Alimentatori

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Introduzione

Esistono molti modi per utilizzare i diodi Schottky per la realizzazione di sistemi di alimentazione a sorgenti multiple. Ad esempio, i sistemi elettronici ad alta disponibilità (es. rete μTCA e storage server) impiegano circuiti con diodo OR Schottky nei sistemi di alimentazione ridondanti. Il diodo o-ring viene usato anche nei sistemi dotati di fonti di alimentazione alternate (es. adattatore AC e batteria di riserva). Il problema è che i diodi Schottky consumano energia a seguito della caduta di tensione diretta; il calore generato deve essere dissipato mediante un’area in rame dedicata sulla scheda o con appositi dissipatori fissati al diodo, ma entrambi questi elementi occupano molto spazio. La famiglia costituita dai prodotti LTC4225, LTC4227 e LTC4228 riduce al minimo la perdita di potenza usando MOSFET a canale N esterni come "pass element", limitando la caduta di tensione dall’alimentatore al carico quando i MOSFET sono abilitati. Quando la tensione di una sorgente di alimentazione in ingresso scende al di sotto della normale tensione di alimentazione di uscita, il MOSFET adatto si accende, comportandosi, per funzione e prestazioni, come un diodo ideale.

Come si vede nella Figura 1, aggiungendo un resistore di rilevamento della corrente e configurando due MOSFET "back-to-back" con controllo di gate separato, l’LTC4225 migliora le prestazioni del diodo ideale grazie alla limitazione della corrente di inrush e alla protezione contro la sovracorrente. In questo modo le schede possono essere inserite e rimosse in sicurezza dal backplane sotto tensione senza danneggiare il connettore. Per risparmiare un MOSFET si può usare l‘LTC4227 con il resistore di rilevamento e il MOSFET Hot Swap posizionati dopo il MOSFET diodo ideale collegato in parallelo. Configurando il resistore di rilevamento tra il diodo ideale e il MOSFET Hot Swap, l’LTC4228 migliora l’LTC4225 recuperando più velocemente eventuali cali di tensione in entrata per mantenere la tensione di uscita. L’LTC4225-1, l’LTC4227-1 e l’LTC4228-1 sono dotati di un interruttore automatico, mentre l’LTC4225-2, l’LTC4227-2 e l’LTC4228-2 garantiscono il riavvio automatico dopo un guasto. Le due opzioni sono disponibili in package QFN e SSOP da 4mm × 5mm con 24, 20 e 28 pin, rispettivamente per l’LTC4225, l’LTC4227 e l’LTC4228.

Figura 1. Varie configurazioni con resistore di rilevamento e MOSFET a canale N esterni per LTC4225, LTC4227 e LTC4228

Figura 1: Varie configurazioni con resistore di rilevamento e MOSFET a canale N esterni per LTC4225, LTC4227 e LTC4228

CONTROLLO CON DIODO IDEALE

L’LTC4225 e l’LTC4228 funzionano come un diodo ideale monitorando la tensione tra i pin IN e OUT (pin IN e SENSE+ per l’LTC4227) con un amplificatore gate drive interno che gestisce il pin DGATE. L’amplificatore alza velocemente il pin DGATE e attiva il MOSFET per il controllo con diodo ideale quando rileva una caduta di tensione diretta significativa (Figura 2).

Figura 2. I pin CPO e GATE del controller a diodo ideale si sollevano quando interviene l’alimentazione IN

Figura 2: I pin CPO e GATE del controller a diodo ideale si sollevano quando interviene l’alimentazione IN

Un condensatore esterno collegato tra i pin CPO e IN fornisce la carica necessaria ad attivare velocemente il MOSFET diodo ideale. Una pompa di carica interna carica il condensatore quando il dispositivo si accende. Il pin DGATE preleva la corrente dal pin CPO e riduce la corrente nei pin IN e GND. L’amplificatore gate drive controlla DGATE per gestire la caduta di tensione diretta nel resistore di rilevamento e nei due MOSFET a canale N esterni a 25mV. Se la corrente di carica provoca una caduta di tensione maggiore di 25mV, la tensione di gate aumenta per potenziare il MOSFET usato per il controllo con diodo ideale. In caso di cortocircuito dell’alimentatore in ingresso durante la conduzione dei MOSFET, una grande corrente inversa inizia a passare dal carico verso l’ingresso. L’amplificatore rileva l’anomalia non appena si verifica e disattiva il MOSFET diodo ideale abbassando il pin DGATE.

