Historiquement, les alimentations à découpage ont été trop bruyantes pour les convertisseurs A/D sensibles au bruit, nécessitant un régulateur LDO séparé. Les avancées récentes dans la technologie SMPS ont réduit les émissions EMI et le voltage d’ondulation de sortie, permettant à un seul appareil SMPS avec des techniques de suppression de bruit d’être placé à proximité de dispositifs sensibles au bruit sans affecter le rapport signal-bruit de l’ADC.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu digital avec Bodo’s Power Systems.
Avez-vous déjà rencontré des sorties inattendues d’un ADC avec quelques variations et changements aléatoires ? Cela est probablement dû au bruit au sein du système ADC. Une source courante de bruit est la ligne d’alimentation d’un oscillateur contrôlé en tension (VCO). Le bruit sur cette ligne peut introduire un jitter au signal d’horloge, qui est ensuite utilisé comme horloge d’échantillonnage pour l’ADC. Si le jitter est significatif, cela peut entraîner des erreurs de conversion et des données inattendues de l’ADC.
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Les alimentations à découpage (SMPS) sont connues pour le bruit inhérent causé par le commutateur utilisé pour la conversion de tension. Si un SMPS est utilisé pour la ligne d’alimentation de l’horloge, il peut introduire du bruit dans le système ADC. Pour minimiser les erreurs, des régulateurs LDO avec des capacités de suppression du bruit sont généralement utilisés pour alimenter des dispositifs sensibles au bruit.
Des technologies telles que le régulateur buck LTM8080 d’Analog Devices intègrent des régulateurs LDO à double post-régulation avec des technologies de suppression du bruit. Cet appareil SMPS peut fournir une ligne d’alimentation propre semblable au régulateur LDO autonome LT3045.
Figure 1. Schéma bloc de base d’une configuration VCO/ADC. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Pourquoi le bruit de la ligne d’alimentation est-il important ?
Le bruit de la ligne d’alimentation est un facteur crucial qui peut affecter significativement la performance d’un système. Dans la Figure 1, le régulateur LDO LT3045 est utilisé comme ligne d’alimentation propre pour alimenter le VCO du synthétiseur ADF4372. Le ADF4372 génère ensuite des signaux d’horloge pour les tableaux AD9208 ADC et FPGA. La Figure 2 présente un graphique de bruit de phase obtenu à partir de la sortie du régulateur LDO LT3045, servant de référence à la comparaison des solutions alternatives de ligne d’alimentation.
Figure 2. Graphique de bruit de phase de la référence LT3045 (1 GHz avec une plage de 2 MHz). Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Si une ligne d’alimentation bruyante est utilisée au lieu du design de base, la Figure 3 démontre un exemple de graphique spectral de bruit sous-optimal, avec des bandes latérales légèrement élevées. Lorsque ces bandes atteignent un certain niveau, elles peuvent introduire un jitter sur le front montant de l’horloge échantillonnage de l’ADC (Figure 4). Par conséquent, l’ADC échantillonne le signal d’entrée analogique à des moments inattendus, conduisant à des mots de données inattendus avec des erreurs de bits.
Figure 3. Exemple de graphique de bruit de phase d’un SMPS bruyant (1,23 GHz avec une plage de 2 MHz). Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
L’occurrence d’erreurs de bits peut avoir des conséquences tangibles, en particulier si elles sont significatives. Les écarts entre le mot de données réel de l’ADC et le mot de données attendu peuvent déclencher un comportement inattendu dans le système. Par exemple, si le mot de données indique une tension d’entrée supérieure à la tension réelle, cela pourrait activer prématurément un appareil avant que le système ne soit prêt. Dans les applications critiques pour la sécurité, cet état inattendu pourrait désactiver les fonctions de sécurité.
Figure 4. Un rail d’alimentation VCO bruyant conduisant à un jitter de l’horloge d’échantillonnage de l’ADC (sortie VCO) entraînant une erreur d’échantillonnage de l’ADC. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Avec l’avènement de la technologie de blindage contre le bruit EMI, un SMPS peut désormais être placé à proximité d’un régulateur LDO sans coupler le bruit de commutation à la sortie du régulateur LDO. Si les régulateurs SMPS et LDO sont emballés ensemble, des avantages supplémentaires au-delà de la réduction du bruit peuvent être obtenus (Tableau 1).
