Silenciamento de aplicações ruidosas com os reguladores Silent Switcher μModule® da ADI

Não existe silêncio numa aplicação eletrônica sensível — literalmente, isso nunca acontece. Isto porque é praticamente impossível eliminar todo o ruído de interferência electromagnética (EMI) das fontes de alimentação. As diferentes abordagens de conceção para atenuar este problema implicam frequentemente soluções de compromisso que podem criar uma maior complexidade.

Os engenheiros esforçam-se por reduzir a EMI em aplicações sensíveis ao ruído, como fontes de alimentação de radiofrequência (amplificadores), conversores de dados de alta velocidade, instrumentação sensível e sistemas de diagnóstico e imagiologia médica. Normalmente, isso significa aumentar o número de componentes, blindagens e filtros adicionais, o que pode aumentar a complexidade, o custo, o tamanho e o peso.

As fontes de alimentação chaveadas (SMPS) e os conversores eletrônicos são uma das principais causas de EMI, complicando o projeto de muitas aplicações em sistemas automotivos, eletrônica de consumo, automação industrial e telecomunicações.

O chaveamento rápido minimiza a perda de energia em conversores CC-CC, bem como em retificadores CA-CC, inversores CC-CA e conversores CA-CA. No entanto, tem o custo de gerar energia de alta frequência e transientes que podem causar condução e radiação EMI.

A EMI pode degradar o desempenho do sistema, interferir com as frequências de rádio, provocar o mau funcionamento de componentes e impedir o funcionamento de dispositivos críticos, como marca-passos e sistemas de segurança automotiva. Uma das principais causas de EMI nesses sistemas é a corrente de modo comum que flui no mesmo sentido por dois ou mais condutores, o que induz campos magnéticos.

Muitas — se não a maioria — das aplicações eletrônicas nos EUA têm de cumprir os regulamentos da Comissão Federal de Comunicações, Parte 15, concebidos para evitar interferências prejudiciais, incluindo de dispositivos sem RF. As aplicações industriais e de comunicações internacionais devem estar conforme a norma CISPR 22 Classe B e as aplicações automotivas com as normas internacionais CISPR 25. Outras regiões geográficas têm certificações de conformidade semelhantes.

Os testes de EMI ocorrem frequentemente numa fase tardia do ciclo de projeto, logo os problemas e as ações corretivas podem conduzir a atrasos dispendiosos nos produtos. Pior ainda, se os problemas de EMI forem descobertos em campo, podem ser mais difíceis de identificar e exigir esforços de correção dispendiosos.

Podem ser utilizados vários tipos de componentes para combater a EMI. Os reguladores lineares de baixa queda de tensão (LDO) são uma abordagem convencional e de baixo custo para proteger as cargas adiante dos transientes de tensão e do ruído da fonte de alimentação. No entanto, podem resultar em soluções volumosas e, muitas vezes, não possuem as caraterísticas de proteção necessárias.

Os LDOs mais avançados com elevada razão de rejeição à fonte de alimentação (PSRR) melhoram a supressão de ruído, mas não melhoram diretamente a eficiência ou o desempenho térmico. Utilizados em conjunto com reguladores de chaveamento, podem combinar alta eficiência com pouco ruído.

Os projetistas podem também concentrar os seus esforços no layout da PCI para minimizar as áreas de malha que propagam a EMI e separar os circuitos sensíveis dos ruidosos. Outra abordagem frequentemente complementar consiste em isolar ou envolver os componentes com materiais de blindagem EMI, como metais e ligas metálicas. Podem também ser utilizados amplificadores de pouco ruído.

Cada uma destas técnicas de redução de EMI, frequentemente utilizadas em conjunto, aumenta a complexidade do projeto, deixando os desenvolvedores à procura de simplificação.