CONTROLLO HOT SWAP

Sollevando il pin ON e abbassando il pin EN si avvia un tempo di debounce di 100ms al termine del quale una corrente da 10μA dalla pompa di carica solleva il pin HGATE. Quando il MOSFET Hot Swap si attiva, la corrente di inrush viene limitata a un livello impostato da un resistore di rilevamento esterno collegato tra i pin IN e SENSE per l’LTC4225 (pin SENSE+ e SENSE- per LTC4227 e LTC4228). Un amplificatore del limite di corrente attivo controlla il gate del MOSFET per cui 65mV compaiono nel resistore di rilevamento. Se la tensione rilevata supera i 50mV per più di un ritardo guasto-filtro configurato sul pin TMR, interviene un interruttore che abbassa HGATE. Per ridurre ulteriormente la corrente di inrush si può aggiungere un condensatore da HGATE a GND. Quando l’overdrive del gate del MOSFET (HGATE a tensione OUT) supera i 4,2V, il pin PWRGD si abbassa (Figura 3).

Figura 3. Il pin HGATE del controller Hot Swap interviene e abbassa PWRGD dopo un ritardo di 100ms quando si alza ON

Figura 3: Il pin HGATE del controller Hot Swap interviene e abbassa PWRGD dopo un ritardo di 100ms quando si alza ON

COMBINAZIONE TRA DIODO IDEALE E CONTROLLO HOT SWAP

In una tipica applicazione μTCA con alimentatori ridondanti (Figure 4 e 9) le uscite sono dotate di diodo o-ring sul backplane, il che consente di inserire ed estrarre le schede senza spegnere il sistema. L’LTC4225 e l’LTC4228, che sono dotati di diodo ideale e controller Hot Swap, sono perfetti per queste applicazioni perché offrono una commutazione sicura tra due alimentatori e protezione contro la sovracorrente. Se l’alimentazione principale perde potenza, il controller reagisce velocemente: disattiva il MOSFET diodo ideale nel percorso principale e attiva il MOSFET nel percorso ridondante, garantendo una commutazione sicura sul carico di uscita. I MOSFET Hot Swap rimangono attivi e non influiscono sulla commutazione dell’alimentazione. Il controller disattiva un MOSFET Hot Swap quando il relativo pin ON viene abbassato o il pin EN viene sollevato. In caso di guasto per sovracorrente sull’uscita, il gate del MOSFET Hot Swap viene abbassato velocemente, dopo di che l’uscita viene regolata nel limite di corrente finché termina il ritardo impostato dal condensatore del pin TMR. Il MOSFET Hot Swap viene disattivato e il pin FAULT viene bloccato per segnalare la presenza di un guasto. L’interruttore elettronico viene ripristinato portando il pin ON al di sotto dei 0,6V.

PRIORITÀ ALL’ALIMENTAZIONE

In un sistema con più alimentatori con diodo o-ring di tipo tradizionale l’alimentazione in ingresso con la tensione maggiore viene trasferita sull’uscita, mentre l’alimentazione con la tensione più bassa viene disattivata. Questa semplice soluzione consente di soddisfare le esigenze delle applicazioni in cui la priorità degli alimentatori non è semplicemente una questione di prevalenza dell’alimentazione maggiore. Nella Figura 5 si vede un sistema di alimentazione di riserva in cui l’alimentazione primaria di 5V (INPUT1) viene trasferita sull’uscita ove disponibile, mentre l’alimentazione di riserva di 12V (INPUT2) viene utilizzata solo quando quella primaria non è disponibile. Fintanto che INPUT1 rimane al di sopra della soglia UV 4,3V impostata dal partitore R1-R2 sul pin ON1, MH1 resta acceso, collegando INPUT1 all’uscita. Quando MH1 è attivo, PWRGD1 si abbassa e, a sua volta, abbassa ON2 e disattiva il percorso IN2 spegnendo MH2. Se l’alimentazione primaria viene a mancare e INPUT1 scende al di sotto di 4,3V, ON1 disattiva MH1 e PWRGD1 si alza, consentendo a ON2 di attivare MH2 e collegare INPUT2 all’uscita. I MOSFET diodo ideale MD1 e MD2 impediscono il back feed di un ingresso sull’altro.

Figura 4. L’LTC4225 in un’applicazione μTCA che fornisce 12V a due slot μTCA

Figura 4: L’LTC4225 in un’applicazione μTCA che fornisce 12V a due slot μTCA

 

Figura 5. LTC4225 per dispositivo di prioritizzazione dell’alimentazione a 2 canali con IN1 come ingresso di prioritizzazione

Figura 5: LTC4225 per dispositivo di prioritizzazione dell’alimentazione a 2 canali con IN1 come ingresso di prioritizzazione

SOSTITUZIONE DEL DIODO E FET HOT SWAP SUL LATO ALIMENTAZIONE E CARICO

Grazie all’LTC4225 le applicazioni con MOSFET back-to-back possono essere configurate con il MOSFET sul lato alimentazione come diodo ideale e il MOSFET sul lato carico come controllo Hot Swap (Figura 4) e viceversa (Figura 6). Nella Figura 6 si può usare un morsetto del diodo Zener esterno tra i pin GATE e SOURCE del MOSFET per evitare che si guasti se la tensione gate-source del MOSFET ha un valore nominale inferiore a 20V. In entrambe le configurazioni l’LTC4225 passa in sicurezza da un’alimentazione all’altra con il suo diodo ideale o-ring tra i pin IN e OUT.

