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Oct 03, 2023

Compreendendo e minimizando o tremor de ruído de comutação (SNJ)

Como projetista de circuitos analógicos e de potência há 50 anos, projetei minha parcela de fontes de alimentação chaveadas. Foi uma 'arte negra' para mim em 1972, assim como para muitos outros designers de energia novatos

Como projetista de circuitos analógicos e de potência há 50 anos, projetei minha parcela de fontes de alimentação chaveadas. Era uma “arte negra” para mim em 1972, assim como para muitos outros designers de energia inexperientes (Figura 1).

Projetei uma tecnologia de filtro passivo padrão para a entrada e saída da fonte de alimentação comutada, o que ajudou a minimizar o ruído de comutação e também coloquei a fonte de comutação dentro de uma gaiola de metal com orifícios para maior blindagem e circulação de ar. Na década de 70, eu nem sabia o que era switching noise jitter (SNJ)!

Com tudo isso em mente, vamos dar uma olhada no que é o SNJ e como podemos minimizá-lo.

Uma fonte de alimentação chaveada pode ser uma importante fonte de ruído. Isto inclui o ruído que flui através das linhas de alimentação na forma de ruído conduzido. O ruído torna-se ruído irradiado (radiação eletromagnética prejudicial) e isso afeta negativamente não apenas a própria fonte de alimentação, mas também outros equipamentos eletrônicos. A troca de fontes de alimentação seria quase inútil sem resolver esses problemas com medidas de EMC.

Muitos projetistas de sistemas e circuitos não estão cientes de que as fontes de alimentação chaveadas em seus projetos possuem algo conhecido como jitter de ruído de comutação. Este tipo de ruído é “ruído sobre ruído” e os filtros de ruído convencionais têm apenas um efeito mínimo no SNJ.

Neste artigo, discutiremos a importância do jitter de ruído de comutação (SNJ) e por que a solução do Filtro Harmony PI é uma solução eficaz para tantas aplicações de sistemas eletrônicos. Também nos aprofundaremos em uma das maiores áreas de necessidade desta tecnologia: a comunicação sem fio 5G e 6G. A força da conexão nessas aplicações depende muito da clareza do sinal.

O jitter do ruído de comutação é essencialmente ruído sobre ruído em uma fonte de alimentação chaveada que resulta no movimento do ruído no domínio do tempo. Vejamos um exemplo de relógio 5G em que o ruído da fonte de alimentação pode reduzir severamente o desempenho do ruído de fase do relógio 5G (Figura 2 e Figura 3).

Os projetistas de circuitos precisam do melhor desempenho de faixa dinâmica possível para seus produtos. A solução precisa ser simples, de tamanho pequeno e com melhor desempenho, o que ajudará a filtrar qualquer ruído da fonte de alimentação, permitindo assim a melhor relação sinal-ruído (SNR) no projeto do sistema.

Seguindo exatamente essas linhas, a faixa dinâmica de um sistema pode ser significativamente melhorada usando os filtros Harmony PI da TransSIP para o jitter RMS de 19 fsec, que é equivalente ao jitter RMS ideal de 17 fsec (Figura 4).

Os designers podem adicionar um filtro Harmony PI – que é tão pequeno quanto um grão de arroz (2,2 mm × 2,6 mm) – a cada uma das fontes de alimentação em seu projeto. Este filtro também pode reduzir o número total de componentes de PCB, em até 80%, necessários para um projeto com uma economia total de 93% de espaço de PCB.

Além disso, um projeto típico de placa com três filtros discretos, com 15 componentes cada, pode ser reduzido de 112 mm2 para um tamanho de 7,7 mm2. Como bônus, haverá uma melhoria na rejeição de ruído de mais de 10 dB em um espectro de 6 GHz (Figura 5).

O filtro Harmony PI também tem aplicações em sistemas de controle e alta potência, como sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) e unidades de controle de energia (PCUs) (Figura 6).

Os filtros Harmony PI estão sendo amplamente utilizados em muitos sistemas baseados em coleta de energia, como Sistemas de Posicionamento Global (GPS)/Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS). Uma aplicação GNSS é mostrada na Figura 7.

A vida útil da bateria de um receptor GPS/GNSS é governada pela velocidade de “The Time To First Position Fix” ou TTFF.” Este é um processo de bastante alta potência. Cada vez que o GPS é ligado, o processo TTFF consumirá 5× a 10× da energia normalmente usada para navegação por satélite. Quando um projeto é feito mais rapidamente, o TTFF gastará menos energia desperdiçada no processamento digital.

O TTFF geralmente será lento em condições de sinal fraco do mundo real e um ou dois minutos é comum e pode ser ainda mais longo. Um bom exemplo é um relógio GPS que foi modificado para incluir uma fonte de alimentação compatível com TransSiP PI, permitindo assim que o relógio seja significativamente mais rápido em TTFF do que outros relógios GPS. O TransSiP PI permite que o relógio esportivo GPS tenha 5x mais duração da bateria. Os dispositivos de posicionamento GPS e GNSS também se tornarão 10 vezes melhores em precisão (Figura 8).