Alimentare sistemi sensibili alle Emi

POTENZA –

Una combinazione tra interferenza elettromagnetica bassissima, bassa dissipazione di calore e soluzione CC/CC compatta, semplice quanto un regolatore lineare, per IO ad alta velocità e Serdes.

Esistono due tipi di emissioni: condotte e irradiate. Le emissioni condotte si propagano lungo i cavi e le tracce che si collegano a un prodotto. Dato che il rumore è localizzato in un terminale o connettore specifico del progetto, spesso i requisiti in termini di emissioni condotte possono essere soddisfatti in una fase relativamente precoce del processo di sviluppo con un buon layout o una buona progettazione dei filtri. Il discorso cambia con le emissioni irradiate.
Qualsiasi elemento del circuito che trasporta corrente genera un campo elettromagnetico. Ogni pista del circuito è un'antenna e ogni piano di rame è un risuonatore. Qualsiasi cosa non sia un'onda sinusoidale pura o una tensione CC genera rumore su tutto lo spettro del segnale.
Nonostante l'accuratezza della progettazione, nessuno sa veramente quanto siano dannose le emissioni irradiate finché il sistema viene collaudato, ma i test non possono essere formalmente effettuati finché la progettazione non è praticamente ultimata.
E allora cosa deve fare il progettista? Una soluzione consiste nell'utilizzare parti pre-collaudate, note per generare basse emissioni. L'uso di queste parti “verificate e certificate” aumenta nettamente le probabilità di successo del progettista.
Qualsiasi variazione di corrente o tensione genera energia sotto forma di elettromagnetismo che si presenta con diverse intensità in prodotti quali cellulari, Pc, scanner per il settore sanitario, auto, trasmettitori, lampadine fluorescenti, linee di alimentazione, ecc. Il grado di intensità di questa energia è definito in un intervallo di frequenze che varia anche in base alla distanza.
La definizione di rumore, sebbene non sia un termine scientificamente definito, viene assegnato quando l'energia elettromagnetica interferisce, interrompe o blocca il funzionamento di altri dispositivi o componenti elettronici. Questo fenomeno è definito anche interferenza elettromagnetica o Emi.
 I filtri vengono usati per ridurre l'interferenza elettromagnetica attenuando l'intensità a una determinata frequenza o in un intervallo di frequenze. La parte di questa energia che viaggia nello spazio (irradiata) viene attenuata aggiungendo schermi metallici e magnetici, mentre la parte che si propaga sulle piste del Pcb (condotta) viene mitigata aggiungendo anelli di ferrite e altri filtri.
L'interferenza elettromagnetica non può essere eliminata, però può essere attenuata a un livello che sia accettabile da altri componenti di comunicazioni e digitali. Inoltre molti organismi di regolamentazione applicano standard per garantire la conformità.

SiP di regolatori CC/CC a rumore bassissimo
La nuova famiglia di regolatori CC/CC µModule di Linear Technology è stata creata a vantaggio dei progettisti attenuando l'energia condotta e irradiata alla fonte; cioè lo stesso circuito regolatore CC/CC. Un dispositivo CC/CC µModule è un sistema SiP (System-in-a-Package) CC/CC che comprende l'induttore, il circuito integrato controllore, il Mosfet (o elemento di commutazione), i condensatori in entrata e in uscita e il circuito di compensazione disposti su un substrato e alloggiato in un package per il montaggio superficiale chiuso che assomiglia a un circuito integrato.
 Questa famiglia è stata valutata da un laboratorio accreditato che effettua test Emi ed è conforme alla norma internazionale Cispr 22. In altre parole questi prodotti sono stati verificati e certificati relativamente al funzionamento a basso rumore.

Regolatori CC/CC µModule con interferenza elettromagnetica bassissima
Il rumore di un regolatore a commutazione è dovuto principalmente alle rapide variazioni della corrente (e della tensione) al momento dell'accensione e dello spegnimento. L'LTM4606 e l'LTM4612, in quanto sistemi completi di regolatori a commutazione, sono ideati per ottenere un basso livello di rumore in entrata e in uscita, pur garantendo tutti i vantaggi di un circuito regolatore a commutazione. L'LTM4612 è simile all'LTM4606, ma ha un intervallo di tensione in entrata e uscita più elevato. Nell'LTM4606 e nell'LTM4612 sull'entrata è integrato un induttore ad alta frequenza per attenuare il rumore in entrata. Per attenuare ulteriormente il rumore in uscita, il gate driver ottimizzato per il Mosfet e la rete di eliminazione dei disturbi sono installati all'interno in modo da ridurne l'effetto.

