Comment utiliser de petits convertisseurs CC/CC modulaires pour minimiser le bruit des rails d'alimentation

Le bruit est un facteur inhérent et généralement inévitable dans presque toutes les conceptions de systèmes. Si une partie du bruit provient de sources externes et ne relève pas directement du contrôle du concepteur du circuit, une partie est également générée par le circuit lui-même. Dans de nombreux cas, il est essentiel que le concepteur minimise les sources de bruit — en particulier le bruit sur les rails d'alimentation — car il peut affecter les circuits analogiques et numériques sensibles.

Il peut en résulter des performances de circuit irrégulières, une résolution et une précision réduites, et, au mieux, un taux d'erreur sur les bits (TEB) plus élevé. Dans le pire des cas, le bruit peut entraîner un dysfonctionnement total du système ou des problèmes de performances fréquents ou intermittents, tous les deux difficiles à corriger.

Les régulateurs CC/CC à découpage et leurs rails de sortie posent deux problèmes majeurs de bruit : l'ondulation et le bruit rayonné. Le bruit généré dans un circuit est soumis à la réglementation sur la compatibilité électromagnétique (CEM) et doit être inférieur aux niveaux spécifiés dans les différentes bandes de fréquences.

Le défi pour les concepteurs est de comprendre le bruit généré en interne et son origine, et de l'éliminer ou de l'atténuer. Cet article utilise les régulateurs CC/CC de Monolithic Power Systems, Inc. pour discuter des moyens de minimiser les problèmes de bruit des régulateurs.

Commencer avec la source et le type de bruit

Le bruit le plus facile à observer et qui affecte directement les performances du circuit est l'ondulation à la fréquence de commutation. Cette ondulation est généralement de l'ordre de 10 à 20 millivolts (mV) (Figure 1). Bien qu'elle ne soit pas de nature aléatoire, il s'agit néanmoins d'une manifestation du bruit ayant des répercussions sur les performances du système. Le niveau en millivolts d'une telle ondulation n'est généralement pas un problème pour les circuits intégrés numériques à plus haute tension fonctionnant avec des rails à 5 volts (V) et plus, mais il peut être un problème pour les circuits numériques à plus basse tension fonctionnant en dessous de 3 V. L'ondulation sur les rails d'alimentation est également un problème majeur avec les circuits et les composants analogiques de précision. C'est pourquoi la spécification du taux de réjection de l'alimentation (PSRR) pour ces dispositifs est critique.

Figure 1 : L'ondulation sur le rail CC, résultat de l'action de commutation du régulateur, peut affecter les performances de base d'un circuit ou les résultats de précision. (Source de l'image : Monolithic Power Systems, Inc.)

L'action de commutation d'un régulateur CC/CC peut également générer un bruit de radiofréquence (RF). Même si les millivolts d'ondulation sur le rail CC sont tolérables, il y a aussi la question des émissions électromagnétiques qui compromettent la compatibilité électromagnétique. Ce bruit a une fréquence fondamentale connue, comprise entre quelques kilohertz et plusieurs mégahertz (MHz) selon le convertisseur à découpage, et il a également de nombreuses harmoniques.

Les normes réglementaires liées à la compatibilité électromagnétique les plus fréquemment citées incluent les normes CISPR 22 et CISPR 32, « Appareils de traitement de l'information - Caractéristiques des perturbations radioélectriques - Limites et méthodes de mesure » (CISPR signifie « Comité international spécial des perturbations radioélectriques »). Il y a également la norme européenne EN 55022, dérivée principalement de la norme de produit CISPR 22, avec des tests effectués dans des conditions soigneusement définies.

La norme CISPR 22 a été adoptée par la plupart des membres de la Communauté européenne. Bien que les normes CISPR 22 et FCC partie 15 aux États-Unis aient été conçues pour être relativement harmonieuses, il existe certaines différences. La norme CISPR 22/EN 55022 a été « absorbée » par la norme CISPR 32/EN 55032, une nouvelle norme de gammes de produits pour les équipements multimédias (MME) qui est considérée comme une norme harmonisée conformément à la directive CEM.

