Comprendere le basi della conversione CC-CC

I moduli dei convertitori CC-CC sono comunemente usati nell’elettronica di consumo. Come funzionano e quali sono i criteri più importanti da considerare per sceglierne uno? In questo articolo presentiamo il concetto di conversione CC-CC per aiutare i lettori a capire alcune delle sfide tecniche legate alla creazione di un design efficiente che sia al contempo piccolo e affidabile. Analizzeremo anche alcuni dei parametri chiave da considerare per la scelta di un convertitore CC-CC.

Introduzione

Quando Alessandro Volta ha realizzato la prima pila partendo da dischi di rame e zinco e da un pezzo di cartone imbevuto in una soluzione acquosa l’innovazione fu enorme, ma la CC a bassa potenza prodotta aveva davvero poche applicazioni pratiche. Con l’aumentare della comprensione del concetto di energia elettrica e quando si scoprì che i magneti rotanti erano in grado di indurre corrente CA nei cavi, si aprì il mondo della generazione di energia. La corrente CA era perfetta per l’illuminazione, per il riscaldamento e per i motori e, grazie ai trasformatori, la sua tensione poteva essere aumentata e diminuita.

Anche la CC iniziò a trovare le proprie applicazioni: al contrario della CA, la carica poteva essere conservata in batterie o condensatori, che fornirono energia ai primi telefoni prima che i progressi tecnologici consentissero di sfruttare l’energia direttamente dalla rete. Se si desiderava una tensione CC in particolare, era sufficiente collegare le celle in serie. Se si desiderava una CC maggiore, era possibile ottenere tensioni diverse grazie a un set motore-generatore CC con ingranaggi meccanici.

Con la nascita dell’elettronica, divennero necessari diversi livelli di CC, ad esempio 150 V per i tubi di aspirazione, per questo i tecnici cominciarono a pensare al modo di aumentarli o diminuirli elettronicamente. Nacque allora il concetto di convertitore CC-CC.

I convertitori CC-CC oggi

I moderni convertitori CC-CC si dividono in diverse categorie: isolati e non isolati, step-up e step-down. Sono disponibili moduli per tutti i livelli di potenza e molti di essi sono diventati componenti di uso comune.

Prima di tutto, è necessario definire cosa intendiamo per ‘isolamento’: se è presente un collegamento elettrico (solitamente con messa a terra) tra un ingresso e un’uscita, il componente in questione non è isolato. Le parti isolate sono dotate di un trasformatore interno che trasmette energia tra l’ingresso e l’uscita in modo magnetico, in maniera tale che l’uscita ‘fluttui’ rispetto all’ingresso (Figura 1). Accenneremo ai gradi di isolamento più avanti.

Figura 1: i convertitori CC-CC possono essere isolati o non isolati.

Convertitori CC-CC non isolati

Il convertitore CC-CC non isolato più semplice è il resistore in serie, che però non riveste una grande utilità, poiché i cali di tensione variano con la corrente di carico, pertanto un circuito pratico necessita di un transistore per abbassare la tensione e di feedback per mantenere la tensione costante. Si tratta di un regolatore ‘lineare’ disponibile tipicamente in un packageTO-220 a tre terminali. Esiste però un problema: la tensione può essere solo diminuita, non aumentata, e il dispositivo dissipa molta energia, pari alla differenza tra la tensione in ingresso e la tensione in uscita moltiplicata per la corrente di carico. La soluzione a questo problema sono i regolatori ‘in modalità commutata’, il cui transistore sia completamente acceso o completamente spento, che dissipano in ogni caso poca energia, trasmettendo impulsi di tensione all’uscita attraverso un induttore e un convertitore che ‘addolcisce’ gli impulsi che tornano alla CC. La tensione in uscita è controllata dal variare dell’ampiezza degli impulsi. Il guadagno in termini di efficienza nei circuiti lineari è sensazionale (Figura 2) e il regolatore in modalità commutata può essere configurato in maniera tale da aumentare la tensione, diventando un convertitore ‘boost’. Quando riduce la tensione, invece, diventa un convertitore ‘buck’.

Figura 2: confronto tra le perdite in modalità lineare e in modalità commutata.

Esistono altre varianti che possono produrre tensioni negative in uscita (buck-boost) e il circuito ‘SEPIC’, che può a sua volta generare una tensione positiva in uscita superiore o inferiore a una tensione positiva in ingresso. Questo si rivela molto utile nelle batterie, dove la tensione di carico deve essere mantenuta costante durante lo scaricamento (Figura 3).

