Capire e gestire il ripple di uscita dei regolatori buck

Il tuo nuovo progetto di regolatore deve stare nella metà dello spazio previsto e deve costare poco o nulla? Sei riuscito nell’intento utilizzando il più piccolo regolatore disponibile e i componenti esterni più convenienti? Fin qui tutto bene. Ma poi guardando il ripple di uscita scopri che c’è qualcosa che non va. Cosa è successo?

Cominciamo col capire cosa è il ripple di uscita di un regolatore DC/DC buck. Diciamo subito che si tratta di una forma d’onda composita. Tradizionalmente vengono considerati solo i tre elementi principali mostrati nella Figura 1:

• Un’onda triangolare generata applicando la rampa di corrente dell’induttore attraverso la resistenza in serie equivalente (ESR) dei condensatori di uscita. Un condensatore ceramico X5R da 22 µF può avere una ESR di soli 2 mΩ. Considerando un’ondulazione di corrente picco-picco dell’induttore di 1 A, l’ondulazione ESR è di 2 mV (inferiore se si utilizzano più condensatori in parallelo).
• Una componente pseudo-sinusoidale dovuto alla capacità di uscita. Con lo stesso condensatore di uscita e corrente di ripple del caso precedente, l’ondulazione capacitiva sarà di circa 8 mV (meno per più condensatori di uscita in parallelo).
• Un’onda quadra generata attraverso l’induttanza in serie equivalente (ESL) del condensatore di uscita. Per un condensatore X5R da 22 µF, l’ESL è di circa 0,5 nH mentre l’ondulazione ammonta a circa 2 mV.

Figura 1: tipiche forme dell’ondulazione residua di uscita.

Ciò che si misura realmente presenta dei picchi sui bordi e un contenuto di onde quadre più elevato che cambia di polarità quando si inverte l’induttore, come mostrato in Figura 2:

Figura 2: Ondulazione residua reale.

Cosa ha causato questi picchi indesiderati? E, ancora più importante, cosa si può fare al riguardo? 

Spike

Quando è stato selezionato l’induttore, la frequenza di risonanza (SRF) era superiore alla frequenza di commutazione del regolatore, quindi tutto andava bene. L’induttore ha una frequenza di risonanza perché, nella realtà, ha una capacità parassita parallela, seppure piccola. L’applicazione del fronte veloce della tensione di commutazione alla capacità parassita genera un elevato picco di corrente attraverso il condensatore, che a sua volta genera un notevole picco di tensione attraverso l’ESL del condensatore di uscita (vedere Equazione 1):

      (1)

Come fare a ridurre questo picco? Semplice:

• Scegli un induttore con una capacità parassita più piccola. Cerca il valore SRF più alto per l’induttanza tra quelle dello stesso tipo di cui hai bisogno. Induttanze di valore più basso tendono ad avere una capacità parassita inferiore (così come valori di corrente inferiori), quindi non scegliere componenti con valori più alti del necessario.
• Riduci il valore della capacità di uscita ESL. Scegli il contenitore più piccolo possibile che soddisfi i requisiti di capacità di uscita. L’uso di più condensatori più piccoli in parallelo significa che la dimensione del package (e quindi l’ESL) di ciascun condensatore può essere inferiore, mentre l’impiego di induttori in parallelo ridurrà anche l’ESL totale.
• Riduci le tensioni transitorie (dV/dt) del nodo di commutazione aumentando il valore di t. Alcuni regolatori consentono il controllo diretto del nodo di commutazione; più spesso è possibile posizionare un piccolo resistore in serie al condensatore di bootstrap per ridurre il tempo. Ciò potrebbe influire sull’efficienza, pertanto la prima opzione è quella preferibile.

Onda quadra

Supponiamo che venga utilizzato un ecomico induttore non schermato. Il campo magnetico di un induttore non schermato (o schermato in resina) può diffondersi oltre il corpo fisico del componente. I grafici di simulazione della Figura 3 mostrano il campo per un induttore aperto non schermato e un induttore stampato completamente schermato. 

Figura 3: campo magnetico di un induttore aperto non schermato (a sinistra) e di un induttore stampato
completamente schermato. (Cortesia Coilcraft)

Questo compatto layout ha condensatori di uscita posti proprio accanto all’induttore. Il campo magnetico prodotto interagisce con l’ESL dei condensatori (e in misura minore con i loop di uscita) generando la componente ad onda quadra. Quando l’induttore viene invertito, la corrente nell’induttore e il campo magnetico vengono invertiti, quindi la componente a onda quadra viene invertita.

Ecco come ridurre questo effetto:

• Utilizzare un induttore schermato per ridurre il flusso disperso che genera questo accoppiamento. Se si utilizzano induttori non schermati o semi schermati, la selezione di un induttore più grande nella dimensione xy ma con un profilo inferiore ridurrà l’altezza del traferro e quindi il flusso disperso.
• Ridurre la capacità di uscita ESL come descritto sopra.
• Non posizionare i condensatori di uscita accanto all’induttore, dove il campo è più alto. Dove lo spazio è fondamentale, considerare di posizionare l’induttore sul lato opposto della scheda al resto del circuito del regolatore in una struttura chiusa, a conchiglia. Ciò allontana i condensatori di uscita dal piano dell’induttore, dove il campo magnetico è più forte.

Ora è possibile guardare la forma d’onda del ripple in uscita ed eventualmente agire sui diversi componenti. Scegliendo i giusti elementi passivi esterni e disegnando correttamente il layout, è comunque possibile ottenere una soluzione minuscola ed economica e ottimizzare il ripple di uscita del proprio alimentatore. 

Risorse addizionali

Leggi l’articolo di Analog Design Journal, “Selezionare induttori per convertitori buck per ottenere efficienza e affidabilità ottimali.”

Scaricare i report “Tensione di ondulazione in uscita per regolatore di commutazione buck” e “Layout ottimizzato per lo spazio ‘Clam-Shell’ per convertitori DC/DC step-down.”