Les équipements principalement destinés à être utilisés dans un environnement résidentiel doivent respecter les limites de classe B, tous les autres équipements étant conformes à la classe A (Figure 2). Les produits conçus pour les marchés nord-américains doivent respecter les limites de rayonnements non intentionnels énoncées dans la section 15.109 de la Commission fédérale des communications FCC (Federal Communications Commission), partie 15, sous-partie B. Ainsi, même si le bruit électrique rayonné d'un régulateur CC n'affecte pas le produit lui-même, ce bruit peut néanmoins être inacceptable en termes de conformité aux différentes exigences réglementaires.

Figure 2 : Graphique de la norme CISPR 32/EN 55032 qui définit les limites d'émission en fonction de la fréquence pour diverses classes de produits grand public. (Source de l'image : Academy of EMC, "EMC Standards")

La gestion des problèmes liés à la compatibilité électromagnétique est un sujet complexe qui n'a pas de solution simple. Entre autres choses, la mesure et les limites admissibles de ces émissions sont fonction de la fréquence de fonctionnement du circuit, de la distance, du niveau de puissance et de la classe d'application. Pour ces raisons, il est judicieux d'explorer les nombreuses ressources techniques et peut-être même de se tourner vers des consultants qui peuvent fournir des conseils et une expertise.

Cela dit, les concepteurs disposent de trois stratégies de base pour minimiser le bruit afin d'éviter les problèmes de performances des circuits et de respecter la réglementation appropriée en matière de bruit :

• Utiliser un régulateur à faible chute de tension (LDO).
• Ajouter un filtrage externe à un régulateur à découpage pour réduire le bruit perçu par la charge sur les rails CC.
• Choisir un module de régulateur à découpage qui intègre les composants qui sont autrement externes au circuit intégré du régulateur, tels que des inductances ou des condensateurs. Le module résultant est conçu et garanti pour fournir des rails à faible bruit, n'exigeant que peu ou pas de filtrage externe.

Commencer avec le LDO

Comme l'architecture LDO n'a pas d'horloge ni de commutation, elle se caractérise par un faible bruit CEM et une absence d'ondulation du rail de sortie. Des centaines de millions de LDO sont utilisés chaque année. Lorsqu'elle est appliquée à une conception appropriée, elle peut constituer une solution efficace.

Par exemple, le régulateur LDO MP20075 de Monolithic Power Systems cible spécifiquement les terminaisons de bus actives pour la mémoire vive dynamique synchrone (SDRAM) à double débit de données (DDR) 2/3/3L/4 (Figure 3). Ce LDO est fourni en boîtier MSOP à 8 broches et peut absorber et générer jusqu'à 3 ampères (A) à une tension réglable par l'utilisateur entre 1,05 V et 3,6 V, et il présente une tension de suivi V_REF/2 de précision pour une terminaison précise.

Figure 3 : Le LDO MP20075 peut absorber ou générer jusqu'à 3 A et il est optimisé pour les besoins de terminaison de diverses classes de SRAM DDR. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Le diviseur intégré du MP20075 suit la tension de référence (REF) pour garantir des tensions de sortie VTT et VTTREF précises, tandis que la détection Kelvin lui permet d'atteindre une précision de ±30 mV pour VTT et de ±18 mV pour VTTREF. De plus, comme pour la plupart des LDO, la topologie en boucle fermée uniquement analogique permet une réponse très rapide aux transitoires de charge de sortie, de l'ordre de quelques microsecondes seulement (Figure 4). Une telle réponse transitoire est souvent critique dans les circuits haute vitesse tels que les terminaisons SRAM DDR pour lesquelles ce LDO est conçu.

