A de corrente permanente de saída a partir de uma tensão de entrada entre 2,75 e 6 volts, juntamente com excelente regulação de carga e linha (figura 8). Somente resistores de realimentação, capacitores de entrada e capacitores de saída são necessários para completar o projeto. O indutor, que geralmente é o componente externo mais difícil de especificar e colocar, é interno ao módulo e, portanto, não torna-se um problema no que diz respeito à localização adequada para minimizar a interferência eletromagnética (EMI) e a ondulação.

Figura 8: o módulo CC/CC MPM3833C inclui o indutor potencialmente problemático em seu projeto e especificações de desempenho. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Este módulo está alojado em um pacote ultrapequeno QFN-18 (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 mm) e tem uma tensão de ondulação de 5 mV (típica). Seu baixo nível de emissões radiadas (EMI) está em conformidade com a Norma EN55022 Classe B, mostrada na figura 9 para condições de V_IN = 5 volts, V_OUT = 1,2 volts, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofarads (pF), a 25 °C.

Figura 9: a ficha técnica do módulo CC/CC MPM3833C mostra que ele cumpre facilmente a Norma EN55022 Classe B para emissões radiadas. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Com as modernas técnicas de microempacotamento, o tamanho total de um módulo é apenas ligeiramente maior ou superior ao do molde interno; um perfil baixo é um parâmetro cada vez mais importante. Considere o MPM3650, um módulo abaixador de energia, síncrono e retificado, totalmente integrado, de 1,2 MHz, com um indutor interno (figura 10). Ele fornece até 6 A de corrente de saída permanente para saídas de 0,6 a 1,8 volts e até 5 A para saídas acima de 1,8 volts, numa ampla faixa de entrada de 2,75 a 17 volts, com excelente regulação de carga e linha. Com seus MOSFETS internos e indutor incorporados, o pacote QFN-24 mede apenas 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Figura 10: O módulo MPM3650 com indutor integrado fornece até 6 A em até 1,8 volts e 5 A acima de 1,8 volts, em um pacote de 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Outro benefício da abordagem modular é que o ruído de ondulação é bem controlado a cerca de 20 mV sem carga, caindo para cerca de 5 mV com uma carga completa de 6 A (Figura 11). Isto significa que em muitos casos não é necessária uma filtragem externa adicional, simplificando assim o projeto, reduzindo a pegada e cortando a lista de materiais (BOM).

Figura 11: O ruído de ondulação para o módulo MPM3650 é especificado em cerca de 20 mV com carga zero e cerca de 5 mV com carga total. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Muitas vezes é útil fazer algum trabalho prático dos módulos reguladores CC/CC para avaliar se seu desempenho estático e dinâmico atende aos requisitos do sistema, mesmo indo além do que é exibido na ficha técnica. Para acelerar este processo, a Monolithic Power Systems oferece a EVM3650-QW-00A, uma placa de avaliação de quatro camadas de 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm para o MPM3650 (figura 12).

Figura 12: usando a placa de avaliação EVM3650-QW-00A, os usuários potenciais do módulo CC/CC MPM3650 podem avaliar rapidamente seu desempenho em sua aplicação. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

A placa de avaliação juntamente com sua ficha técnica serve a múltiplos propósitos. Primeiro, permite ao usuário avaliar facilmente os muitos atributos de desempenho do MPS3650 sob uma ampla gama de condições operacionais, algumas das quais podem não ser óbvias ou exibidas na ficha técnica. Em segundo lugar, a ficha técnica da placa de avaliação contém o esquema completo, BOM e os detalhes do layout da placa, para que os usuários do MPS3650 possam usá-los em seu próprio projeto para reduzir o risco e minimizar a incerteza (figura 13).

Figura 13: o pacote da placa de avaliação EVM3650-QW-00A inclui um esquema completo, BOM e detalhes do layout da placa para reduzir o risco e a incerteza. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

A placa de avaliação oferece aos projetistas uma oportunidade de entender melhor o desempenho do módulo, resultando em um alto nível de confiança no design, juntamente com um tempo mínimo de colocação no mercado.

Há mais um tipo de ruído

Quando os projetistas falam de "ruído", eles quase sempre se referem a alguma manifestação de ruído eletrônico no circuito, como ondulação ou EMI. Entretanto, com os reguladores de chaveamento, há outro tipo potencial de ruído: o ruído acústico. Para os reguladores que operam acima da faixa da audição humana -— geralmente considerada como 20 kHz — tal ruído não será um problema. Entretanto, alguns reguladores de chaveamento operam na faixa de áudio, enquanto outros que operam em frequências muito mais altas caem na faixa de áudio durante períodos ociosos ou de espera para minimizar o consumo de energia.

Este ruído audível é devido a um ou ambos os fenômenos físicos bem conhecidos; o efeito piezoelétrico e o efeito de magnetostrição. No caso do efeito piezoelétrico, as oscilações elétricas do circuito acionadas pelo clock fazem com que componentes como capacitores cerâmicos vibrem em sincronização com o clock de chaveamento à medida que a energia elétrica é transformada em movimento mecânico pelos materiais cristalinos do capacitor. No caso do efeito de magnetostrição, que é algo paralelo ao efeito piezoelétrico, materiais magnéticos, tais como núcleos de indutores ou de transformadores, mudam sua forma e dimensões durante os ciclos de magnetização acionados pelo clock. O capacitor ou indutor/transformador afetado então age como um "amplificador" mecânico e faz com que toda a placa de circuito ressoe, amplificando e transmitindo assim as vibrações audíveis.

Devido a um ou ambos esses efeitos, as pessoas com boa audição frequentemente reclamam que ouvem um zumbido constante e de baixo volume quando estão perto de dispositivos eletrônicos. Observe que este ruído acústico também é às vezes gerado por componentes de circuitos de potência de baixa frequência 50/60 Hz, de modo que mesmo aqueles sem uma boa audição de alta frequência podem ouvir um zumbido.

Lidar com o ruído acústico requer abordagens e técnicas diferentes das utilizadas para a atenuação do ruído eletrônico.

Conclusão

Os LDOs oferecem uma solução sem ou com baixo ruído para o problema de ondulação na trilha CC e EMI, mas geralmente não são uma opção reguladora viável acima de alguns poucos amperes. Os reguladores de chaveamento com filtragem apropriada ou especificamente projetados para desempenho de baixo ruído são uma alternativa.

Os módulos reguladores CC/CC completos que incorporam componentes como o indutor em seu minúsculo pacote oferecem outro conjunto de soluções. Eles reduzem as incertezas de projeto com relação ao layout e seleção de componentes, ao mesmo tempo em que fornecem desempenho de subsistemas totalmente testados e quantificados.

Leitura recomendada

1. "Entendendo as normas de compatibilidade eletromagnética para fontes de alimentação chaveadas"