Synthèse
Le présent article décrit des méthodes concrètes permettant d’obtenir une réponse en régime transitoire ultrarapide dans les alimentations électriques destinées aux applications sans fil et, en particulier, de communications RF. Nous tenterons de résoudre le problème que constitue la faible efficacité du traitement du signal provoquée par la période de suppression des transitoires dans l’alimentation. Des exemples de solutions sont présentés pour différentes applications. Enfin, nous verrons comment la famille des régulateurs monolithiques Silent Switcher® 3 d’Analog Devices permet d’obtenir les meilleures performances sur les signaux transitoires.
Introduction
Les unités de traitement du signal et les systèmes sur puce (SoC) se caractérisent généralement par des profils en régime transitoire de charge prompts à des changements subits. Les transitoires de charge perturbent la tension d’alimentation qui joue un rôle critique dans les applications RF, dans la mesure où la fréquence d’horloge est affectée de façon significative par la variation de la tension d’alimentation. Résultat, les systèmes sur puce RF (RFSoC) appliquent généralement un temps de suppression (blanking) pendant le transitoire de charge. Dans les applications 5G, la qualité des informations est étroitement liée à ce temps de suppression pendant la phase transitoire. Il est par conséquent de plus en plus important de minimiser l’effet du transitoire de charge côté alimentation en vue d’améliorer les performances au niveau système, indépendamment du système sur puce RF. Cet article présente plusieurs méthodes utilisées dans les applications RF dans le but d’obtenir une réponse en régime transitoire rapide dans une alimentation électrique.
Famille Silent Switcher 3 à régime transitoire rapide pour applications RF
Pour réaliser des alimentations affichant une réponse rapide aux signaux transitoires, l’une des méthodes les plus pratiques consiste à utiliser des régulateurs qui présentent des performances rapides face à ce phénomène. Les régulateurs de la famille Silent Switcher 3 se caractérisent par un bruit basse fréquence en sortie exceptionnellement faible, une réponse rapide sur les signaux transitoires, de faibles émissions EMI et un rendement élevé. Cette famille comporte un amplificateur d’erreur ultra-hautes performances qui peut assurer une stabilisation supplémentaire, même avec une compensation agressive. La fréquence de découpage maximale de 4 MHz permet au circuit intégré de « pousser » la bande passante de la boucle de commande jusqu’à environ 500 kHz en mode commande de courant de crête à fréquence fixe. Les régulateurs de la famille Silent Switcher 3 que les concepteurs peuvent choisir pour obtenir des performances en régime transitoire rapide sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1. Paramètres de la famille Silent Switcher 3
La figure 1 représente une alimentation de sortie typique 1 V basée sur le régulateur-abaisseur LT8625SP pour systèmes sur puce RFSoC 5G, qui nécessite simultanément une réponse en régime transitoire rapide et un faible niveau d’ondulation/de bruit. La charge de 1 V est constituée de circuits associés aux tâches d’émission/réception, ainsi que d’oscillateurs locaux (LO) et d’oscillateurs commandés en tension (VCO). Les charges émission/réception subissent une variation brusque du courant de charge en mode duplex par répartition en fréquence (FDD — Frequency Division Duplex). Dans le même temps, les oscillateurs locaux et commandés en tension (LO/VCO) sont soumis à une charge constante, mais exigent une précision élevée et un faible niveau de bruit. La caractéristique large bande du régulateur LT8625SP permet aux concepteurs d’alimenter les deux groupes de charges critiques sous 1 V à partir d’un unique circuit intégré en séparant la charge dynamique et la charge statique à l’aide d’une seconde inductance (L2). La figure 2 représente la réponse en tension de sortie avec un transitoire de charge dynamique compris entre 4 et 6 A. La charge dynamique se rétablit en moins de 5 µs avec une variation de tension crête à crête inférieure à 0,8 %, ce qui minimise l’effet sur la charge statique avec une variation de tension crête à crête inférieure à 0,1 %. Ce circuit peut être modifié pour prendre en charge d’autres combinaisons de sortie (0,8 V et 1,8 V, par exemple), lesquelles alimenteront directement la charge du système sur puce RFSoC sans l’étage LDO en raison du très faible niveau de bruit dans la plage basse fréquence, de la faible ondulation de tension et de la réponse ultrarapide sur les signaux transitoires.
En mode duplex par répartition dans le temps (TDD — Time Division Duplex), les oscillateurs LO/VCO dont le niveau de bruit est critique sont chargés et déchargés en même temps que change le mode d’émission/réception. Il est ainsi possible d’utiliser un circuit simplifié (figure 3), dans la mesure où toutes les charges sont considérées comme dynamiques, alors qu’une opération de post-filtrage plus critique est nécessaire pour maintenir la caractéristique de faible ondulation/faible bruit des oscillateurs LO/VCO. On utilisera un condensateur à 3 contacts traversants (feedthough) pour réaliser un post-filtrage suffisant avec une inductance L équivalente minimisée qui maintient une bande passante élevée pour les transitoires de charge. Le condensateur traversant et les condensateurs de sortie côté distant forment deux autres étages de filtrage LC, tandis que toutes les inductances L proviennent des inductances série équivalentes (ESL) du condensateur à trois contacts, qui est très compact et moins pénalisant en régime transitoire de charge. La figure 3 illustre également une connexion de télédétection aisée pour la famille de régulateurs Silent Switcher 3. Grâce à la technologie unique de génération et rétroaction de référence, il suffit de connecter par pont de Kelvin la broche OUTS et la masse du condensateur (C1) de la broche SET au point de rétroaction à distance souhaité. Aucun circuit de décalage de niveau n’est nécessaire pour cette connexion. La figure 4 représente la forme d’onde correspondant à la réponse en transitoire de charge de 1 A avec un temps de recouvrement inférieur à 5 ?s et une ondulation de tension en sortie inférieure à 1 mV.