Risultati dei test sul disturbo elettromagnetico irradiato
L'LTM4606 e l'LTM4612 prevedono una funzione che riduce il disturbo elettromagnetico irradiato. Il filtro in entrata può ridurre l'accoppiamento del disturbo dal dispositivo al bus in entrata principale, con conseguente riduzione del rischio di influire su altri circuiti. Inoltre limita il loop del disturbo condotto. In Europa le emissioni elettromagnetiche consentite sono normalmente definite nella norma EN55022. Un'altra specifica comune è la CISPR 22 elaborata dal Comité International Special des Perturbations Radioelectriques. I risultati dimostrano che il nuovo regolatore CC/CC µModule ha un margine superiore a 12 dBuV nella Classe B del limite per le emissioni irradiate (quasi picco) previsto dalla Cispr 22.

Alimentazione efficiente per Serdes ad alta velocità e I/O Fpga
I regolatori lineari rimangono una soluzione semplice e fattibile per alimentare linee di I/O negli Fpga e negli Asic ma, con l'introduzione del Serdes (serializzatore/deserializzatore) che opera a velocità molto elevate (in alcuni casi superiori a 8 Gbps e fino a 10 Gbps), il regolatore lineare è costretto a fornire più potenza che in passato. Pur fornendo una potenza di uscita elevata, il regolatore lineare dissipa più calore. A seguito della maggiore dissipazione di calore, il dispositivo diventa più caldo e la gestione termica può diventare costosa, difficoltosa e, spesso, poco pratica.
Inoltre il regolatore lineare è inefficace per filtrare il rumore da un regolatore a commutazione ad alta frequenza perché il suo Psrr diminuisce notevolmente sopra i 100 kHz. Per questo motivo al circuito vengono aggiunti anelli di ferrite e filtri a pi-greco per ridurre il rumore ad alta frequenza. Una soluzione accuratamente progettata come quella rappresentata dalla nuova famiglia di regolatori µModule a basso rumore oltre a fornire la stessa potenza di uscita con una frazione della dissipazione di calore di un regolatore lineare, fornisce alimentazione con un rumore molto basso, rendendola adatta per transceiver ad alta velocità in sistemi basati su Fpga o Asic.

La famiglia CC/CC µModule certificata da Xilinx per sistemi RocketIO
La riduzione del rumore ottenuta con questa famiglia di regolatori CC/CC a bassissimo rumore ha dato ottimi risultati che ora vanno trasferiti nel dominio digitale attraverso vari test. Sulla base della configurazione di test di Xilinx è possibile trarre diverse conclusioni. Una descrizione dettagliata della configurazione di test, inclusi l'apparecchiatura utilizzata e i risultati delle misurazioni, è disponibile nel web cast dedicato al Chalk Talk dell'FPGA Journal.

- Eye scan - Il metodo utilizzato per misurare l'apertura dell'occhio del transceiver si è dimostrata di buona qualità. L'apertura del diagramma a occhio garantisce che questa famiglia di regolatori CC/CC µModule ha fornito corrente elevata (fino a 6 A) senza pregiudicare la qualità del diagramma a occhio.
- Test di tolleranza del jitter - Le prestazioni di un transceiver dipendono dalla generazione di jitter del trasmettitore e dalla tolleranza del jitter del ricevitore. Quattro prodotti, tra cui l'LTM4606, hanno mostrato valori paragonabili, e in alcuni casi migliori, rispetto a un regolatore lineare. In altre parole, l'impatto degli µModule sul jitter era trascurabile.
- Ripple - Un altro elemento importante per l'alimentazione di I/O ad alta velocità è il ripple dell'alimentazione. È preferibile un ripple inferiore. La Tab. 2 mostra il ripple in uscita a 1,0 V e 1,2 V per ogni CC/CC µModule. Rispetto al regolatore lineare (LTC3026), a volte i risultati sono migliori.

Uno dei regolatori CC/CC µModule testato per il sistema RocketIO era l'LTM4606, un sistema SiP CC/CC completo a 5 A, ad alta VIN. Per questo test sono stati installati due µModule LTM4606 su una scheda plug-in per la scheda di prova Virtex-5 ML52x Xilinx. Un LTM4606 regola la tensione a 1,0 V, l'altro la tensione a 1,2 V.

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