Figure 4 : La conception en boucle fermée analogique du LDO lui permet de répondre très rapidement aux exigences de transitoires de charge ; de telles performances sont nécessaires pour des applications telles que les terminaisons SRAM DDR. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Malgré ses caractéristiques intrinsèques de faible bruit et de facilité d'utilisation, le régulateur LDO présente des limites. Tout d'abord, il est beaucoup moins efficace qu'un régulateur à découpage, ce qui pose deux problèmes évidents : la chaleur qu'il dissipe s'ajoute à la charge thermique du système, et le rendement réduit a un impact sur la durée de fonctionnement des dispositifs portables fonctionnant sur batterie. Pour ces raisons, les LDO sont le plus souvent utilisés pour des courants de sortie d'environ 1 A à 3 A (comme illustré par le MP20075) car la « pénalité » de rendement devient souvent excessive au-delà de cette valeur.

Il existe une autre limitation inhérente aux régulateurs LDO : ils ne peuvent fournir qu'une régulation de type abaisseur et ne peuvent pas élever une alimentation CC d'entrée non régulée au-dessus de sa valeur nominale. Si une sortie en mode élévateur est nécessaire, le LDO est automatiquement écarté comme option de régulateur CC/CC.

Affiner la configuration, ajouter quelques filtres

Lorsqu'un régulateur à découpage est utilisé, que ce soit en mode élévateur ou abaisseur, son action de commutation est une source inhérente et inévitable de bruit. L'ajout d'un filtrage de sortie supplémentaire est plus facile lorsque le régulateur fonctionne à une fréquence fixe. Prenons l'exemple du MP2145, un régulateur à découpage abaisseur synchrone de 5,5 V et 6 A, en boîtier QFN à 12 sorties de 2 millimètres (mm) × 3 mm, avec des MOSFET intégrés de 20 milliohms (mΩ) et 12 mΩ (Figure 5).

Figure 5 : Le MP2145, un régulateur à découpage abaisseur synchrone de 5,5 V et 6 A, intègre des MOSFET de 20 mΩ et 12 mΩ dans un boîtier QFN de 2 mm × 3 mm. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Un convertisseur abaisseur synchrone tel que le MP2145 se compose d'un condensateur d'entrée C_IN, de deux commutateurs (S1 et S2) avec leurs diodes de substrat, d'une inductance de puissance de stockage d'énergie (L) et de condensateurs de sortie (C_OUT). Les condensateurs de sortie (C_OUT) sont placés à la sortie pour lisser la tension de sortie en régime permanent. Ils forment un filtre de premier étage et réduisent l'ondulation de tension de sortie en fournissant un chemin à faible impédance pour que les composants de tension haute fréquence retournent à la terre.Typiquement, un tel condensateur de sortie shunt peut réduire efficacement l'ondulation de la tension de sortie à 1 mV.

Pour réduire davantage l'ondulation de tension de sortie, un filtre de sortie de deuxième étage est nécessaire, avec un filtre inductance-condensateur (LC) en cascade sur les condensateurs de sortie du premier étage (Figure 6). L'inductance de filtrage (L_f) est résistive dans la gamme de hautes fréquences prévue et dissipe l'énergie du bruit sous forme de chaleur. L'inductance se combine avec des condensateurs shunt supplémentaires pour former un circuit de filtrage LC passe-bas.

Figure 6 : L'ajout d'un filtre LC de deuxième étage à la sortie d'un régulateur à découpage tel que le MP2145 peut réduire l'ondulation de sortie. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Les fiches techniques et les notes d'application des fournisseurs présentent des équations et des consignes pour le dimensionnement des composants d'inductance, de condensateur et de résistance d'amortissement de ce filtre. Elles identifient également les paramètres secondaires critiques tels que le courant de saturation et la résistance en courant continu (DCR) maximum de l'inductance, ainsi que la résistance série équivalente (ESR) maximum du condensateur. Les valeurs d'inductance typiques sont comprises entre 0,22 microhenry (µH) et 1 µH.

La disposition de ces composants est également essentielle pour obtenir les meilleures performances possibles. Une disposition mal conçue peut entraîner une mauvaise régulation de ligne ou de charge, une ondulation accrue et d'autres problèmes de stabilité. Le condensateur d'entrée (Cin) pour le MP2145 doit être placé aussi près que possible des broches du circuit intégré (Figure 7).