Les signaux de précharge accélèrent la réponse en régime transitoire des régulateurs de la famille Silent Switcher 3.
Dans certains cas, l’unité de traitement du signal dispose d’une puissance confortable et d’un nombre suffisant d’interfaces polyvalentes (GPIO) et le traitement du signal est bien programmé, dans la mesure où l’évènement transitoire peut être connu à l’avance. Cette situation se produit dans certaines alimentations pour circuits logiques programmables sur site (FPGA) où le signal de précharge peut être généré pour contribuer à alimenter la réponse en transitoire de l’alimentation. La figure 5 présente un circuit d’application typique qui utilise le signal de précharge généré par le FPGA pour fournir une polarisation avant que le transitoire de charge réel se produise, de sorte que le LT8625SP dispose de plus de temps pour s’adapter à la perturbation de la charge sans que la déviation de la tension de sortie VOUT et le temps de recouvrement soient excessifs. Le circuit d’accord placé entre l’entrée/sortie GPIO du FPGA et l’entrée de l’inverseur a été omis, car le signal de précharge agit comme une perturbation sur la rétroaction. Le niveau est contrôlé pour atteindre 35 mV. De plus, pour éviter que le signal de précharge affecte l’état stable, un filtre passe-haut est placé entre le signal de précharge et la broche OUTS. La figure 6 illustre la forme d’onde de la réponse en régime transitoire de charge de 1,7 A à 4,2 A. Le signal de précharge est appliqué à la rétroaction (broche OUTS) avant le transitoire de charge réel, avec à la clé un temps de recouvrement inférieur à 5 µs.
Statisme actif sur le circuit pour un transitoire de récupération ultrarapide
Dans les applications à formation de faisceaux, la tension d’alimentation change constamment pour gérer différents niveaux de puissance. Par conséquent, la précision requise pour la tension d’alimentation est généralement de 5 à 10 %. Dans cette application, la stabilité est plus importante que la précision de la tension, étant donné qu’un temps de recouvrement minime pendant le transitoire de charge maximisera l’efficacité du traitement des données. Un circuit de statisme (drooping circuit) convient parfaitement à cette application, car la chute de tension réduit, voire élimine le temps de recouvrement. La figure 7 montre le schéma d’un circuit de statisme actif pour le LT8627SP. Une résistance de statisme supplémentaire a été ajoutée entre l’entrée négative de l’amplificateur d’erreur (broche OUTS) et la sortie (VC) pour maintenir une erreur d’état stable dans la boucle de contrôle de contreréaction en régime transitoire. La tension de statisme (drooping voltage) peut être exprimée comme suit?:
Alors que la valeur ?VOUT correspond à la variation de tension initiale provoquée par le transitoire de charge, ?IOUT est le courant transitoire de charge, et g le gain de courant entre la broche VC et le commutateur. Lors de la conception du circuit de statisme illustré à la figure 7, il convient de tenir compte des éléments suivants :
• le courant de statisme ne doit pas dépasser la limite de courant de la broche VC. Pour la sortie de l’amplificateur d’erreur du LT8627SP, on limitera le courant à moins de 200 µA pour éviter la saturation, ce qui peut être réalisé en modifiant les valeurs des résistances R7 et R8 ;
• la tension de statisme doit s’adapter à la capacité de sortie, de sorte que la déviation de tension enregistrée en régime transitoire sera à un niveau similaire à la tension de statisme afin de minimiser le temps de recouvrement pendant la phase transitoire.
La figure 8 montre les formes d’onde typiques du circuit mentionné ci-dessus pendant un transitoire de charge de 1 A à 16 A à 1 A. Il est intéressant de noter que la vitesse du transitoire de charge entre 16 et 1 A n’est plus limitée par la bande passante, mais par la durée à l’état passant minimale du régulateur.
Conclusion
Le domaine des communications RF sans fil dépend de plus en plus de calculs et est sensible à la durée de la réponse en transitoire et ce, en raison de la nature critique du traitement du signal à haute vitesse. Les concepteurs de systèmes doivent relever le défi qui consiste à augmenter la vitesse de réponse en transitoire de l’alimentation pour minimiser le temps de suppression. Les régulateurs monolithiques de la famille Silent Switcher 3 de nouvelle génération sont optimisés pour les solutions de gestion des transitoires de charge dynamiques intenses et sensibles au bruit dans les domaines des communications sans fil, de l’industriel, de la défense et de la santé. En fonction des conditions de charge, des techniques et des circuits spéciaux seront appliqués pour améliorer davantage la réponse en régime transitoire.
Par Xinyu Liang, responsable Applications Engineering, Analog Devices
Source : com-trail.fr