Blog

Oct 03, 2023

Comprender y minimizar la fluctuación del ruido de conmutación (SNJ)

Como diseñador de circuitos analógicos y de potencia durante 50 años, he diseñado mi parte de fuentes de alimentación conmutadas. Era un "arte negro" para mí en 1972, así como para muchos otros diseñadores de energía incipientes.

Como diseñador de circuitos analógicos y de potencia durante 50 años, he diseñado mi parte de fuentes de alimentación conmutadas. Era un "arte negro" para mí allá por 1972, así como para muchos otros diseñadores de energía incipientes (Figura 1).

Diseñé una tecnología de filtro pasivo estándar para la entrada y salida de la fuente de alimentación conmutada, lo que ayudó a minimizar el ruido de conmutación y también encerré la fuente de alimentación dentro de una jaula metálica con orificios para mayor protección y circulación de aire. En los años 70, ¡ni siquiera sabía qué era el jitter de ruido de conmutación (SNJ)!

Con todo eso en mente, echemos un vistazo a qué es SNJ y cómo podemos minimizarlo.

Una fuente de alimentación conmutada puede ser una fuente importante de ruido. Esto incluye el ruido que fluye a través de las líneas de suministro de energía en forma de ruido conducido. El ruido se convierte en ruido irradiado (radiación electromagnética dañina) y esto afecta negativamente no sólo a la propia fuente de alimentación, sino también a otros equipos electrónicos. Cambiar las fuentes de alimentación sería casi inútil sin abordar estos problemas con medidas EMC.

Muchos diseñadores de sistemas y circuitos no son conscientes de que las fuentes de alimentación conmutadas en sus diseños tienen algo conocido como fluctuación de ruido de conmutación. Este tipo de ruido es “ruido sobre ruido” y los filtros de ruido convencionales tienen sólo un efecto mínimo sobre SNJ.

En este artículo, analizaremos la importancia de la fluctuación de ruido de conmutación (SNJ) y por qué la solución del filtro Harmony PI es una solución eficaz para tantas aplicaciones de sistemas electrónicos. También profundizaremos en una de las mayores áreas de necesidad de esta tecnología: la comunicación inalámbrica 5G y 6G. La intensidad de la conexión en esas aplicaciones depende en gran medida de la claridad de la señal.

La fluctuación del ruido de conmutación es esencialmente ruido sobre ruido en una fuente de alimentación conmutada que da como resultado el movimiento del ruido en el dominio del tiempo. Tomemos un ejemplo de reloj 5G en el que el ruido de la fuente de alimentación puede reducir gravemente el rendimiento del ruido de fase del reloj 5G (Figura 2 y Figura 3).

Los diseñadores de circuitos necesitan el mejor rendimiento de rango dinámico posible para sus productos. La solución debe ser simple, de tamaño pequeño y con el mejor rendimiento que ayude a filtrar cualquier ruido de la fuente de alimentación, permitiendo así la mejor relación señal-ruido (SNR) en el diseño del sistema.

Precisamente en ese sentido, el rango dinámico de un sistema se puede mejorar significativamente utilizando los filtros Harmony PI de TransSIP para la fluctuación RMS de 19 fseg, que equivale a la fluctuación RMS ideal de 17 fsec (Figura 4).

Los diseñadores pueden agregar un filtro Harmony PI, que es tan pequeño como un grano de arroz (2,2 mm × 2,6 mm), a cada una de las fuentes de alimentación de su diseño. Este filtro también puede reducir la cantidad de componentes totales de PCB, hasta en un 80 %, necesarios para un diseño con un ahorro total del 93 % en espacio de PCB.

Además, un diseño de placa típico con tres filtros discretos, con 15 componentes cada uno, se puede reducir de 112 mm2 a un tamaño de 7,7 mm2. Como beneficio adicional, habrá una mejora en el rechazo de ruido de más de 10 dB en un espectro de 6 GHz (Figura 5).

El filtro Harmony PI también tiene aplicaciones en sistemas de control y alta potencia, como sistemas de administración de baterías (BMS) y unidades de control de energía (PCU) (Figura 6).

Los filtros Harmony PI se utilizan ampliamente en muchos sistemas basados ​​en recolección de energía, como los sistemas de posicionamiento global (GPS) y los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS). En la Figura 7 se muestra una aplicación GNSS.

La duración de la batería de un receptor GPS/GNSS se rige por la velocidad de "El tiempo hasta la primera posición fija" o TTFF. Este es un proceso de bastante alto poder. Cada vez que se enciende el GPS, el proceso TTFF consumirá entre 5 y 10 veces la energía que normalmente se utiliza para la navegación por satélite. Cuando un diseño se hace más rápido, el TTFF gastará menos energía en el procesamiento digital.

El TTFF generalmente será lento en condiciones de señal débil del mundo real y uno o dos minutos es común y puede ser incluso más largo. Un buen ejemplo es un reloj GPS que se modificó para incluir una fuente de alimentación habilitada para TransSiP PI, lo que permite que el reloj sea significativamente más rápido en TTFF que otros relojes GPS. TransSiP PI permite que el reloj deportivo con GPS tenga una duración de batería 5 veces mayor. Los dispositivos de posicionamiento GPS y GNSS también tendrán una precisión 10 veces mayor (Figura 8).

Los monitores ópticos de frecuencia cardíaca (OHRM) biomédicos, que se pueden usar en la muñeca, suelen ser menos precisos que las versiones con correa para el pecho y, por lo general, están diseñados con múltiples LED y fotodetectores que utilizan algoritmos complejos y avanzados.

Los OHRM mejorados de TranSiP PI logran una precisión equivalente a las correas para el pecho ampliamente utilizadas con un solo LED y un fotodetector. El filtro Harmony PI puede eliminar todo el ruido en la polarización de la fuente de alimentación hacia el LED, el fotodetector, el extremo frontal analógico (AFE) y el ADC actual (Figura 9).

Los productos TransSiP PI incluyen el chipset Symphony PI DC-DC y el filtro Harmony PI. Symphony PI DC-DC permite la mejor calidad de ruido en un convertidor reductor CC-CC de modo de conmutación.

El filtro Harmony funcionará con muchas fuentes de alimentación de CC diferentes y eliminará un amplio espectro de ruido en los dominios de frecuencia y tiempo. Esto permite un filtrado que puede permitir que los sistemas alcancen altos niveles de claridad de señal, sensibilidad, precisión, confiabilidad y, lo más importante, una experiencia positiva para el usuario final.

Todas las imágenes utilizadas son cortesía de TransSIP.

Los artículos de la industria son una forma de contenido que permite a los socios de la industria compartir noticias, mensajes y tecnología útiles con los lectores de All About Circuits de una manera para la que el contenido editorial no es adecuado. Todos los artículos de la industria están sujetos a estrictas pautas editoriales con la intención de ofrecer a los lectores noticias, experiencia técnica o historias útiles. Los puntos de vista y opiniones expresados ​​en los artículos de la industria son los del socio y no necesariamente los de All About Circuits o sus redactores.