La modulazione di frequenza ad ampio spettro (SSFM) per ridurre le interferenze condotte e irradiate

Radiazioni elettromagnetiche (EMR), interferenze elettromagnetiche (EMI) e compatibilità elettromagnetica (EMC) sono concetti che riguardano l’energia derivante da particelle caricate elettricamente e dai relativi campi magnetici che possono interferire con le prestazioni dei circuiti e la trasmissione dei segnali.

Con la diffusione delle comunicazioni radio, l’enorme quantità di dispositivi e il numero crescente di metodi di comunicazione (cellulari, Wi-Fi, satellite, GPS, ecc.) che utilizzano sempre più lo spettro di frequenze (con alcune bande sovrapposte), le interferenze elettromagnetiche sono un fatto ormai assodato. Per mitigarne gli effetti, molte agenzie governative e numerosi organi di regolamentazione hanno posto dei limiti alla quantità di radiazioni che possono essere emesse da dispositivi, apparecchiature e strumenti di comunicazione. La norma CISPR 16-1-3, ad esempio, riguarda le apparecchiature e i metodi di misura del radiodisturbo e dell’immunità.

Le interferenze elettromagnetiche possono essere condotte (attraverso le linee di alimentazione), o irradiate, ovvero trasmesse attraverso l’aria. Gli alimentatori switching generano entrambi i tipi di interferenze.

La modulazione di frequenza ad ampio spettro (SSFM, Spread Spectrum Frequency Modulation) è una tecnica implementata da Analog Devices per ridurre le interferenze condotte e irradiate.

Questa tecnica è utilizzata in molti degli alimentatori switching -Power by Linear – basati su induttore e condensatore, oscillatori al silicio e LED driver, per distribuire il rumore su una banda più ampia, in modo da ridurre il rumore di picco e quello medio a una determinata frequenza.

La SSFM riduce le EMI perché non consente all’energia emessa di rimanere nelle bande di ricezione per un periodo di tempo significativo. I fattori determinanti per una SSFM efficace sono la capacità di distribuire il rumore su un’ampia banda di frequenze e la velocità di modulazione. Per le applicazioni di commutazione, la distribuzione del rumore tipica è del ±10% e la velocità di modulazione ottimale è determinata dal profilo di modulazione. Per la SSFM vengono utilizzati diversi metodi di distribuzione del rumore in frequenza, tra cui la modulazione della frequenza di clock con un’onda sinusoidale o triangolare.

Metodo di modulazione

Il ripple della maggior parte dei regolatori switching varia in base alla frequenza di lavoro: è maggiore con frequenze di commutazione inferiori e minore con frequenze di commutazione superiori. Di conseguenza, se il clock di commutazione è modulato in frequenza, il ripple di un commutatore mostrerà una modulazione d’ampiezza. Se il segnale di modulazione del clock è periodico, ad esempio con un’onda sinusoidale o triangolare, si noterà una modulazione periodica del ripple e quindi una componente spettrale alla frequenza di modulazione (Figura 1).

Figura 1 – Ripple del regolatore switching dovuto alla modulazione di frequenza sinusoidale del clock.

Dato che la frequenza di modulazione è nettamente inferiore alla frequenza del clock del commutatore, il filtraggio può risultare difficile. Questo potrebbe comportare problemi quali toni udibili o artefatti visibili, dovuti all’accoppiamento del rumore di alimentazione o alla reiezione dell’alimentazione limitata nel circuito a valle. Una modulazione della frequenza pseudocasuale può impedire il ripple periodico. Con questo tipo di modulazione, il clock passa da una frequenza all’altra in modo pseudocasuale. Il ripple in uscita del commutatore è modulato in ampiezza da un segnale simile ad un rumore, piuttosto che da un tono a frequenza fissa, con effetti trascurabili sul sistema a valle.

Entità della modulazione

All’aumentare della banda di frequenze SSFM, la percentuale del tempo in banda diminuisce.

Nella Figura 2 la frequenza modulata appare come un segnale a banda larga con un valore di picco inferiore a 20 dB, rispetto al singolo segnale a banda stretta non modulato. Se il segnale emesso entra nella banda del ricevitore raramente e per brevi periodi (in relazione al suo tempo di risposta), si verifica una netta riduzione delle interferenze elettromagnetiche. Ad esempio, una modulazione di frequenza pari a ±10% opera una riduzione delle EMI più efficace rispetto a una modulazione di frequenza di ±2%1. Tuttavia l’intervallo di frequenze che i regolatori switching sono in grado di tollerare è limitato; in genere la maggiore parte di questi regolatori può facilmente sopportare una variazione di frequenza di ±10%.

Figura 2 – La modulazione ad ampio spettro comporta una banda di frequenze di clock più ampia e un’energia di picco inferiore.

 

Banda di Modulazione

Come nel caso dell’entità della modulazione, quando la banda della modulazione di frequenza aumenta (hop rate), il periodo in cui le EMI rimangono “in banda” per un determinato ricevitore diminuisce e le interferenze vengono ridotte. Esiste tuttavia un limite alla velocità di variazione della frequenza (dF/dt) che il commutatore è in grado di individuare. La soluzione consiste nel trovare la velocità di modulazione massima che non influisce sulla regolazione dell’uscita del commutatore.

Misurazione delle EMI

I metodi tipici utilizzati per misurare le interferenze elettromagnetiche sono la rilevazione di picco, la rilevazione di quasi-picco e la rilevazione media. In questi test la larghezza di banda dell’apparecchiatura di prova viene impostata in modo da rispecchiare la larghezza di banda di interesse reale e determina l’efficacia della SSFM. Modulando la frequenza, il rilevatore risponde quando le emissioni si diffondono nella sua banda. Quando la larghezza di banda del rilevatore è contenuta rispetto alla velocità di modulazione, il tempo di risposta finito del rilevatore comporta una misurazione delle EMI attenuate. Invece il tempo di risposta del rilevatore non influisce sull’emissione a frequenza fissa e non si osserva alcuna attenuazione delle EMI. La prova di rilevazione di picco mostra un miglioramento con la SSFM che corrisponde direttamente alla quantità di attenuazione.

Figura 3 – Spettro di uscita del regolatore switching (larghezza di banda di risoluzione 9kHz) che utilizza un LTC6908, con e senza SSFM.

 

La prova di rilevazione di quasi-picco può mostrare un’ulteriore riduzione delle EMI in quanto comprende l’effetto del duty cycle. In particolare un’emissione a frequenza fissa produce un duty cycle del 100%, mentre il duty cycle della SSFM viene ridotto in base al periodo di tempo in cui le emissioni si trovano nella banda del rilevatore. Infine la prova di rilevazione media può mostrare la riduzione più consistente delle EMI, in quanto filtra il segnale di picco rilevato con un passa-basso, ottenendo una media della energia presente nella banda. A differenza delle emissioni a frequenza fissa, dove l’energia media e massima sono uguali, la SSFM attenua sia l’energia massima rilevata sia la quantità di tempo in banda, ottenendo un risultato di rilevazione media inferiore. Molte procedure regolatorie di valutazione richiedono che i sistemi superino sia le prove di rilevazione di quasi-picco sia quelle di rilevazione media.

SSFM e larghezza di banda del ricevitore

In un momento qualsiasi i picchi di emissione di un regolatore switching possono sembrare uguali, a prescindere dall’attivazione o meno della SSFM. Come è possibile? L’efficacia della SSFM dipende in parte dalla larghezza di banda del ricevitore. Per ricevere una “istantanea” delle emissioni occorre una larghezza di banda infinita. Ogni sistema pratico dispone di una larghezza di banda limitata. Se la frequenza di clock cambia più velocemente della larghezza di banda del ricevitore, la riduzione dell’interferenza ricevuta sarà significativa.

SSFM negli oscillatori al silicio

L’LTC6909, l’LTC6902 e l’LTC6908 sono oscillatori al silicio multifase a otto, quattro e due uscite, con modulazione ad ampio spettro. Questi dispositivi vengono spesso utilizzati per temporizzare gli alimentatori switching. Il funzionamento multifase aumenta effettivamente la frequenza di commutazione dei sistemi (perché le fasi appaiono come un aumento della frequenza di commutazione) e la modulazione ad ampio spettro fa sì che la commutazione di ogni dispositivo avvenga entro un intervallo di frequenze, distribuendo le EMI condotte su una banda di frequenze più ampia.

Figura 4 – Modulazione pseudocasuale che illustra l’effetto del filtro a inseguimento interno  dell’LTC6908/LTC6909.

L’LTC6908 opera in una gamma di frequenze comprese tra 5 kHz e 10 MHz, ed è disponibile in due versioni: l’LTC6908-1 ha due uscite con uno sfasamento di 180°, mentre l’LTC6908-2 ha due uscite con uno sfasamento di 90°. Il primo dispositivo è perfetto per la sincronizzazione di due regolatori switching singoli, il secondo per la sincronizzazione di due regolatori switching a due uscite e due fasi. L’LTC6902 a quattro uscite opera in una gamma di frequenze comprese tra 5 kHz e 20 MHz ed è programmabile per 2, 3 o 4 fasi equidistanti. L’LTC6909 opera in una gamma di frequenze comprese tra 12 kHz e 6,67 MHz ed è programmabile fino a 8 fasi. Per quanto riguarda il ripple periodico sopra citato, questi oscillatori al silicio utilizzano una modulazione di frequenza pseudocasuale.