Figure 7 : Le condensateur d'entrée du MP2145 (Cin ici, en bas à droite ; et C1 dans le schéma de la Figure 5) doit être aussi près que possible de la broche 8 (la broche d'entrée d'alimentation) et des broches 10/11/12 (les broches GND d'alimentation). (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Les modules offrent une garantie de performances

Les modules font passer la mise en œuvre des régulateurs CC/CC au niveau supérieur en matière d'intégration du système. Ce faisant, ils minimisent ou éliminent les préoccupations liées à la sélection et au placement des composants externes et fournissent des spécifications garanties. Les modules intègrent des composants supplémentaires, principalement la traditionnelle et quelque peu problématique inductance externe. Ainsi, ils réduisent les défis liés au dimensionnement, au placement et à l'orientation des composants passifs, qui ont tous un impact sur la compatibilité électromagnétique et l'ondulation.

Par exemple, le MPM3833C est un module abaisseur avec des MOSFET de puissance et une inductance intégrés, délivrant jusqu'à 3 A de courant de sortie continu à partir d'une tension d'entrée comprise entre 2,75 V et 6 V, ainsi qu'une excellente régulation de charge et de ligne (Figure 8). Seuls des résistances de contre-réaction, des condensateurs d'entrée et des condensateurs de sortie sont nécessaires pour compléter la conception. L'inductance, qui est généralement le composant externe le plus difficile à spécifier et à placer, est interne au module et ne pose donc aucun problème quant à son emplacement correct pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI) et l'ondulation.

Figure 8 : Le module CC/CC MPM3833C inclut l'inductance potentiellement problématique dans ses spécifications de conception et de performances. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Ce module est fourni en boîtier QFN-18 ultra-compact (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 mm) et présente une tension d'ondulation de 5 mV (typique). Son faible niveau d'émissions rayonnées (EMI) est conforme à la norme EN55022 Classe B, illustrée à la Figure 9 en conditions de V_IN = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofarads (pF), à 25°C.

Figure 9 : La fiche technique du module CC/CC MPM3833C montre qu'il répond facilement à la norme EN55022 Classe B pour les émissions rayonnées. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Avec les techniques modernes de micro-conditionnement, la taille globale d'un module n'est que légèrement supérieure à celle de la puce interne ; un profil extra-plat est un paramètre de plus en plus important. Prenons l'exemple du MPM3650, un module d'alimentation abaisseur synchrone redressé de 1,2 MHz entièrement intégré, doté d'une inductance interne (Figure 10). Il fournit jusqu'à 6 A de courant de sortie continu pour les sorties de 0,6 V à 1,8 V et jusqu'à 5 A pour les sorties supérieures à 1,8 V, sur une large plage d'entrée de 2,75 V à 17 V, avec une excellente régulation de charge et de ligne. Avec ses MOSFET internes et son inductance intégrée, le boîtier QFN-24 ne mesure que 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Figure 10 : Le module MPM3650 avec inductance intégrée délivre 6 A jusqu'à 1,8 V et 5 A au-dessus de 1,8 V, dans un boîtier mesurant 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Un autre avantage de l'approche modulaire est que le bruit d'ondulation est bien contrôlé à environ 20 mV sans charge, tombant à environ 5 mV à une charge complète de 6 A (Figure 11). Cela signifie qu'un filtrage externe supplémentaire n'est pas nécessaire dans de nombreux cas, ce qui simplifie la conception, diminue l'encombrement et réduit la nomenclature (BOM).

Figure 11 : Le bruit d'ondulation pour le module MPM3650 est spécifié à environ 20 mV à charge nulle et à environ 5 mV à pleine charge. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Il est souvent utile d'effectuer des travaux pratiques sur les modules de régulateurs CC/CC pour évaluer si leurs performances statiques et dynamiques répondent aux exigences du système, même au-delà de ce qui est spécifié sur la fiche technique. Pour accélérer ce processus, Monolithic Power Systems propose l'EVM3650-QW-00A, une carte d'évaluation à quatre couches mesurant 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm pour le MPM3650 (Figure 12).

