I sistemi di trasporto possono avere gamme della tensione d’ingresso fino a 14V (autoveicoli con una sola batteria), 28V (autocarri, autobus e aeroplani con due batterie) o anche maggiore, e richiedono una o più linee a bassa tensione per sistemi digitali. I progettisti di tali sistemi devono quindi sapere come possono ridurre elevate tensioni d’ingresso in modo semplice, efficiente e affidabile.
Esigenze di un sistema di trasporto
Quando un’applicazione richiede efficienza elevatissima della conversione di potenza per ridurre al minimo il calore generato a causa della dissipazione di potenza durante la conversione, può essere di ausilio un regolatore a commutazione (Figura 1). I regolatori a commutazione possono essere monolitici con MOSFET integrati sul chip – in configurazione sincrona o asincrona – oppure possono consistere di un controller a commutazione che può pilotare MOSFET esterni in una topologia mono o multistadio (multifase) per assicurare livelli di potenza che vanno dalle decine alle centinaia di ampere.
Figura 1: Transitori tipici in un autoveicolo. Il segnale come la tensione d’ingresso in un autoveicolo può variare a seconda delle condizioni di funzionamento, che possono andare dal disinserimento del carico all’avviamento a freddo e anche a una connessione invertita della batteria
Grazie a questo ampio intervallo di potenze, Linear Technology offre una vasta gamma di soluzioni basate su regolatori a commutazione che consentono all’utente di selezionare il dispositivo più adatto in base agli specifici criteri di progettazione necessari per il sistema finale. Conseguentemente, i nostri regolatori a commutazione hanno gamme della tensione d’ingresso molto ampi, da 5V sino a 150V, e livelli della corrente di uscita da centinaia di milliampere a oltre 1.000A. Un esempio di questa funzionalità è LTC3895 – un convertitore step-down sincrono che accetta una tensione d’ingresso fino a 150V e può essere configurato per il funzionamento multifase, come illustrato nella Figura 2.
Figura 2: Schema dell’LTC3895 e andamento dell’efficienza e delle perdite di potenza in funzione della corrente erogata
La seguente è una domanda frequente concernente qualsiasi sistema di trasporto: “come ottenere una soluzione con un notevole rapporto in discesa e ingombro ridotto che non vada a scapito delle prestazioni funzionali e dell’efficienza della conversione”? Fino a poco tempo fa, non esisteva una soluzione che potesse assicurare tutte le matrici fondamentali delle prestazioni senza un certo grado di compromesso. Ma con l’introduzione della famiglia Linear LT86xx di convertitori step-down sincroni da oltre 2MHz monolitici, tutti i necessari requisiti prestazionali possono essere soddisfatti simultaneamente. Un buon esempio di questa funzionalità è LT8609, un regolatore a commutazione step-down sincrono con ingresso a 42V e corrente massima in uscita 2A. Un’esclusiva topologia di raddrizzamento sincrono offre efficienza pari al 93%, mentre la commutazione a 2MHz consente ai progettisti di evitare bande di frequenza sensibili al rumore, come quella radio AM, al tempo stesso fornendo una soluzione dall’ingombro ridottissimo.
Il funzionamento Burst Mode® mantiene la corrente di quiescenza sotto 2,5μA in condizioni di standby a vuoto, per cui il dispositivo è adatto per sistemi “always-On”. L’intervallo di tensioni d’ingresso dell’LT8609 – da 3,0V a 42V – lo rende ideale per applicazioni automotive in cui è necessaria la regolazione in condizioni di avviamento a freddo o di avvio-arresto, con tensioni d’ingresso bassissime, fino a 3,0V, e transitori di disinserimento del carico con tensioni superiori a 40V. I suoi interruttori interni da 3,5A possono generare una corrente di uscita continua fino a 2A, con correnti di carico di picco pari a 3A. La Figura 3 che segue mostra lo schema e la corrispondente curva dell’efficienza per la commutazione a 2MHz.
Figura 3: Schema dell’LT8609 e curva dell’efficienza
Molti sistemi di trasporto presentano un ampio intervallo delle tensioni d’ingresso a causa delle condizioni di avviamento a freddo e disinserimento del carico frequentemente osservate in veicoli con una o due batterie. E per complicare ulteriormente il problema, la tensione di uscita desiderata può superare i limiti di questo pur ampio intervallo. Il progettista di un sistema deve quindi far fronte al complesso problema di dover progettare una soluzione che assicuri un’uscita costante indipendentemente dal valore della tensione d’ingresso – superiore, inferiore o uguale a quella di uscita.
Un approccio comune alla risoluzione di questo problema consiste nell’impiegare un convertitore con topologia SEPIC. Si tratta però di un progetto complesso, che richiede due induttori e in genere ha bassa efficienza per quanto riguarda sia l’ingombro che l’efficienza. Linear ha pertanto progettato un’articolata famiglia di controller buck-boost a 4 interruttori che non solo semplificano i progetti, ma sono compatti e presentano elevata efficienza di conversione, con perdite di potenza comprese fra 5 e 7% (a seconda del rapporto tra tensione di ingresso e di uscita). Il modello LT8705 illustrato nella Figura 4 è un esempio di controller buck-boost che accetta tensioni d’ingresso comprese fra 4V e 80V, producendo l’uscita a 12V costante e frequente in sistemi di trasporto.