Figura 6. LTC4225 per applicazione con MOSFET Hot Swap sul lato alimentazione e MOSFET diodo ideale sul lato carico

Figura 6: LTC4225 per applicazione con MOSFET Hot Swap sul lato alimentazione e MOSFET diodo ideale sul lato carico

DOPPIO DIODO IDEALE E CONTROLLO HOT SWAP SINGOLO

Nella Figura 7 si vede un’applicazione dell’LTC4227 in cui il resistore di rilevamento è collocato dopo i due MOSFET diodo ideale di alimentazione connessi in parallelo, seguiti da un MOSFET Hot Swap. In questo caso l’LTC4227 regola un’uscita in sovraccarico a 1× il limite di corrente prima del fault time out, invece di 2× come nell’applicazione con diodo-OR LTC4225. In questo modo è possibile ridurre la dissipazione di calore durante un evento di sovraccarico. L’LTC4227 è dotato anche del pin D2ON che consente di dare facilmente priorità all’alimentazione IN1. Ad esempio, nella Figura 8 si vede un semplice partitore resistivo che collega IN1 al pin D2ON: all’alimentazione IN1 viene data la priorità finché IN1 scende al di sotto dei 2,8V, per cui MD2 viene attivato e l’uscita diodo-OR passa dall’alimentazione principale da 3,3V a IN1 a quella ausiliaria da 3,3V a IN2.

Figura 7. LTC4227 per applicazione con diodo-OR su scheda con controllo Hot Swap

Figura 7: LTC4227 per applicazione con diodo-OR su scheda con controllo Hot Swap

 

Figura 8. L’alimentazione IN1 della scheda plug-in controlla l’attivazione dell’alimentazione IN2 mediante D20N dell’LTC4227

Figura 8: L’alimentazione IN1 della scheda plug-in controlla l’attivazione dell’alimentazione IN2 mediante D20N dell’LTC4227

RIPRISTINO PIÙ VELOCE DELL’USCITA DOPO UN’INTERRUZIONE DELL’ALIMENTAZIONE IN INGRESSO

Nell’applicazione μTCA dell’LTC4225 illustrata nella Figura 4, in caso di momentanea interruzione di una delle alimentazioni in ingresso e mancata disponibilità dell’altra, il pin HGATE viene abbassato per disattivare il MOSFET Hot Swap quando l’alimentazione IN scende al di sotto della soglia UVLO (UnderVoltage LockOut). Al riattivarsi dell’alimentazione in ingresso, al pin HGATE viene consentito di intervenire per attivare il MOSFET. Dato che occorre tempo per caricare HGATE e recuperare la capacità di uscita esaurita, la tensione di uscita può subire un calo durante questo periodo. In questa situazione l’LTC4228 offre un vantaggio rispetto all’LTC4225 in quanto recupera più velocemente per mantenere la tensione di uscita. Come si vede nella Figura 9, il resistore di rilevamento è posto tra il diodo ideale e il MOSFET Hot Swap, il che consente alla tensione del pin SENSE+ di essere mantenuta temporaneamente dalla capacità di carico in uscita quando l’alimentazione in entrata viene interrotta. Questo evita il blocco per sovratensione di SENSE+ e provoca la disattivazione del MOSFET Hot Swap. Una volta riattivato, l’alimentatore in ingresso ripristina la capacità di carico esaurita ed eroga immediatamente energia al carico a valle perchè il MOSFET Hot Swap rimane attivo.

Figura 8. L’alimentazione IN1 della scheda plug-in controlla l’attivazione dell’alimentazione IN2 mediante D20N dell’LTC4227

Figura 9: L’alimentazione IN1 della scheda plug-in controlla l’attivazione dell’alimentazione IN2 mediante D20N dell’LTC4227

CONCLUSIONI

L’LTC4225, l’LTC4227 e l’LTC4228 offrono funzioni di diodo ideale e Hot Swap per due rail di alimentazione mediante il controllo dei MOSFET a canale N esterni, oltre che funzioni di spegnimento con recupero rapido, commutazione sicura dell’alimentazione, limite di corrente attivo e segnalazione stato e guasti. La precisione di soglia dell’interruttore del 5% e il limite di corrente ad azione rapida proteggono gli alimentatori da guasti dovuti a sovracorrente. Grazie al rapido recupero dell’LTC4228 in caso di calo della tensione in ingresso è possibile mantenere la tensione in uscita in presenza di eventi di questo tipo.

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