Tableau 1. Avantages des régulateurs SMPS + LDO par rapport aux régulateurs LDO autonomes
| Caractéristique de conception | SMPS + Régulateur LDO | Régulateur LDO |
| Flexibilité d’alimentation d’entrée | Large gamme d’entrée (3,5 V à 40 V) Rails de tension d’entrée standard | Gamme d’entrée étroite Rails de tension d’entrée uniques |
| Simplicité de la mise en page PCB | Le routage sensible au bruit est interne au dispositif. seules des techniques de routage PCB de base sont requises Le dispositif peut être placé près d’autres dispositifs sensibles au bruit | Un routage spécifique est nécessaire pour minimiser le bruit Des techniques de routage PCB plus avancées sont requises |
| Gain d’espace sur le PCB | Conversion directe de tension d’un rail de 12 V/24 V à une tension de sortie de régulateur LDO Aucun besoin de tensions de bus intermédiaires inhabituelles | Peut nécessiter un régulateur supplémentaire pour convertir un rail de 12 V/24 V à une tension de bus intermédiaire spécifique |
| Simplicité de conception | La conception a été entièrement testée et optimisée L’utilisateur peut brancher et jouer | Plus de conception/test en amont requis pour minimiser le bruit |
| Amélioration potentielle de l’efficacité du système | Moins de pertes parasites Marge de régulateur LDO optimisée La partie régulateur buck pourrait alimenter directement d’autres régulateurs LDO externes |
Un dispositif qui combine un convertisseur buck à découpage (SMPS) avec un régulateur LDO offre plusieurs avantages. Il peut être alimenté par des rails standard comme 12 V ou 24 V, offrant ainsi une flexibilité d’alimentation d’entrée. De plus, un bus intermédiaire peut être conçu pour maintenir une tension spécifique au-dessus de la tension de sortie du régulateur LDO, même lorsque le dispositif est alimenté à partir de tensions plus élevées. Cette fonction de contrôle de la tension d’entrée à la sortie (VIOC) garantit une marge définie pour le régulateur LDO en contrôlant la sortie du SMPS en amont. Le VIOC est crucial pour maximiser l’efficacité tout en maintenant le rapport de suppression d’alimentation (PSRR).
Le dispositif SMPS plus régulateur LDO permet un routage sensible au bruit au sein de son circuit interne. Par conséquent, des techniques de routage de base au niveau du PCB sont suffisantes pour optimiser les performances du bruit du dispositif.
De plus, le dispositif bénéficie d’un blindage EMI contre le bruit entièrement intégré. Au lieu de permettre aux émissions de bruit du SMPS embarqué de se propager dans toutes les directions, un blindage contre le bruit EMI redirige les émissions de bruit irradiées loin du régulateur LDO. Cette technique permet au régulateur à découpage d’être placé à proximité du régulateur LDO sans compromettre sa capacité de suppression du bruit. En conséquence, le dispositif totalement intégré peut être placé dans des zones auparavant considérées comme inadaptées pour un SMPS en raison de préoccupations liées au bruit.
Si la partie SMPS du dispositif peut délivrer plus de courant que la capacité du régulateur LDO, plusieurs régulateurs LDO peuvent être intégrés dans l’emballage. En outre, un régulateur LDO externe peut être connecté au bus intermédiaire, offrant une flexibilité supplémentaire dans la conception de l’utilisateur.
Pour garantir la conformité aux spécifications mentionnées dans la fiche technique du dispositif, le fabricant effectue des tests approfondis sur le dispositif SMPS plus régulateur LDO totalement intégré. Cela garantit que le dispositif répond aux exigences spécifiées.
Un convertisseur buck à découpage aussi silencieux qu’un régulateur LDO
Le LTM8080 offre une plus grande flexibilité de tension d’alimentation d’entrée tout en minimisant les pertes de puissance par rapport à une solution de régulateur LDO de base. La Figure 5 illustre une solution d’exemple utilisant le LTM8080 et démontre sa flexibilité de conception. Le LTM8080, avec le régulateur buck co-emballé et les régulateurs LDO, intègre un blindage EMI contre le bruit qui redirige le bruit rayonné.
Figure 5. Une solution LTM8080 remplace les deux régulateurs LDO LT3045 sur la carte d’évaluation ADF4372SD2Z et permet également une sortie de régulateur LDO tiers définie par l’utilisateur pour une plus grande flexibilité du système. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Lors de la comparaison des capacités de suppression de bruit du LTM8080 et du LT3045, les mesures montrent des résultats presque identiques. Le Tableau 2 fournit une comparaison du SNR et la Figure 6 affiche le graphique de bruit de phase. Par conséquent, le LTM8080 peut être utilisé pour remplacer le LT3045 tout en minimisant les erreurs de bits et en assurant une suppression efficace du bruit.
Figure 6. Graphiques de bruit de phase du LTM8080 (gauche) vs. LT3045 (droite). Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Tableau 2. Comparaison du SNR : LTM8080 vs. LT3045
| ADF4372 : Alimentation d’horloge PLL de 5 V | SNR : AD9208 |
| LT3045 (Référence) | 53,6 dBFS |
| LTM8080 | 53,6 dBFS |
Résultats des tests
Les résultats des tests démontrent clairement qu’un dispositif SMPS, équipé de technologie avancée de suppression du bruit telle que le blindage EMI contre le bruit, peut remplacer efficacement un régulateur LDO pour alimenter des lignes d’alimentation sensibles au bruit. Bien que la preuve de concept se soit concentrée sur une ligne d’alimentation de VCO, la flexibilité de conception offerte par une solution intégrée de SMPS plus régulateur LDO peut bénéficier à de nombreuses autres applications sensibles au bruit.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [] et est coécrit par Adam Huff, ingénieur de conception senior, et George (Zhijun) Qian, directeur de la conception senior chez Analog Devices.