Come migliorare la potenza e l’integrità del segnale con tecniche di progettazione a basso rumore e basso ripple

Migliorare l’accuratezza e la precisione e ridurre al minimo il rumore è una sfida comune per gli ingegneri che progettano alimentatori per sistemi sensibili al rumore per applicazioni mediche, test e misurazioni e infrastrutture wireless che utilizzano clock, convertitori di dati o amplificatori. Sebbene il termine “rumore” possa significare cose diverse, in questo articolo definirò il rumore come rumore termico a bassa frequenza generato da resistori e transistor nel circuito. È possibile identificare il rumore attraverso una curva spettrale di densità del rumore espresso in microvolt per radice quadrata della frequenza (mV/√Hz) e come rumore di uscita espressa in μV_RMS, in genere su un intervallo specifico da 10 Hz a 100 kHz. Il rumore nell’alimentatore può ridurre le prestazioni del convertitore analogico-digitale e introdurre jitter del clock.

La configurazione tradizionale per alimentare un generatore di clock, un convertitore di dati o un amplificatore prevede l’utilizzo di un convertitore (o modulo) DC/DC, seguito da un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) come i modelli TPS7A94, TPS7A82, TPS7A84, TPS7A52, TPS7A53 o TPS7A54, seguito a sua volta da un filtro con perline di ferrite, come mostrato in Figura 1. Questo approccio progettuale riduce al minimo sia il rumore che l’ondulazione provenienti dall’alimentatore e funziona bene per correnti di carico inferiori a circa 2 A. All’aumentare dei carichi, tuttavia, la perdita di potenza nell’LDO introduce problemi di efficienza e gestione termica; ad esempio, un LDO post-regolazione può aggiungere 1,5 W di perdita di potenza in una tipica applicazione front-end analogica.

Utilizzo di un convertitore o modulo buck a basso rumore al posto di un LDO

È un modo per tenere sotto controllo la perdita di potenza è ridurre al minimo le interruzioni attraverso l’LDO. Tuttavia, questo approccio avrà un impatto negativo sulle prestazioni acustiche. Inoltre, gli LDO a corrente più elevata sono generalmente più grandi, il che può aumentare l’ingombro e i costi di progettazione. Un modo più efficace per garantire un basso rumore controllando al tempo stesso la perdita di potenza consiste nell’eliminare del tutto l’LDO dal progetto e utilizzare un convertitore o modulo buck DC/DC a basso rumore, come mostrato nella Figura 2.

So cosa state pensando: in che modo la rimozione del dispositivo principale che riduce il rumore fornisce comunque un’alimentazione a basso rumore? Molti LDO dispongono di un filtro passa-basso con  bandgap per ridurre al minimo il rumore nell’amplificatore di errore. La famiglia di convertitori buck a basso rumore TPS62912 e TPS62913, così come i moduli TPSM82912 e TPSM82913, implementano un pin di riduzione del rumore/soft-start per collegare un condensatore, formando un filtro passa-banda resistore-condensatore che utilizza la resistenza integrata  R_f  e il condensatore C_NR/SS collegato esternamente, come mostrato nella Figura 3.

Questa implementazione imita essenzialmente il comportamento del filtro passa-basso con bandgap in un LDO. Se è comunque necessario un rumore inferiore a quello fornito da TPS62913 o TPSM82913, è possibile utilizzare un LDO a basso rumore come il modello TPS7A94 con dropout ridotto, minore dissipazione di potenza e ottenere comunque un rumore estremamente basso. Ciò è spiegato più dettagliatamente nell’App Brief SBVA099.

E l’ondulazione della tensione di uscita?

Ogni convertitore DC/DC genera un’ondulazione della tensione di uscita alla sua frequenza di commutazione. I sistemi analogici sensibili al rumore necessitano di un’alimentazione con una bassa ondulazione per ridurre al minimo le frequenze spurie nello spettro che in genere dipendono dalla frequenza di commutazione del convertitore DC/DC, dal valore dell’induttore, dalla capacità di uscita, dalla resistenza e dall’induttanza serie equivalente. Per mitigare l’ondulazione di questi componenti, gli ingegneri utilizzano spesso un LDO e/o una piccola sfera di ferrite e condensatori per creare un filtro pi-greco per ridurre al minimo l’ondulazione sul carico. Un convertitore buck a basso ripple come i modelli TPS62912 e TPS62913, nonché il modulo TPSM82913, sfruttano questo filtro in ferrite integrando la compensazione della stessa ferrite e fornendo feedback di rilevamento remoto.

Conclusione

Integrando funzionalità che attenuano il rumore e l’ondulazione del sistema, i convertitori buck a basso rumore possono aiutare gli ingegneri a ottenere una soluzione di alimentazione a basso rumore senza la necessità di un LDO. Naturalmente, i livelli di rumore richiesti dalle diverse applicazioni varieranno, così come le prestazioni per diverse tensioni di uscita; la scelta della migliore architettura a basso rumore va quindi effettuata dal progettista. In ogni caso l’utilizzo di un convertitore buck a basso rumore è sicuramente una valida scelta per la progettazione di alimentatori analogici sensibili al rumore, per ridurre le perdite di potenza e l’ingombro complessivo.

Risorse addizionali

• Note applicative:
  • “Powering Sensitive ADC Designs with the TPS62913 Low-Ripple and Low-Noise Buck Converter.“
  • “Powering the AFE7920 with the TPS62913 Low-Ripple and Low-Noise Buck Converter.”
• Articolo tecnico con maggiori dettagli sul contributo del ripple della tensione di uscita quando si utilizza un convertitore DC/DC “Understanding and managing buck regulator output ripple.”
• Video didattico con ulteriori ulteriori informazioni sulla riduzione del rumore e dell’ondulazione con TPS62913 e TPS62913 “Low ripple & Low Iq DC/DC point-of-load buck converters.”
• White paper che illustra ulteriori modi per ridurre l’ondulazione della tensione di uscita di un convertitore buck “Low-noise and low-ripple techniques for a high-efficiency, low-loss supply without an LDO”.

Steven Schnier è Buck Switching Regulators-Mid Voltage Products System Engineer presso Texas Instruments.