Simplificação dos problemas de EMI no projeto

O crescimento das aplicações que dependem de projetos de SMPS está superando a quantidade de projetistas qualificados para cumprir os rigorosos requisitos de EMI. Muitos projetistas digitais são solicitados a preencher as lacunas de habilidades causadas pela falta de projetistas de fontes de alimentação analógicas. Esta tendência, combinada com a crescente complexidade do projeto SMPS, assinala a necessidade de uma maior integração dos componentes SMPS para simplificar os processos.

A Analog Devices, Inc. (ADI) passou a simplificar os desafios de EMI nos projetos com a introdução da sua tecnologia Silent Switcher^® em 2015. O seu objetivo era otimizar as técnicas de chaveamento, simplificando simultaneamente o projeto da placa de circuito impresso (PCI). Os dispositivos Silent Switcher de primeira geração, como o LT8640, reduziram a resistência parasita utilizando o encapsulamento flip-chip com pilar de cobre, em vez de ligações de fio para conectar as pastilhas ao substrato. Incorporaram também uma força propulsora concebida para melhorar a eficiência em alta frequência.

Esses dispositivos de primeira geração também dividiam malhas energizadas de alta corrente em malhas duplas com fluxos opostos que cancelavam a EMI propagada. Uma única e grande malha energizada tem elementos parasitas de valor elevado e fortes campos magnéticos que podem contribuir para a EMI sob a forma de radiação. Os dispositivos Silent Switcher também incorporam acionadores de comutação interna para minimizar a perda de chaveamento de potência.

Em 2017, a ADI introduziu um conversor buck síncrono monolítico de baixa EMI baseado numa arquitetura Silent Switcher 2. Nesta geração, dispositivos como o LT8640S-2 reduziram a dependência de componentes externos, integrando capacitores, malhas energizadas e um plano-terra em um novo invólucro LQFN. Isto permitiu soluções de menor dimensão e eliminou a sensibilidade do layout da PCI para um melhor desempenho contra EMI. Além disso, os dispositivos Silent Switcher 2 incluem mais pilares de cobre e grandes pads expostos, aumentando o desempenho térmico e a eficiência.

Em 2021, a ADI introduziu uma arquitetura Silent Switcher 3 atualizada com o regulador abaixador síncrono LT8627SP, que apresenta um desempenho de ruído baixíssimo em baixa frequência, uma resposta transitória ultrarrápida e uma elevada eficiência em altas frequências de chaveamento, além de manter uma EMI baixíssima. Também fornece uma pastilha com parte superior exposta para anexar opcionalmente um dissipador térmico a fim de acomodar aplicações de alta temperatura ambiente.

Reguladores Silent Switcher 3 µModule

A tecnologia Silent Switcher 3 agora está disponível nas soluções de energia de componente no pacote (COP), altamente integradas µModule® da ADI. Este encapsulamento proporciona um melhor desempenho térmico e poupa ainda mais no tamanho total da solução, permitindo soluções de alimentação pequenas, eficientes e confiáveis.

Outros benefícios importantes dos reguladores µModule incluem a economia de tempo e a redução do esforço necessários para projetar, testar e qualificar os reguladores CC/CC. A ADI integra o controlador, os MOSFETs de potência, o indutor e outros componentes de apoio num único invólucro compacto. Podem ser utilizados como uma solução de energia para uma vasta gama de aplicações de telecomunicações, redes e equipamento industrial, fontes de alimentação RF, instrumentação de pouco ruído e conversores de dados de alta velocidade e alta precisão.

O LTM4702 (Figura 1) é um regulador μModule completo, abaixador de 8 A, num invólucro BGA ultracompacto de 6,25 mm × 6,25 mm × 5,07 mm, com incorporação do CI regulador baseado num comutador silencioso para baixa EMI e alta eficiência. Funciona numa faixa de tensões de entrada de 3 V a 16 V e suporta uma tensão de saída de 0,3 V a 5,7 V.

