Integrated Device Technology, Inc. (IDT), una empresa líder de circuitos integrados digitales, ahora es The Analog and Digital Company™, cuya oferta incluye innovadores productos de señal mixta y de gestión de energía integrada. A medida que aumenta la complejidad de estas soluciones a nivel del sistema y teniendo en cuenta la densidad cada vez más alta de las aplicaciones, la implementación física de los circuitos es un factor crítico para la integridad eléctrica del sistema.

Los convertidores de conmutación CC-CC de potencia son notorios por desbaratar físicamente el esquema de circuitos de un sistema diseñado supuestamente con gran cuidado. En concreto, estos convertidores de potencia conducen cargas no deseadas a la masa eléctrica (gnd), lo que produce señales digitales erróneas, temporización doble flip-flop, interferencias electromagnéticas (EMI), errores en la tensión analógica y altas tensiones dañinas. En este artículo se explican las dos fuentes principales del ruido de la masa y se ofrecen sugerencias sobre cómo reducir este ruido en ambas fuentes.

Problema 1 del ruido de la masa
La figura 1 muestra un convertidor reductor (buck) ideal con una corriente de carga constante. Los interruptores t1 y t2 se abren y se cierran, lo que corta la tensión Vin por los circuitos Lbuck y Cbuck. Ni la corriente del inductor ni la tensión del condensador puede cambiar instantáneamente, y la corriente de carga es constante. Como se espera, todas las tensiones y corrientes de conmutación cruzan sin problema Lbuck o pasan por Cbuck, respectivamente. Un convertidor reductor ideal no produce ningún ruido de la masa.
Sin embargo, los diseñadores expertos saben que los convertidores reductores son un origen notorio de ruidos. Este hecho supone que en la figura 1 faltan importantes elementos físicos.

En cualquier movimiento de la carga se genera un campo magnético. Cualquier corriente en un hilo, resistencia, transistor, superconductor e incluso cualquier corriente de desplazamiento de placa a placa de un condensador crea un campo magnético. El flujo magnético, FB, es el campo magnético, B, que pasa por un área de bucle de corriente, A, y es igual al producto del campo que corta la superficie del bucle en un ángulo recto: FB = B·A. El campo magnético que rodea el hilo a una distancia r es directamente proporcional a la corriente eléctrica del hilo: B = moI/2pr.

Los componentes eléctricos tienen una longitud y la carga debe pasar de un dispositivo al siguiente a través de los diferentes segmentos del hilo. Pero la carga en movimiento genera un campo magnético; por lo tanto, el esquema de la figura 1 es mejorable. La figura 2 refleja un modelo mejor de un simple convertidor reductor.

En la figura 2, el hilo sigue siendo ideal en todos los aspectos, a no ser que la corriente tenga que recorrer alguna distancia en cada segmento cuando pasa de un componente eléctrico al siguiente. A medida que esta carga fluye, se genera un campo magnético alrededor de los hilos electrificados y el flujo magnético atraviesa los bucles de los interruptores t1 y t2.

Los cambios en las áreas de bucle de corriente t1 y t2 son la primera fuente importante del ruido de la masa del convertidor de conmutación. El flujo magnético en el bucle Vin-t1-gnd crece y se colapsa en cada ciclo de conmutación. El flujo cambiante induce una tensión en todas las partes de ese bucle, incluyendo la línea de retorno por tierra ideal. Esta tensión inducida no puede ser eliminada por ninguna cantidad de cobre, ni siquiera por un superconductor. Lo único que puede ayudar es una reducción del flujo magnético cambiante.

En el flujo magnético cambiante se distinguen tres factores: la velocidad de cambio, la intensidad del campo magnético y el área del bucle. Puesto que la frecuencia de reloj y la corriente de salida máxima pueden ser requisitos de diseño, la minimización del área de bucle se convierte en la mejor solución.
La inductancia es proporcional al flujo magnético; por lo tanto, la figura 3 muestra un modelo eléctrico para la figura 2 en el que la corriente cambiante en el inductor parásito Lp1 causa el ruido de la masa, a diferencia de la corriente constante en el inductor parásito Lp2.
Aunque la figura 3 presenta el problema de modo fácilmente comprensible, no puede reemplazar de manera satisfactoria el modelo físico mostrado en la figura 2. La figura 3 muestra la tensión inducida por los inductores parásitos Lp1 y Lp2, mientras que en realidad la tensión es inducida en cualquier parte de un bucle con flujo magnético cambiante. Sin embargo, este esquema de elementos de circuitos seguirá sirviendo para mostrar cómo se debería reducir el ruido de la masa inducido.

