Xinyu Liang, Manager de Ingeniería de Aplicaciones

Este artículo presenta métodos prácticos para lograr una respuesta transitoria ultrarrápida de fuente de alimentación en aplicaciones inalámbricas y, especialmente, de RF. Su objetivo es resolver el desafío del diseñador del sistema de la baja eficiencia de procesamiento de la señal causada por el período de borrado transitorio de la fuente de alimentación. Se presentan soluciones de ejemplo para diferentes aplicaciones. La familia de potencia monolítica Silent Switcher^® 3 para obtener el mejor rendimiento transitorio es introducida.

Introducción

Las unidades de procesamiento de señales y las unidades de sistema en un chip (SoC) generalmente poseen perfiles transitorios de carga que cambian abruptamente. Esta carga transitoria dará lugar a una perturbación en el voltaje de alimentación que es crítico en aplicaciones de radiofrecuencia (RF), ya que la frecuencia de reloj se verá muy afectada por el voltaje de alimentación variable. Como resultado, los RFSoC generalmente aplican tiempo de borrado durante el transitorio de carga. En las aplicaciones 5G, la calidad de la información está altamente relacionada con este período de borrado durante la transición. Por lo tanto, existe una creciente necesidad de minimizar el efecto transitorio de carga en el lado de la fuente de alimentación para mejorar el rendimiento a nivel de sistema para cualquier sistema RFSoC. Este artículo presentarávarios métodos utilizados en aplicaciones de RF para lograr una respuesta transitoria rápida en un diseño de fuente de alimentación.

Familia Fast Transient Silent Switcher 3 para aplicaciones de RF

Uno de los métodos más sencillos para lograr rieles de potencia transitorios rápidos es seleccionar reguladores que cuenten con un rendimiento transitorio rápido. La familia de circuitos integrados Silent Switcher 3 presenta un ruido de salida de frecuencia excepcionalmente bajo, una respuesta transitoria rápida, bajas emisiones de EMI y una alta eficiencia. Cuenta con un diseño de amplificador de error de rendimiento ultra alto que puede proporcionar una estabilización adicional incluso con una compensación agresiva. La frecuencia máxima de conmutación de 4 MHz permite al CI empujar el ancho de banda del bucle de control al rango medio de cien kHz en un modo de control de corriente máxima de frecuencia fija. Los CI silent Switcher 3 que los diseñadores pueden seleccionar para lograr un rendimiento transitorio rápido se enumeran en la Tabla 1.

La Figura 1 muestra una fuente de alimentación de salida típica de 1 V basada en el LT8625SP para el RFSoC 5G, que necesita una respuesta transitoria rápida y un bajo nivel de ondulación / ruido al mismo tiempo. La carga de 1 V consiste tanto en circuitos relacionados transmitidos / recibidos, como osciladores locales (LOs) y osciladores controlados por voltaje (VCOs). Las cargas transmitidas/recibidas ven un cambio brusco de corriente de carga en la  operación dúplex por división de frecuencia (FDD). Al mismo tiempo, los LOs/VCO ven una carga constante, pero requieren una alta precisión crítica y un bajo nivel de ruido. La característica de alto ancho de banda de LT8625SP permite a los diseñadores alimentar los dos grupos de carga críticos de 1 V desde un solo CI separando la carga dinámica y la carga estática con un segundo inductor (L2). La Figura 2 muestra la respuesta de voltaje de salida con un transitorio de carga dinámica de 4 A a 6 A. La carga dinámica se recupera dentro de 5 μs con menos del 0,8% de voltaje de pico a pico, lo que minimiza el efecto en el lado de carga estática con un voltaje de pico a pico inferior al 0,1%. Este circuito se puede modificar para acomodar otras combinaciones de salida, como 0.8 V y 1.8 V, que pueden suministrar directamente la carga RFSoC sin la etapa del regulador LDO debido al ruido ultra bajo en el rango de baja frecuencia, ondulación de bajo voltaje y respuesta transitoria ultrarrápida.

En el modo dúplex por división de tiempo (TDD), los LOs/VCO críticos para el ruido se cargan y descargan junto con los cambios de modo de transmisión/recepción. Por lo tanto, se puede utilizar un circuito simplificado como se muestra en la Figura 3, ya que todas las cargas se consideran carga dinámica, mientras que se requiere un postfiltrado más crítico para mantener la función de baja ondulación / bajo ruido para los LOs / VCO. Se puede utilizar un condensador de 3 terminales en modo de alimentación para lograr suficiente postfiltrado con una L equivalente minimizada que mantiene un ancho de banda rápido para los transitorios de carga. El condensadorde alimentación junto con los condensadores de salida lateral remota forma dos etapas más del filtro LC, mientras que todas las L provienen de ESL del condensador de 3 terminales, que es muy pequeño y menos dañino para el transitorio de carga. La Figura 3 también ilustra una fácil conexión de teledetección para la familia Silent Switcher 3. Debido a la tecnología única de generación de referencia y retroalimentación, solo se necesita conectar la toma a tierra del condensador de SET (C1) y el pin OUTS al punto de retroalimentación remoto deseado. No se necesitan circuitos de cambio de nivel para esta conexión. La Figura 4 muestra una forma de onda de respuesta transitoria de carga de 1 A con un tiempo de recuperación de <5 μs y una ondulación de voltaje de salida de < 1 mV.

