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Oct 03, 2023

Comprendre et minimiser la gigue du bruit de commutation (SNJ)

En tant que concepteur de circuits analogiques et de puissance depuis 50 ans, j'ai conçu ma part d'alimentations à découpage. C'était un « art noir » pour moi en 1972, ainsi que pour de nombreux autres concepteurs de puissance débutants.

En tant que concepteur de circuits analogiques et de puissance depuis 50 ans, j'ai conçu ma part d'alimentations à découpage. C'était un « art noir » pour moi en 1972, ainsi que pour de nombreux autres concepteurs de puissance débutants (Figure 1).

J'ai conçu une technologie de filtre passif standard pour l'entrée et la sortie de l'alimentation à découpage, ce qui a permis de minimiser le bruit de commutation. J'ai également enfermé l'alimentation à découpage dans une cage métallique avec des trous pour un blindage supplémentaire et une circulation de l'air. Dans les années 70, je ne savais même pas ce qu'était la gigue de bruit de commutation (SNJ) !

Avec tout cela à l’esprit, examinons ce qu’est le SNJ et comment nous pouvons le minimiser.

Une alimentation à découpage peut être une source importante de bruit. Cela inclut le bruit qui traverse les lignes d’alimentation électrique sous forme de bruit conduit. Le bruit devient un bruit rayonné (rayonnement électromagnétique nocif) et cela affecte non seulement l'alimentation elle-même, mais également d'autres équipements électroniques. Changer d'alimentation électrique serait presque inutile sans résoudre ces problèmes par des mesures CEM.

De nombreux concepteurs de systèmes et de circuits ne savent pas que les alimentations à découpage présentent dans leurs conceptions ce que l'on appelle une gigue due au bruit de commutation. Ce type de bruit est du « bruit sur bruit » et les filtres antibruit conventionnels n’ont qu’un effet très minime sur le SNJ.

Dans cet article, nous discuterons de l'importance de la gigue du bruit de commutation (SNJ) et des raisons pour lesquelles la solution du filtre Harmony PI est une solution efficace pour de nombreuses applications de systèmes électroniques. Nous aborderons également l’un des plus grands domaines de besoin pour cette technologie : la communication sans fil 5G et 6G. La force de la connexion dans ces applications dépend fortement de la clarté du signal.

La gigue du bruit de commutation est essentiellement un bruit sur le bruit dans une alimentation à découpage qui entraîne un mouvement du bruit dans le domaine temporel. Prenons un exemple d'horloge 5G dans lequel le bruit de l'alimentation électrique peut réduire considérablement les performances en matière de bruit de phase d'horloge 5G (Figure 2 et Figure 3).

Les concepteurs de circuits ont besoin des meilleures performances de plage dynamique possibles pour leurs produits. La solution doit être simple, de petite taille et offrir les meilleures performances qui aideront à filtrer tout bruit d'alimentation, permettant ainsi d'obtenir le meilleur rapport signal/bruit (SNR) dans la conception du système.

Dans le même ordre d'idées, la plage dynamique d'un système peut être considérablement améliorée à l'aide des filtres Harmony PI de TransSIP pour la gigue RMS de 19 fsec, ce qui équivaut à la gigue RMS idéale de 17 fsec (Figure 4).

Les concepteurs peuvent ajouter un filtre Harmony PI, aussi petit qu'un grain de riz (2,2 mm × 2,6 mm), à chacune des alimentations de leur conception. Ce filtre peut également réduire le nombre total de composants PCB, jusqu'à 80 %, nécessaire pour une conception avec une économie totale de 93 % sur l'espace PCB.

En outre, une conception de carte typique avec trois filtres discrets, comportant chacun 15 composants, peut être réduite à une taille de 7,7 mm2 au lieu de 112 mm2. En prime, il y aura une amélioration du rejet du bruit de plus de 10 dB sur un spectre de 6 GHz (Figure 5).

Le filtre Harmony PI a également des applications dans les systèmes de contrôle et de puissance élevée tels que les systèmes de gestion de batterie (BMS) et les unités de contrôle de puissance (PCU) (Figure 6).

Les filtres Harmony PI sont largement utilisés dans de nombreux systèmes basés sur la récupération d'énergie tels que les systèmes de positionnement global (GPS)/systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS). Une application GNSS est illustrée à la figure 7.

La durée de vie de la batterie d'un récepteur GPS/GNSS est régie par la vitesse de « The Time To First Position Fix » ou TTFF. Il s’agit d’un processus assez puissant. Chaque fois que le GPS est allumé, le processus TTFF consommera 5 à 10 fois l'énergie généralement utilisée pour la navigation par satellite. Lorsqu'une conception est réalisée plus rapidement, le TTFF dépensera moins d'énergie gaspillée pour le traitement numérique.

Le TTFF sera généralement lent dans des conditions réelles de signal faible et une ou deux minutes sont courantes et peuvent être encore plus longues. Un bon exemple est une montre GPS qui a été modifiée pour inclure une alimentation compatible TransSiP PI, permettant ainsi à la montre d'être nettement plus rapide en TTFF que les autres montres GPS. Le TransSiP PI permet à la montre de sport GPS d'avoir une autonomie de batterie 5 fois supérieure. Les dispositifs de positionnement GPS et GNSS deviendront également 10 fois plus précis (Figure 8).