Con questa tecnica, il clock del regolatore switching viene spostato da una frequenza all’altra secondo una modalità pseudocasuale. Più lo spostamento di frequenza (hop rate) è veloce, minore è il tempo in cui il commutatore opera a una determinata frequenza e minore è il tempo in cui le EMI sono “in banda” per un determinato intervallo del ricevitore. Esiste tuttavia un limite alla velocità del salto di frequenza. Se la frequenza ‘salta’ a una velocità superiore alla larghezza di banda del regolatore switching, si possono verificare dei picchi in uscita sul fronte di transizione della frequenza di clock. A larghezze di banda inferiori del commutatore corrispondono picchi più pronunciati. Per questo motivo l’LTC6908 e l’LTC6909 comprendono un filtro a inseguimento proprietario che regola il passaggio da una frequenza all’altra (l’LTC6902 usa un filtro passa-basso interno da 25 kHz). Il filtro interno traccia la hop rate in modo da garantire una regolarizzazione ottimale di tutte le frequenze e velocità di modulazione. Questo segnale modulante filtrato può essere accettabile per molti sistemi logici, ma non bisogna dimenticare i problemi dovuti al jitter da ciclo a ciclo. Nonostante il filtro a inseguimento, la larghezza di banda di un regolatore può comunque essere insufficiente per la modulazione di frequenza a velocità elevate. Per i limiti della larghezza di banda, la ‘hop rate’ dell’LTC6908/LTC6909 può essere ridotta da un valore predefinito, ossia 1/16 della frequenza nominale, a un valore pari a 1/32 o 1/64 della frequenza nominale.

La SSFM negli alimentatori

I regolatori switching trasferiscono energia all’uscita da ciclo a ciclo. Nella maggior parte dei casi la frequenza di funzionamento è fissa o costante, a seconda del carico in uscita. Questo metodo di conversione crea grandi componenti di rumore alla frequenza di funzionamento (fondamentale) e multipli della frequenza operativa (armoniche).

 

LTM4608A, regolatore buck µModule DC/DC da 8A, con tensioni di ingresso da 2,7V a 5,5VIN, con SSFM

Per ridurre il rumore di commutazione, l’LTM4608A può operare in modalita Spread Spectrum collegando il pin CLKIN a SVIN (pin tensione di alimentazione circuiti a basso consumo).

Nella modalità Spread Spectrum, l’oscillatore interno dell’LTM4608A è progettato per produrre un impulso di clock con periodo casuale, da ciclo a ciclo, ma tra il 70% e il 130% della frequenza nominale.

Il vantaggio consiste nel poter distribuire il rumore di commutazione su diverse frequenze, in modo da ridurne nettamente i picchi. Il funzionamento in modalità Spread Spectrum è disattivato se CLKIN è collegato a terra o se è controllato da un segnale di sincronizzazione della frequenza esterno.

Figura 5 – LTM4608A con ampio spettro abilitato.

La Figura 5 mostra il circuito con la modalità ad ampio Spread Spectrum abilitata. Un valore del condensatore di 0,01µF deve essere posizionato dal pin PLLLPF a terra per controllare lo slew rate della variazione di frequenza. I valori dei componenti sono determinati dall’equazione RSR ≥ 1 / −(ln(1− 0,592/VIN)*500*CSR).

 

LT8609, convertitore buck sincrono da 2A con tensione di ingresso di 42V, con SSFM

 

L’LT8609 è un convertitore step-down micropower che mantiene alti livelli di efficienza con frequenze di commutazione elevate (93% a 2 MHz), consentendo l’uso di componenti esterni più piccoli.

La modalità SSFM è simile alla modalità a salto d’impulsi, con una differenza sostanziale: la frequenza di commutazione è modulata verso l’alto e verso il basso da un’onda triangolare da 3 kHz.

L’intervallo di modulazione è impostato nella fascia bassa dalla frequenza di commutazione (che, a sua volta, è impostata dalla resistenza sul pin RT) e, nella fascia alta, da un valore maggiore del 20% circa rispetto alla frequenza impostata da RT. Per abilitare la modalità Spread Spectrum, occorre collegare il pin SYNC a INTVCC o portarlo su una tensione compresa tra 3,2V e 5V.