Figura 1: O μModule LTM4702 da ADI integra um controlador, MOSFETs de potência, indutor e outros componentes de suporte para conversor buck num invólucro compacto melhorado. Alivia a necessidade de pós LDOs em aplicações sensíveis ao ruído. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Vários LTM4702s podem ser operados em paralelo para produzir correntes de saída mais altas. Um máximo de 12 fases pode ser colocado em paralelo para funcionar simultaneamente fora de fase, programando o pino PHMODE de cada LTM4702 para diferentes níveis de tensão.

Além disso, o regulador de chaveamento síncrono LTM4702 apresenta uma característica excepcional do ruído de saída em baixa frequência (10 Hz a 100 kHz). É altamente adequado para aplicações de alta corrente e sensíveis ao ruído. O dispositivo utiliza uma arquitetura PWM de frequência constante que pode ser programada para comutar entre 300 kHz e 3 MHz, utilizando um resistor ligado do pino RT ao ponto terra.

Um único resistor ajusta a tensão de saída do LTM4702 para fornecer ganho unitário na realimentação da tensão de saída e ruído de saída praticamente constante, independente da tensão de saída. Para a maioria das aplicações sensíveis ao ruído, o LTM4702 elimina a necessidade de LDOs de pós-regulação e filtros LC, sendo apenas necessários capacitores de entrada e saída para completar o projeto.

A placa de teste EVAL-LTM4702-AZ (Figura 2) está disponível para configurar e avaliar o desempenho do LTM4702.

Figura 2: A placa de teste EVAL-LTM4702-AZ da ADI fornece aos projetistas um conversor abaixador de chaveamento CC/CC para avaliar o desempenho do LTM4702. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O LTM8080 (Figura 3) é um dispositivo de 40 V_IN, duplo de 500 mA ou único de 1 A que integra reguladores LDO duplos de PSRR muito elevadas com um regulador CC/CC de comutação silenciosa, separados por uma proteção EMI integrada num invólucro BGA sobre-moldado e aprimorado termicamente de 9 mm × 6,25 mm × 3,32 mm. Suporta uma faixa de frequências de chaveamento de 200 kHz a 2,2 MHz e uma faixa de tensões de saída de 0 V a 8 V.

Figura 3: O μModule LTM8080 da ADI integra LDOs duplos, juntamente com um regulador CC/CC de comutação silenciosa com uma proteção EMI entre eles num invólucro compacto. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O regulador de chaveamento front-end é uma fonte de alimentação CC/CC chaveada e abaixadora, não isolada, que pode fornecer até 1,5 A de corrente contínua. Os reguladores lineares LDO de back-end utilizam a arquitetura de baixíssimo ruído da ADI (2 nV/√Hz a 10 kHz) e PSRR muito elevada (76 dB a 1 MHz). As saídas LDO podem ser colocadas em paralelo para  aumentar a corrente de saída

Os projetistas podem usar o circuito de demonstração DC3071A (Figura 4), que tem uma ampla faixa operacional de 4 V a 40 V para avaliar o LTM8080.

Figura 4: O circuito de demonstração DC3071A inclui um μModule LTM8080 com duas saídas, cada uma das quais é uma saída ajustável de 3,3 V/0,5 A. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Conclusão

Os reguladores Silent Switcher μModule da ADI fornecem uma solução robusta para os desafios da EMI em aplicações eletrônicas sensíveis ao ruído. Ao integrar a tecnologia de ponta Silent Switcher 3 em projetos de sistema no pacote, altamente compactos e eficientes, estes reguladores μModule simplificam o projeto, melhoram o desempenho térmico e eliminam a necessidade de pós-reguladores LDO na maioria das situações.

Desde conversores de dados de alta velocidade e sistemas RF até à imagiologia médica e equipamento industrial, estes reguladores μModule permitem aos engenheiros obter um ruído baixíssimo e uma elevada eficiência sem a complexidade acrescida dos métodos tradicionais de redução de EMI. Com produtos como o LTM4702 e o LTM8080, a Analog Devices continua a liderar a oferta de soluções inovadoras que satisfazem as rigorosas exigências da eletrônica moderna, assegurando um desempenho confiável, mesmo nas aplicações mais críticas em termos de ruído