Figura 3: struttura del convertitore SEPIC.

Massima efficienza con dimensioni minime è un aspetto fondamentale in molti circuiti e la conversione CC-CC è cruciale. Al crescere della frequenza degli impulsi in un convertitore in modalità commutata, l’induttore e il capacitore si ritirano. Un altro effetto prodotto, tuttavia, è che il transistore dissipa poca energia attorno a ciascun bordo di commutazione e, più sono i bordi di commutazione per secondo (frequenza), maggiore è l’energia dissipata. L’efficienza e le dimensioni, dunque, tendono a essere due fattori in opposizione. La tecnologia magnetica ha migliorato di poco le cose, ma i recenti semiconduttori di ampio intervallo di banda come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) promettono una minore dissipazione per bordo di commutazione e quindi una maggiore frequenza con magneti più piccoli. Questa tecnologia consente ai convertitori CC-CC non isolati di raggiungere livelli di efficienza ben superiori al 95% con correnti in uscita di oltre 100 A. Un esempio è il componente PTH04040W di TI con un valore nominale di 60 A, con tensione in uscita regolabile da 0,8 V a 2,5 V da una tensione in ingresso tra 2,95 V e 5,5 V in un package che prevede un ingombro di appena 51,94 x 26,54 mm. I convertitori boost modulari sono meno comuni, ma ne è un esempio il ABXS002A3X41-SRZ di GE Critical Power, che converte tensioni in ingresso di 8-16 V in tensioni in uscita da 16-34 V a 2,3 A con un ingombro di 27,9 x 11,4 mm.

I convertitori CC-CC non isolati sono spesso definiti convertitori ‘Point of Load’ (PoL), ovvero punto di carico, poiché possono essere collocati direttamente in un carico tipico di un processore o FPGA, così che la tensione di carico sia quanto più accurata possibile. I tipi più complessi sono dotati di molte caratteristiche, ad esempio comandi digitali, che permettono di variare le prestazioni in un attimo, per adattarsi alle condizioni di carico, di solito stabilite rispetto a una linea I2C con protocollo standard, ad esempio i TM PMBus. I VRM (moduli regolatori di tensione) sono tipi particolari di PoL che rispettano i requisiti IC specifici dei produttori, ad esempio Intel.

Convertitori CC-CC isolati

L’isolamento è necessario per diverse ragioni: spesso è conveniente dividere un ingresso da un’uscita in maniera tale che la corrente sia separata e non interagisca. Un uso comune è l’interfaccia RS485, linee di alimentazione isolate per la corrente che passa tra le masse sull’host e le attrezzature collegate (Figura 4).

Figura 4: interfaccia RS485 isolata.

Un’uscita ‘fluttuante’ dà anche la possibilità di collegare il punto di terra di carico a uno dei due terminali in uscita CC-CC, in maniera tale, ad esempio, da poter configurare 12 V come -12 V collegando l’uscita positiva a terra. Allo stesso modo, 12 V possono essere ‘cumulate’ a un’altra tensione, ad esempio di ulteriori 12 V, per ottenere 24 V totali, che possono essere utili per piccoli motori (Figura 5).

Figura 5. ‘Cumulare’ un’uscita isolata a un’altra tensione.

Accoppiare due tensioni attraverso un trasformatore consente di ottenere una certa immunità all’interferenza elettromagnetica, soprattutto in modalità comune, rumore su una connessione a terra.

Spesso, una delle principali ragioni dell’isolamento è la sicurezza. Si potrebbe pensare che, se un CC-CC ha tensioni in ingresso e in uscita abbastanza basse, la sicurezza non sia un problema. Tuttavia, la barriera isolante di un CC-CC è spesso utilizzata come parte di un più ampio sistema di isolamento, per ottenere un maggiore rating di sicurezza generale. Un esempio estremo potrebbe essere un’applicazione medica collegata a un paziente (Figura 6). In questo caso, il convertitore CC-CC deve garantire un isolamento di tipo medico per la più alta tensione di sistema, che forse può arrivare a 230 VCA, perché altre apparecchiature collegate al paziente potrebbero subire danni nel caso in cui venga applicata una tensione pericolosa. Il convertitore CC-CC potrebbe dunque fornire una linea che consente alla corrente letale di ritornare alla fonte attraverso una ‘connessione non specificata’, per questo è necessario un maggiore grado di isolamento.