 

LTC3251 / LTC3252, regolatori step-down con pompa di carica e SSFM

L’LTC3251/LTC3252 sono regolatori step-down con pompa di carica, rispettivamente a un’uscita da 500mA e a due uscite da 250mA, con tensioni di ingresso comprese tra 2,7V e 5,5V, che producono un impulso di clock con periodo casuale, ciclo per ciclo, tra 1MHz e 1,6MHz.

Figura 6 – LTC3251 con SSFM disattivata.

 

Figura 7 – LTC3251 con SSFM attivata

 

Le Figure 6 e 7 mostrano come la caratteristica di ampio spettro dell’LTC3251 riduca in modo significativo il rumore armonico di picco e praticamente elimini le armoniche rispetto a un convertitore buck tradizionale. Il funzionamento Spread Spectrum è selezionabile con l’LTC3251, ma è sempre attivato con l’LTC3252.

 

La SSFM nei LED driver LT3795, controller LED multi-topologia con SSFM

I LED driver a commutazione possono creare problemi alle applicazioni sensibili ai disturbi EMI, come quelle automotive o di illuminazione di display.

Per ridurre le EMI, l’LT3795, un LED driver multi-topologia da 110V include la SSFM. Se vi è un condensatore sul pin RAMP, viene generato uno sweep a onda triangolare tra 1V e 2V. Questo segnale viene quindi trasmesso all’oscillatore interno per modulare la frequenza di commutazione tra il 70% della frequenza di base e la frequenza di base, fissata dal resistore di impostazione della frequenza di clock (RT).

La frequenza di modulazione è impostata dall’equazione 12 µA/(2 • 1V • CRAMP).

Figura 8 – LT3795, EMI condotte medie.

Figura 9 – LT3795, EMI condotte di picco.

 

Nelle Figure 8 e 9 viene confrontato lo spettro del rumore tra il circuito convertitore switching boost tradizionale (pin RAMP collegato a GND) e un convertitore switching boost con modulazione ad ampio spettro (6,8 nF al pin RAMP). La Figura 8 mostra le EMI condotte medie e la Figura 9 le EMI condotte di picco. I risultati delle misure EMI sono sensibili alla frequenza RAMP selezionata con il condensatore. 1kHz è un ottimo punto di partenza per ottimizzare le misure di picco, ma può risultare necessario aggiustare questo valore per ottenere i risultati migliori in un determinato sistema.

 

LT3952, LED driver multi-topologia da 60V/4A, con tensione di ingresso di 42VIN e SSFM

L’LT3952 è un LED driver multi-topologia a corrente e tensione costante, da 60V/4A, dotato di SSFM opzionale. La frequenza dell’oscillatore varia in modo pseudocasuale dalla frequenza nominale (fSW) al 31% oltre il valore nominale, in step dell’1%.

Questa regolazione unidirezionale consente all’LT3952 di evitare una banda di frequenza sensibile (es. spettro delle radiofrequenze AM), semplicemente programmando la frequenza nominale a un valore leggermente superiore.

Figura 10 – LTC3952, EMI comdotte medie.

L’ampiezza proporzionale dello step di variazione della frequenza consente all’utente di determinare facilmente il valore della frequenza di clock (pin RT) per adattarsi all’intervallo del suo specifico test EMI e il metodo pseudocasuale fornisce la soppressione dei toni dalla stessa variazione di frequenza.

Il valore pseudocasuale viene aggiornato in proporzione alla frequenza di oscillazione, usando una velocità di fSW/32, un valore che consente passaggi multipli dell’intero gruppo di frequenze durante i tempi di sosta dei test EMI standard.

Analog Devices dispone di molti altri prodotti in grado di utilizzare in modo efficace tecniche di progettazione mirate a ridurre le interferenze elettromagnetiche. Come spiegato in precedenza, la SSFM è una di queste tecniche.

Tra gli altri metodi figurano il rallentamento dei fronti di clock e il filtraggio interno. Un altro esempio è l’innovativa tecnologia Silent Switcher che utilizza tecniche di layout per ridurre in modo efficace le EMI. L’LT8640 è un ottimo regolatore switching step-down sincrono micropower, con tensione di ingresso di 42V, che combina la tecnologia Silent Switcher con la SSFM per ridurre le EMI. Quindi chiunque avesse problemi di interferenze nel proprio progetto, potrà avvalersi dei prodotti di Analog Devices a basse EMI che facilitano il rispetto degli standard in materia di interferenze elettromagnetiche.

di Kevin Scott e Greg Zimmer