Como se muestra en la figura 3, la corriente de retorno por tierra circula y cambia en Lp1, lo que causa un problema con la oscilación de la tensión. Pero, al posicionar cuidadosamente el condensador de entrada, tal como se muestra en la figura 4, se reduce el área del flujo magnético parásito y se conduce la corriente cambiante del reductor por un camino que se desvía del retorno por tierra.
En este caso, la corriente en los inductores parásitos Lp1 y Lp2 es constante; por consiguiente, la tensión de la masa será estable. Además, la reducción de esta área de flujo magnético reduce proporcionalmente las EMI y todas las demás tensiones de bucle inducidas no deseadas, como enseña el modelo de la figura 3.

En resumen, la primera fuente importante del ruido de la masa de convertidores de conmutación resulta de cambiar el área del flujo magnético. Un buen diseño de placas de circuito impreso (PCB) enruta las trazas y posiciona cuidadosamente el condensador de paso de modo que se minimizan las áreas de bucle de corriente cambiantes así como la corriente cambiante en una trayectoria de retorno por tierra.

Problema 2 del ruido de la masa
El segundo problema importante del ruido de la masa, como se nuestra en la figura 5, es un resultado de la capacitancia del inductor parásito.
La tensión no puede cambiar instantáneamente a través de un condensador ni lo puede hacer la corriente a través de un inductor. Por lo tanto, los cambios de tensión en el nodo LX están directamente relacionados tanto con la capacitancia, CL, del inductor reductor parásito como con el condensador reductor de filtro, Cbuck, para aparecer en los inductores parásitos de tierra Lp1 y Lp2.

Al principio, no fluye ninguna carga, pero al cabo de un instante se acumula corriente en todos esos componentes hasta que la energía almacenada en el condensador del inductor reductor parásito, ECL = 1/2 CLVLX2, se transfiere al campo magnético parásito del hilo, ELp = 172 Lpi2cambiante_máx (siendo Lp la suma de todos los inductores parásitos de bucle). A continuación, como un vaivén, la energía no deseada oscila entre los campos eléctrico y magnético hasta que se dispersa o se disipa por los elementos resistivos, que no aparecen en la figura 5.

Tanto la tensión de pico como la duración de una oscilación del ruido de la masa constituyen un problema. La tensión de pico, medida en el nodo Vgb, es una función del cambio de tensión en el nodo LX, de la capacitancia del inductor reductor parásito, CpL, y de la capacitancia de traza parásita adicional (no visualizada). Una gran CpL almacena más energía, así que menos es más. Después de seleccionar la inductancia y la corriente nominal del inductor reductor, se debe elegir un inductor con la frecuencia de autorresonancia más alta para limitar la capacidad de CpL.  

La frecuencia de autorresonancia de un inductor es: fautorresonancia = 1/[2p ÷(LbuckCL)].  
Hay que tener en cuenta que una duplicación de la frecuencia de autorresonancia reduce la capacitancia del inductor parásito y, por consiguiente, la energía del ruido de la masa por un factor de cuatro.

Si el rendimiento es más importante que los costes, conviene mantener el mismo valor de inductancia sustituyendo el inductor simple Lbuck inductor en la figura 5 por 2 inductores conectados en serie, teniendo cada uno de ellos medio Lbuck, como se muestra en la figura 6. Para una serie de fabricación de inductores, la capacitancia parásita suele ser proporcional a la inductancia nominal; por consiguiente, la mitad de la inductancia da por resultado la mitad de la capacitancia parásita. Cuando los inductores se conectan en serie, sus valores se suman e incrementan la inductancia, pero los condensadores parásitos se añaden como la suma inversa de valores inversos para disminuir la capacitancia parásita total. En el caso de una conexión en serie de 2 inductores de 1/2 Lbuck, la inductancia total será Lbuck_nuevo y la capacitancia parásita total caerá por un factor 4 a 1/4 CL.  

Esta reducción de la capacitancia del inductor parásito reducirá a su vez la oscilación del nivel de masa, como se muestra en la figura 6.

Autor:

Por Jeff Barrow, director de Analog IC Design, Integrated Device Technology, Inc.

Información acerca del autor

Jeff Barrow trabaja para Integrated Device Technology, Inc. en Tucson, Arizona, en calidad de director de Analog IC Design. Sus actividades abarcan el desarrollo y la usabilidad de circuitos integrados de potencia así como el diseño de circuitos integrados analógicos. Se licenció en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Arizona (Tucson), y sus áreas de interés personal son la geología, la astronomía, la física y la electrónica.

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