I convertitori CC-CC con queste specifiche per le applicazioni mediche richiedono due ’misure di protezione paziente’ (MOPP) alla tensione di sistema adeguata, come nel caso della serie THM 30WI di Traco Power.

Figura 6: un CC-CC richiede due ‘misure di protezione paziente’.

In molti casi, i materiali pubblicitari indicano per molti convertitori CC-CC un rating di isolamento espresso solo in termini di tensione, ad esempio ‘3kVDC’. Gli utenti devono fare attenzione: quella indicata in questo caso è solo la tensione di collaudo, e sebbene sia un’indicazione di robustezza, a meno che non sia indicato un livello di isolamento specifico stabilito da un’agenzia per la sicurezza, ad esempio ‘base’, ‘rinforzato’ o ‘misure di protezione mediche’, il convertitore CC-CC non deve essere usato come parte di un sistema di isolamento di sicurezza. Anche se viene citato uno standard, ad esempio ‘EN 60950 rinforzata’, deve essere specificata anche una tensione di sistema: una tensione di sistema di 30 VCA rinforzata non è efficace come barriera di sicurezza nei sistemi da 230 VCA.

I convertitori CC-CC isolati sono disponibili in molte forme, dai tipi più semplici a bassa potenza, senza regolazione (convertitori ‘raziometrici’) nei quali l’uscita varia in proporzione all’ingresso. Queste parti sono spesso molto economiche e utili a fornire la tensione necessaria per interfacce o circuiti analogici. Spesso tuttavia prevedono requisiti di carico minimi, dal momento che le tensioni in uscita senza carico possono rivelarsi molto più elevate del valore nominale. Queste parti possono essere efficienti quanto il carico nominale, ma lo sono molto meno a carichi inferior,i circa del 50%. Con design appositi, questi tipi di convertitori CC-CC forniscono buone prestazioni con isolamenti nominali, come fa ad esempio la serie NXJ2 con montaggio superficiale di Murata 2W.

I convertitori CC-CC con regolazione attiva sono in grado di accettare ingressi e carichi variabili mantenendo una stretta regolazione della tensione in uscita. Una variazione 2:1 dell’ingresso, ad esempio di 18-36 V, era prima considerata standard, ma sono ora disponibili componenti con ingressi molto ampi, anche superiori a 5:1, ad esempio il CM1901-9RG di Bel Power, pensato per le applicazioni ferroviarie con picchi in ingresso e sovraccorrenti molto estremi.

Specifiche dei convertitori CC-CC

Per scegliere un convertitore CC-CC, spesso il peso maggiore è riservato alle considerazioni di tipo ambientale: è necessario l’isolamento e, in questo caso, di quale livello? Qual è la temperatura ambiente massima? Si genera flusso d’aria? Le temperature operative indicate sono spesso declassate: un convertitore da 10 W può produrre solo 3 W alla temperatura massima di 85°C senza un flusso d’aria significativo.

L’efficienza è sempre un requisito fondamentale e si lega alla temperatura operativa. La variazione di efficienza con carico è altrettanto importante, dal momento che la maggior parte degli utenti utilizza le parti a meno del 100%, quindi l’efficienza potrebbe essere di molto inferiore.

I livelli di interferenza elettromagnetica variano a seconda del tipo di convertitore CC-CC. A differenza dei convertitori CA-CC, non esiste un livello normativo di emissioni, pertanto potrebbe essere necessario un sistema filtrante esterno. Un piccolo convertitore economico potrebbe essere non troppo vantaggioso se necessita di filtri molto costosi per mantenere il rumore a livelli accettabili.

Dopo queste informazioni, speriamo che controllerete le tensioni effettive di ingresso e di uscita e gli amplificatori, senza tralasciare le funzioni di sicurezza: convertitori resistenti prodotti da fornitori di qualità e acquistati attraverso Mouser garantiscono maggiori risparmi sul lungo periodo.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

 

9 Commenti

  1. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 7 febbraio 2019
  2. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 7 febbraio 2019
  3. Adriano Gandolfo Adriano Gandolfo 7 febbraio 2019
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 7 febbraio 2019
      • Daniele Valanzuolo Daniele Valanzuolo 8 febbraio 2019
  4. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 7 febbraio 2019
  5. Stefano Lovati Stefano Lovati 7 febbraio 2019
  6. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 7 febbraio 2019
  7. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 8 febbraio 2019

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