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I sistemi automobilistici devono rispondere a molte normative e molti requisiti, che vanno dalle interferenze elettromagnetiche (EMI), alle termiche, fino alla sicurezza funzionale, ma un aspetto che spicca rispetto al resto quando si tratta di immediata insoddisfazione del consumatore è il rumore udibile. Questo articolo tecnico affronterà le fonti comuni di rumore udibile e come i dispositivi con la tecnologia DRSS (Dual Random Spread Spectrum) di TI possono contribuire ad eliminare il rumore udibile nei progetti.
Panoramica del DRSS
La storia inizia con le EMI. Gli standard EMI in ambito automotive sono rigorosi, in particolare per gli alimentatori in modalità commutata come i regolatori buck. I regolatori buck presentano molte caratteristiche che contribuiscono a ridurre le EMI: una delle più popolari è lo spettro espanso. La tecnologia DRSS di TI utilizza tecniche avanzate per ottimizzare le prestazioni a spettro espanso ed eliminare molti degli svantaggi delle tecniche tradizionali. Utilizzando una combinazione di modulazione triangolare modificata e pseudo casuale, il DRSS permette di ottenere i vantaggi di ciascuna tecnica respingendo in modo attivo le EMI nella banda udibile.
Che cos’è lo spettro espanso e come funziona?
Tutti i metodi di espansione dello spettro filtrano la frequenza di commutazione dell’alimentatore per espandere il contenuto spettrale delle emissioni. In questo modo è possibile ridurre le emissioni massime di circa 10 dBµV. Lo spettro espanso non riduce la quantità di energia nelle emissioni, ma semplicemente distribuisce le emissioni per offrire maggiore margine tra la forma d’onda EMI e i limiti di emissione. La Figura 1 mostra come questo si presenta su un grafico EMI. Il grafico a bassa frequenza mostra l’espansione del primo picco (la frequenza di commutazione fondamentale), mentre le armoniche successive iniziano a fondersi insieme. Il grafico ad alta frequenza mostra come i picchi armonici siano ora mescolati in una forma d’onda a media energia, che offre maggiore margine tra le emissioni e le linee limite rosse. Tuttavia, mentre lo spettro espanso aiuta ad espandere le emissioni della frequenza di commutazione e delle armoniche, esso introduce anche emissioni a bassa frequenza causate dalla frequenza del dither di modulazione.
Figura 1: Grafico EMI per un convertitore buck senza spettro espanso (a) e con spettro espanso (b)
Modulazione triangolare
La modulazione triangolare è un popolare schema a spettro espanso che comporta il dithering della frequenza di commutazione verso l’alto e verso il basso in una forma triangolare. Tuttavia, la variazione della frequenza fa sì che l’ampiezza dell’ondulazione dell’induttore cambi, il che può causare un’ondulazione della tensione di uscita (e di ingresso) alla frequenza del triangolo nei dispositivi controllati dalla corrente di picco o di valle. Purtroppo la frequenza del triangolo è solitamente compresa tra 4 kHz e 15 kHz, ossia proprio nella regione udibile.
L’ondulazione della tensione di frequenza udibile può generare rumore udibile in diversi modi. Il primo modo si verifica quando l’ondulazione induce il movimento fisico in un condensatore ceramico (effetto elettrostrittivo) o in un induttore (avvolgimenti allentati), in particolare su un circuito stampato, che va in risonanza vicino a questa frequenza. Un altro modo consiste nell’accoppiamento capacitivo o induttivo con i vicini circuiti di generazione del suono, come l’ingresso su un amplificatore audio di una head unit. Un terzo modo è quando l’alimentatore in modalità commutata fornisce l’alimentazione ad un sottosistema di generazione audio, in cui l’ondulazione può riversarsi nell’uscita audio, a seconda delle specifiche dell’amplificatore e della headroom.
Il convertitore buck automobilistico LM61495-Q1 a 36 V e 10 A e altri dispositivi con DRSS eliminano praticamente questi problemi di rumore udibile. Il DRSS non solo espande questo rumore in frequenza udibile portandolo da un tono a qualcosa di più simile al rumore bianco, ma respinge attivamente questo rumore a frequenza udibile prima che abbia la possibilità di manifestarsi sulla tensione di uscita.
La Figura 2 mostra gli elementi costitutivi del DRSS. TI ha iniziato lavorando con la modulazione triangolare per ottenere grandi prestazioni a bassa frequenza, per poi modulare la frequenza triangolare in modo da espandere il picco del tono udibile verso qualcosa di più simile al rumore bianco. L’aggiunta di una modulazione pseudo casuale ottimizza l’espansione delle alte frequenze.
Figura 2: Costruzione del DRSS – modulazione triangolare della modulazione triangolare, con modulazione pseudo casuale in alto
Ma non è tutto. La Figura 3 mostra una funzione aggiuntiva che opera attivamente contro le emissioni nella banda udibile. L’ondulazione della tensione di frequenza udibile deriva dall’interazione tra l’ampiezza in CA dell’ondulazione della corrente dell’induttore e il comando della corrente di picco o valle. Il guadagno ad anello finito causa un tracciamento imperfetto, con conseguente ondulazione di frequenza udibile.
Il DRSS regola preventivamente il comando della corrente di picco in base alla frequenza di commutazione ad ogni ciclo di commutazione. In altre parole, quando l’ampiezza dell’ondulazione dell’induttore cambia, il comando della corrente di picco si è già spostato per mantenere una corrente dell’induttore media costante. Questa regolazione elimina l’ondulazione della tensione all’uscita (e all’ingresso associato) causata dall’interazione tra lo schema a spettro espanso e il controllo della corrente di picco o valle.
Figura 3: La compensazione della corrente di picco segue la frequenza di commutazione per fornire una tensione di uscita senza ulteriore ondulazione dello spettro espanso
Conclusione
Un convertitore buck senza ondulazione di uscita in frequenza udibile dà la certezza che i condensatori e gli induttori non «cantino». È possibile creare layout più compatti senza preoccuparsi dell’accoppiamento del rumore udibile e fornire l’alimentazione ad apparecchiature audio sensibili, anche con headroom ridotta. La scelta di un dispositivo con DRSS aiuta a ottenere prestazioni migliori a spettro espanso senza doversi preoccupare del rumore udibile indotto dallo spettro espanso e garantendo quindi buone prestazioni EMI e comodità alla guida.
Risorse supplementari
- Ulteriori informazioni sul DRSS sono disponibili nel video di formazione «Come ottenere basse EMI con il DRSS (Dual Random Spread Spectrum)».
Leggete questi rapporti applicativi:
