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Oct 03, 2023

Comprendere e ridurre al minimo il jitter del rumore di commutazione (SNJ)

Come progettista di circuiti analogici e di potenza da 50 anni, ho progettato la mia parte di alimentatori a commutazione. Per me nel 1972 era un'"arte nera", così come per molti altri power designer alle prime armi

Come progettista di circuiti analogici e di potenza da 50 anni, ho progettato la mia parte di alimentatori a commutazione. Nel 1972 per me, così come per molti altri progettisti di energia alle prime armi, era un'"arte nera" (Figura 1).

Ho progettato una tecnologia di filtro passivo standard per l'ingresso e l'uscita dell'alimentatore a commutazione che ha contribuito a ridurre al minimo il rumore di commutazione e ho anche racchiuso l'alimentatore a commutazione all'interno di una gabbia metallica con fori per una maggiore schermatura e circolazione dell'aria. Negli anni '70 non sapevo nemmeno cosa fosse il jitter del rumore di commutazione (SNJ)!

Tenendo presente tutto ciò, diamo un'occhiata a cos'è SNJ e come possiamo minimizzarlo.

Un alimentatore switching può essere una delle principali fonti di rumore. Ciò include il rumore che fluisce attraverso le linee di alimentazione sotto forma di rumore condotto. Il rumore diventa rumore irradiato (radiazione elettromagnetica dannosa) e ciò influisce negativamente non solo sull'alimentatore stesso, ma anche su altre apparecchiature elettroniche. Cambiare gli alimentatori sarebbe quasi inutile senza affrontare questi problemi con misure EMC.

Molti progettisti di sistemi e circuiti non sono consapevoli del fatto che gli alimentatori a commutazione nei loro progetti presentano qualcosa noto come jitter del rumore di commutazione. Questo tipo di rumore è "rumore su rumore" e i filtri antirumore convenzionali hanno solo un effetto minimo sull'SNJ.

In questo articolo discuteremo l'importanza del jitter del rumore di commutazione (SNJ) e perché la soluzione del filtro Harmony PI è una soluzione efficace per così tante applicazioni di sistemi elettronici. Approfondiremo anche una delle maggiori aree di necessità di questa tecnologia: la comunicazione wireless 5G e 6G. La forza della connessione in tali applicazioni dipende fortemente dalla chiarezza del segnale.

Il jitter del rumore di commutazione è essenzialmente rumore su rumore in un alimentatore a commutazione che provoca il movimento del rumore nel dominio del tempo. Prendiamo un esempio di clock 5G in cui il rumore dell'alimentatore può ridurre gravemente le prestazioni del rumore di fase del clock 5G (Figura 2 e Figura 3).

I progettisti di circuiti necessitano delle migliori prestazioni di gamma dinamica possibili per i loro prodotti. La soluzione deve essere semplice, di piccole dimensioni e con le migliori prestazioni per aiutare a filtrare qualsiasi rumore dell'alimentatore, consentendo così il miglior rapporto segnale-rumore (SNR) nella progettazione del sistema.

Proprio in questo senso, la gamma dinamica di un sistema può essere notevolmente migliorata utilizzando i filtri Harmony PI di TransSIP per il jitter RMS di 19 fsec, che equivale al jitter RMS ideale di 17 fsec (Figura 4).

I progettisti possono aggiungere un filtro Harmony PI, piccolo quanto un chicco di riso (2,2 mm × 2,6 mm), a ciascuno degli alimentatori del loro progetto. Questo filtro può anche ridurre il numero di componenti totali del PCB, fino all'80%, necessari per un progetto con un risparmio totale del 93% dello spazio sul PCB.

Inoltre, un tipico design della scheda con tre filtri discreti, con 15 componenti ciascuno, può essere ridotto a una dimensione di 7,7 mm2 da 112 mm2. Come bonus, ci sarà un miglioramento della reiezione del rumore di oltre 10 dB su uno spettro di 6 GHz (Figura 5).

Il filtro Harmony PI trova applicazione anche in sistemi di controllo e ad alta potenza come i sistemi di gestione delle batterie (BMS) e le unità di controllo dell'alimentazione (PCU) (Figura 6).

I filtri Harmony PI vengono ampiamente utilizzati in molti sistemi basati sulla raccolta di energia come i sistemi di posizionamento globale (GPS)/sistemi di navigazione satellitare globale (GNSS). Un'applicazione GNSS è mostrata nella Figura 7.

La durata della batteria di un ricevitore GPS/GNSS è regolata dalla velocità del “Time To First Position Fix” o TTFF. Questo è un processo piuttosto potente. Ogni volta che il GPS viene acceso, il processo TTFF consumerà da 5 a 10 volte l'energia normalmente utilizzata per la navigazione satellitare. Quando un progetto viene reso più veloce, il TTFF consumerà meno energia sprecata per l'elaborazione digitale.

Il TTFF sarà solitamente lento in condizioni di segnale debole nel mondo reale e uno o due minuti sono normali e possono essere anche più lunghi. Un buon esempio è un orologio GPS che è stato modificato per includere un alimentatore abilitato TransSiP PI, consentendo così all'orologio di essere significativamente più veloce in TTFF rispetto ad altri orologi GPS. Il TransSiP PI consente all'orologio sportivo GPS di avere una durata della batteria 5 volte maggiore. Anche i dispositivi di posizionamento GPS e GNSS diventeranno 10 volte più precisi in termini di precisione (Figura 8).