Figure 12 : En utilisant la carte d'évaluation EVM3650-QW-00A, les utilisateurs potentiels du module CC/CC MPM3650 peuvent rapidement évaluer ses performances dans leur application. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

La carte d'évaluation et sa fiche technique servent à plusieurs fins. Tout d'abord, la carte permet à l'utilisateur d'évaluer facilement les nombreux attributs de performances du MPS3650 dans une large gamme de conditions de fonctionnement, dont certaines ne sont pas forcément évidentes ou mentionnées dans la fiche technique. Ensuite, la fiche technique de la carte d'évaluation contient le schéma complet, la nomenclature et les détails de configuration de la carte, de sorte que les utilisateurs du MPS3650 peuvent les utiliser dans leur propre conception pour réduire les risques et minimiser les incertitudes (Figure 13).

Figure 13 : Le pack de la carte d'évaluation EVM3650-QW-00A inclut le schéma complet, la nomenclature et les détails de configuration de la carte afin de réduire les risques et les incertitudes. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

La carte d'évaluation offre aux concepteurs la possibilité de mieux comprendre les performances du module, ce qui se traduit par un haut niveau de confiance d'intégration et une réduction des délais de mise sur le marché.

Un autre type de bruit

Lorsque les concepteurs parlent de « bruit », ils font presque toujours référence à une manifestation du bruit électronique dans le circuit, comme l'ondulation ou les interférences électromagnétiques. Cependant, avec les régulateurs à découpage, il existe un autre type de bruit potentiel : le bruit acoustique. Pour les régulateurs fonctionnant au-dessus de la plage d'audition humaine — généralement évaluée à 20 kHz — un tel bruit ne sera pas un problème. Cependant, certains régulateurs à découpage fonctionnent dans la plage audible, tandis que d'autres, qui fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées, descendent dans la plage audible pendant les périodes de repos ou de veille afin de minimiser la consommation d'énergie.

Ce bruit audible est dû à l'un ou aux deux phénomènes physiques bien connus : l'effet piézoélectrique et l'effet magnétostrictif. Dans le cas de l'effet piézoélectrique, les oscillations électriques commandées par l'horloge du circuit font vibrer les composants tels que des condensateurs en céramique en synchronisation avec l'horloge de commutation, l'énergie électrique étant transformée en mouvement mécanique par les matériaux cristallins du condensateur. Dans le cas de l'effet magnétostrictif, qui est quelque peu parallèle à l'effet piézoélectrique, les matériaux magnétiques, tels que les noyaux d'inductance ou de transformateur, changent de forme et de dimensions pendant les cycles de magnétisation commandés par l'horloge. Le condensateur ou l'inductance/le transformateur affecté agit alors comme un « circuit d'attaque » mécanique et fait résonner l'ensemble du circuit imprimé, amplifiant et diffusant ainsi les vibrations audibles.

En raison de l'un de ces effets ou des deux, les personnes ayant une bonne audition se plaignent souvent d'entendre un bourdonnement bas volume constant lorsqu'elles sont à proximité de dispositifs électroniques. Notez que ce bruit acoustique est aussi parfois généré par les composants des circuits d'alimentation 50/60 Hz basse fréquence, de sorte que même les personnes n'ayant pas une bonne audition des plus hautes fréquences peuvent entendre un bourdonnement.

Le traitement du bruit acoustique nécessite des approches et des techniques différentes de celles utilisées pour l'atténuation du bruit électronique.

Conclusion

Les régulateurs LDO offrent une solution à bruit nul ou à faible bruit au problème d'interférences électromagnétiques et d'ondulation de rail CC, mais ils ne constituent généralement pas une option de régulateur viable au-delà de quelques ampères. Les régulateurs à découpage avec un filtrage approprié ou les régulateurs spécialement conçus pour des performances à faible bruit sont une alternative.

Les modules de régulateurs CC/CC complets, qui intègrent des composants tels qu'une inductance dans leur boîtier compact, offrent un autre ensemble de solutions. Ils réduisent les incertitudes de conception en matière de configuration et de sélection des composants, tout en fournissant des performances de sous-système entièrement testées et quantifiées.

Lecture recommandée

1. "Understanding Electromagnetic Compatibility Standards for Switch-Mode Power Supplies"