Familia de Silent Switcher 3 para Accionamiento de Señales de Precarga para una Respuesta Transitoria Rápida

En algunos casos, la unidad de procesamiento de señal es potente con suficientes GPIO, y el procesamiento de la señal está bien programado, ya que el evento transitorio se puede conocer con anticipación. Esto suele suceder en algunos diseños de fuentes de alimentación FPGA donde se puede generar la señal de precarga para ayudar a alimentar la respuesta transitoria de la fuente. La Figura 5 muestra un circuito de aplicación típico que utiliza la señal de precarga generada por la FPGA para proporcionar un sesgo antes de que ocurra la transición de carga real para que el LT8625SP pueda tener tiempo adicional para acomodar la perturbación de la carga sin una desviación de V_OUT demasiado grande y un tiempo de recuperación. El circuito de sintonización del GPIO de FPGA a la entrada del inversor se ha omitido ya que la señal de precarga está actuando como una perturbación en la retroalimentación. El nivel se controla para que sea de 35 mV. Además, para evitar el efecto de la señal de precarga en el estado estacionario, se implementa un filtro de paso alto entre la señal de precarga y el OUTS. La Figura 6 muestra una  forma de onda de respuesta transitoria de carga de 1.7 A a 4.2 A. La señal de precarga se aplica a la retroalimentación (OUTS) antes del transitorio de carga real, mientras que se logra un tiempo de recuperación de menos de 5 μs.

Drooping activo en el Circuito para una Recuperación Ultrarrápida Transitoria

En aplicaciones de beamforming, el voltaje de alimentación cambia todo el tiempo para acomodar diferentes niveles de potencia. Como resultado, el requisito de precisión para el voltaje de alimentación suele ser del 5% al 10%. En esta aplicación, la estabilidad es más importante que la precisión del voltaje, ya que un tiempo de recuperación minimizado durante el transitorio de carga maximizará la eficiencia del procesamiento de datos. Un circuito de drooping encaja perfectamente en esta aplicación, ya que el voltaje caído reducirá o incluso eliminará el tiempo de recuperación. La figura 7 muestra el esquema de un circuito caído activo para el LT8627SP. Se ha agregado una resistencia caída adicional entre la entrada negativa (OUTS) del amplificador de error y la salida (VC) para mantener un error de estado estable en el bucle de control de retroalimentación durante el transitorio. El voltaje caído se puede expresar como:

Mientras que ∆V_OUT es la variación de voltaje inicial causada por el transitorio de carga , ∆I_OUT es la corriente transitoria de carga, y g es el pin VC para cambiar la ganancia de corriente. Al diseñar el circuito drooping que se muestra en la Figura 7, se deben tener en cuenta las consideraciones especiales:

• La corriente de drooping no debe exceder el límite de corriente del pin VC. Para la salida del amplificador de error LT8627SP, es apropiado limitar la corriente a menos de 200 μA para evitar la saturación y esto se puede lograr cambiando los valores R7 y R8.
• El voltaje de drooping debe acomodar la capacitancia de salida para que la desviación de voltaje durante el transitorio esté en un nivel similar del voltaje caído para lograr un tiempo de recuperación mínimo durante el transitorio.

La Figura 8 muestra las formas de onda típicas para el circuito mencionado anteriormente durante un transitorio de carga de 1 A a 16 A a 1 A. Vale la pena notar que ahora la velocidad transitoria de carga de 16 A a 1 A ya no está limitada por el ancho de banda sino por el mínimo de tiempo del regulador.

Conclusión

El campo de RF inalámbrico se está volviendo cada vez más dependiente del cálculo y sensible al tiempo de respuesta transitorio debido a la naturaleza crítica de tiempo del procesamiento de señales de alta velocidad. Los ingenieros de diseño de sistemas enfrentan desafíos para aumentar la velocidad de respuesta transitoria de la fuente de alimentación para que se pueda minimizar el tiempo de borrado. La familia Silent Switcher 3 es la próxima generación de reguladores monolíticos optimizados para soluciones transitorias de carga dinámica intensiva y sensibles al ruido en los campos inalámbrico, industrial, de defensa y de atención médica. En función de las condiciones de carga, se pueden aplicar técnicas y circuitos especiales para mejorar aún más la respuesta transitoria.