Figura 4: Schema dettagliato dell’LT8705 per un’uscita a 12V costante a partire da un ingresso compreso fra 4V e 80V
Un approccio alternativo alla condizione di avviamento a freddo in un autoveicolo consiste nell’impiegare un convertitore boost, seguito da un convertitore buck. In questa topologia, l’uscita del convertitore boost a partire da una singola batteria viene regolata ad alcuni volt oltre la tensione nominale della batteria stessa, e quindi viene ridotta con un convertitore buck alla tensione di funzionamento richiesta dai dispositivi elettronici a valle. Sebbene siano così necessari due convertitori, Linear ha sviluppato un dispositivo che combina entrambi i tipi di convertitore, boost e buck, che possono essere utilizzati indipendentemente o in serie. La Figura 5 illustra come viene applicata questa soluzione con LTC7813.
Figura 5: Lo schema dell’LTC7813 mostra un singolo circuito integrato con un regolatore boost e buck in serie
Gestione della potenza con basso rumore
Radiazione elettromagnetica, interferenza elettromagnetica e compatibilità elettromagnetica sono termini che si riferiscono all’energia prodotta da particelle dotate di carica elettrica e dai corrispondenti campi magnetici che possono ostacolare la trasmissione del segnale e le prestazioni del circuito. Con la proliferazione delle comunicazioni wireless, la gran quantità di dispositivi di comunicazione e il numero crescente di metodi di trasmissione dati che utilizzano in misura sempre maggiore lo spettro di frequenze (con sovrapposizione di alcune bande), l’interferenza elettromagnetica è un fattore sempre presente. Per mitigare gli effetti, molte agenzie governative e organizzazioni normative hanno stabilito limiti sul livello di radiazioni che possono essere emesse da dispositivi, apparati e strumenti di comunicazione.
È quindi evidente che le emissioni irradiate costituiscono un requisito fondamentale per molti clienti nel settore dei sistemi di trasporto. Pertanto, i progettisti di sistemi nel settore automotive come possono rispondere ai rigorosi requisiti CISPR 25, Classe 5 (mostrati nella Figura 6) pur continuando a mantenere l’efficienza elevata e l’ingombro ridotto della soluzione proposta?
Figura 6: I livelli di emissioni irradiate dall’LT814 sono inferiori, con buon margine, ai limiti CISPR25, Classe 5
Una risposta potrebbe essere l’uso della famiglia Silent Switcher® di Linear. Ne è un esempio LT8614, un convertitore step-down monolitico con ingresso a 42V e uscita di 4A che può commutare a frequenze superiori a 2 MHz con efficienza di conversione del 94% e può offrire un rapporto in discesa da 16V all’ingresso sino a 1,8V all’uscita grazie al basso valore del tempo On minimo: 30ns (Figura 7). Inoltre, grazie alla tecnologia Silent Switcher brevettata, può superare i requisiti riguardanti le emissioni di Classe B sia CISPR 25 che CISPR 22, come illustrato nella Figura 8.
Figura 7: LT8614 con tecnologia Silent Switcher
Figure 8: Grafici che illustrano come l’LT8614 soddisfi i requisiti CISPR 22 e CISPR 25
Una bassa corrente di quiescenza è pure un requisito fondamentale
Un autoveicolo è dotato di molti sistemi elettronici che devono essere alimentati continuamente anche quando il veicolo è parcheggiato, come il sistema di apertura delle portiere con telecomando, l’antifurto e anche i sistemi di infotainment personali, che in genere incorporano funzioni di navigazione, GPS e chiamate telefoniche. Potrebbe essere difficile capire perché questi sistemi devono rimanere in funzione anche quando l’auto è ferma, ma la funzionalità GPS di questo sistema deve essere “sempre attivata” per scopi di emergenza e sicurezza. Si tratta di un requisito imprescindibile affinché si possa impiegare un controllo molto semplice azionato esternamente quando necessario. Un requisito fondamentale per queste applicazioni è una bassa corrente di quiescenza per prolungare la durata della batteria. Linear Technology produce regolatori a commutazione con corrente di quiescenza in standby minore di 10μA sin dal 2010; alcuni dei nostri ultimi prodotti, introdotti recentemente, portano questo valore sotto 2μA. Questi prodotti sono quindi ben posizionati per essere adottati in molti sistemi elettronici degli autoveicoli.
Conclusione
Linear Technology offre un ampio ventaglio di prodotti che soddisfano tutte le esigenze relative a regolatori a commutazione con un set di attributi che li rende ideali per una gran quantità di sistemi di trasporto:
- Ampio intervallo della tensione d’ingresso: da 2,xV a 150V.
- Bassa corrente di quiescenza in modalità di standby: in genere minore di 10μA.
- Rumore di uscita minimo e basso livello di emissioni causa di interferenza elettromagnetica o problemi di compatibilità elettromagnetica.
- Estesi intervalli di temperatura: funzionamento garantito con temperature della giunzione e ambiente di 150°C.
- Elevata efficienza: fino al 97% a pieno carico e fino all’80% in condizioni di carico leggero.
- Package con bassa resistenza termica: fino a 10°C/W (θjc).
- Funzionamento ad alta frequenza di commutazione con notevoli rapporti in discesa: fino a 4MHz.
- Elevate densità di corrente: fino a 5A di corrente di uscita continua in un package MSOP di 3mm x 5mm.
- I più bassi tassi di guasto (FIT) nel settore: in genere meno di 0,2.
A cura di Tony Armstrong Director of Product Marketing Linear Technology Corporation
Ottima panoramica questa della Linear che mette in risalto molti aspetti di soluzioni dc-dc in ambito automotive. L’efficienza che sfiora il massimo assoluto penso che sia un requisito di notevole considerazione.