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Convertitore da positivo a negativo. Applicazioni

Applicazioni di conversione da positivo a negativo

Convertitore da positivo a negativo. Lo sviluppo di controllers per step-down ad alto voltaggio efficiente ha reso possibile la realizzazione di convertitori ad alte prestazioni DC/DC da positivo a negativo, usando una tipologia di regolatori di switching che non richiedono un trasformatore. Infatti, la standardizzazione dei trasformatori ha aumentato la popolarità dei suddetti convertitori.

La tipologia step-down presenta una serie di vantaggi rispetto ai trasformatori tradizionali, con la semplicità dei convertitori e basso consumo in cima alla lista.

La Figura 2 mostra la semplicità del power train, che comprende un MOSFET Q1 superiore, un singolo induttore L1, diodo o MOSFET Q2 inferiore ed un filtro di output. Il voltaggio in uscita è regolato da un controller IC U1.


Figura 2.Convertitore Positivo-negativo che usa discrete component, VIN = 5V a 14V, VOUT = 5V a 4A [Clicca sull'immagine]

Il conteggio di componente del power train può essere ulteriormente ridotto a due o persino a uno, se si usano soluzioni integrate come mostrato nelle Figure 3 e 4.


Figura 3. Convertitore Positivo- negative che usa un regolatore IC con MOSFETs integrati, VIN = 5V a 14V, VOUT = 3.3V a 5A [Clicca sull'immagine]


Figura 4.Convertitore Positivo-negativo che usa un convertitore pienamente integrato µModule DC/DC, VIN = 5V a 14V, VOUT = 5.0V a 7A [Clicca sull'immagine]

Operazione Base, Funzione di Trasferimento e Stress del Componente

Questo articolo presenta i diagrammi e le equazioni richieste essenziali per un know how della funzionalità di un convertitore da positivo a negativo. Un ulteriore studio della teoria (incluso il buck-boost) è descritto in [1].

Il duty cycle e la media di corrente indotta possono essere trovati nelle seguenti espressioni, per ottenere una modalità di conduzione continua ottimale.

Sebbene un convertitore da positivo a negativo sia simile ad un buck non lo è affatto.

La principale differenza è che in un normale convertitore da positivo a negativo l’induttore non distribuisce l’energia e la corrente per una carica continua come in un convertitore buck. Durante il tempo di accensione il Q1 è acceso, il Q2 è spento, l’unità Q2 del diodo è modificata e l’induttore è disconnesso dal caricatore, sostituito da un filtro di output. (Vedi Figura 1). L’energia e la corrente sono distribuite dall’induttore L al filtro di output quando Q1 è spento e Q2 è acceso come mostrato nella Figura 1b.


Figura 1. Diagrammi topologici di un convertitore positive-negativo

Media e correnti massime dell’induttore raggiungono i valori massimi nella tipologia invertita paragonata al buck nella stessa corrente in uscita. Per esempio nel circuito della Figura 2 la corrente in uscita è di 4A, ma la media di corrente ad induzione è 6.22° ed il picco è 7.32A con un voltaggio in entrata di 9V.

Questo fatto ha maggiori implicazioni sulle componenti di selezione, l’efficienza e il ripple di uscita, ma con appropriate componenti si potrebbe raggiungere un’efficienza pari al 94% -95%.

VMAX = VIN + |VOUT| è il voltaggio massimo attraverso i transistor Q1 e Q2.
I valori della corrente massima IMAX attraverso i transistor Q1, Q2 e l’induttore L ed il diodo D possono essere trovati nelle seguenti espressioni.

Dove DMAX è il massimo duty cycle del controller. La Media di corrente attraverso Q1 è uguale a IL • D e attraverso Q2 per IOUT. Il voltaggio massimo nel pin di switching ed i pin di indirizzamento della corrente definisce la selezione del controller per questa topologia.

Tre convertitori Positivo- Negativo

Le Figure 2,3 e 4 mostrano convertitori pratici positivo-negativo usando questa topologia.

La Figura 2 mostra un discreto settaggio, che include due transistor, un induttore, un controller LTC3834-1, e filtri di input/output. L’hookup dell’LTC3834-1 è lineare, lì dove l’utente ha la possibilità di selezionare tre frequenze fisse: 250kHz, 530kHz or 400kHz (attraverso il pin PLLLPF) e tre modalità di operazione: l’operazione Burst Mode® favorisce lo skipping e forza continue modalità (attraverso il pin PLLIN/MODE). L’efficienza del circuito è pari al 93%.

La Figura 3 mostra un disegno compatto, dove i MOSFETs di switching sono integrati nel convertitore step-down DC/DC dell’ LTC3608 monolitico e sincrono. L’ LTC3608 salva anche spazio con la corrente interna sensibile.

Utilizza una modalità controllo valley e averte la corrente attraverso il MOSFET inferiore interno. La frequenza operativa è determinata attraverso il timer one-shot che controlla l’operatività dello switch del MOSFET superiore.

La Frequenza è programmata dal resistor RFRQ ed è portata a 300kHz. L’efficienza raggiunge quasi il 94%. Il circuito della Figura 4 semplifica e innesca il flusso del progetto dell’intera applicazione impiegando un regolatore LTM4601 µModule®. L’intera applicazione occupa un volume di soli 15mm × 15 × 2.8mm ed è pronta all’uso.

Non viene richiesta la scelta di componenti o troubleshooting. Ciò si ottiene integrando lo switching MOSFETs e l’induttore nel pacchetto. Il voltaggio input minimo dell’ LTM4601 è 4.5 V con un output massimo di 29V e12A. Tutti e tre i circuiti sono funzionali nel raggio di voltaggio input da 5V a 14V, ma la corrente di output stabilita applica da 9V a 14V. La corrente in uscita dovrebbe essere ridotta a voltaggi inferiori ai 9V. I voltaggi di output possono essere variati da 1.2V a 5V cambiando il resistor RFB. Le curve di efficienza sono mostrate nella Figura 5.


Figura 5. Efficienza vs. output load per le tre applicazioni mostrate qui

Conversione da positivo a negativo - Conclusione

La conversione positivo-negativo basata sul regolatore switching è ampiamente usata nei dispositivi LCD, amplificatori audio, equipaggiamento industriale e di misurazione. Questi tre progetti mostrano che progettare e costruire un convertitore positivo-negativo può essere facile.

 

 

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