Come poter soddisfare le esigenze dei nuovi potenti microprocessori che richiedono elevata corrente a 3.3 V per la presenza, al loro interno, di un numero sempre crescente di transistor.
I regolatori o convertitori da 5.5 V a 3.3 V (tensione in DC) possono essere principalmente di due tipi: lineari e switching. La maggior parte di essi sono realizzati con tecnologia a montaggio superficiale, perciò necessitano di molta accuratezza. I regolatori lineari trovano applicazione nel campo delle basse correnti di assorbimento (di solito < 3 A ) dove il coefficiente di dissipazione termica è minimo e una efficienza teorica del 66% è accettata. Essi utilizzano resistori in serie con un generatore di tensione per fornire la tensione più bassa necessaria. I regolatori lineari presentano diversi problemi:
» non consente una regolazione efficiente della tensione;
» richiede comunque la resistenza di carico;
» offre poca efficienza;
» essendo un circuito lineare risulta impossibile generare tensioni più alte di quella della batteria;
» tensioni negative possono essere generate solo se la massa è un nodo interno della rete di resistori.
I regolatori switching, invece, trovano applicazione nel campo delle alte correnti di assorbimento e in quei dispositivi che richiedono elevata efficienza. Questi convertitori elettronici a switch sono molto simili agli alimentatori switching, tipicamente compiono la conversione applicando tensione continua DC su un induttore per un periodo di tempo (di solito in un range di frequenza da 100 kHz a 5 MHz) nel quale scorre una corrente elettrica così da immagazzinare energia magnetica; quando viene tolta la tensione si trasferisce l’energia immagazzinata come tensione d’uscita del convertitore in maniera controllata. Agendo sul rapporto di on/off time, detto anche duty cycle, la tensione d’uscita rimane regolata anche se la corrente d’uscita cambia. Questo metodo di conversione è molto efficiente (compreso tra 80% e il 95%) a differenza del metodo lineare che dissipa potenza. Grazie all’elevata efficienza si aumenta la durata delle batterie dei dispositivi portatili.
Uno svantaggio dei convertitori a commutazione è il rumore elettrico generato alle alte frequenze che può essere limitato con appositi filtri. Un convertitore di questo tipo è conosciuto anche come convertitore DC-DC. I convertitori DC-DC sono importanti negli strumenti elettronici mobili come i telefoni cellulari e i computer laptop, che sono alimentati da batterie. Tali strumenti elettronici spesso contengono diversi sottocircuiti, in cui ognuno necessita di un livello di tensione differente da quella fornita dalla batteria (tipicamente più alta o più bassa della tensione della batteria, e qualche volta anche tensioni negative). Inoltre, la tensione della batteria diminuisce man mano che la potenza viene prelevata. I convertitori DC-DC offrono un metodo di generare diversi livelli di tensione controllati a partire da una batteria a tensione variabile, risparmiando in tal modo spazio ed evitando di utilizzare molte batterie per fornire energia alle diverse parti dello strumento. Altri tipi di convertitori DC-DC sono quelli isolati; questi si basano sullo stesso principio di funzionamento ma mantengono isolati elettricamente ingresso e uscita tramite un trasformatore di isolamento. Ciò permette di avere differenti tensioni tra ingresso e uscita anche notevoli dell’ordine delle centinaia o migliaia di volt. Possono essere delle eccezioni rispetto alla definizione dei convertitori di DC-DC in quanto la loro tensione dell’uscita è spesso (ma non sempre) la stessa della tensione in ingresso. Un convertitore DC-DC con uscita in corrente accetta una potenza continua in ingresso e produce in uscita una corrente costante, mentre la tensione d’uscita dipende dalla impedenza del carico. In figura 1 vengono elencati alcuni dispositivi integrati a 3.3 V con 5 V in ingresso.
Figura 1: regolatori lineari.
Esempi di convertitori DC switching sono:
» Buck
» Boost
» Inverter
» Flyback
Analizziamo alcune caratteristiche di questi convertitori.
Convertitori Buck
Un convertitore buck è un convertitore DC-DC riduttore (convertitore step-down) della categoria dei convertitori switching. Il circuito è costituito da due interruttori (un transistor e un diodo), un induttore e un condensatore. Il modo più semplice per ridurre una tensione continua è usare un partitore di tensione, un metodo poco efficace, dato che l’energia eccedente viene dissipata in calore. Un convertitore buck può essere notevolmente efficiente (fino a 95% per i circuiti integrati) ed è molto versatile, potendosi adattare alle varie situazioni, come ad esempio convertire la tensione tipica della batteria (12-24 V) in un laptop fino ai pochi volt necessari alla CPU. Il convertitore buck multifase è una topologia di circuito dove i componenti del circuito convertitore buck base sono posti in parallelo tra l’ingresso e il carico. Una topologia multifase fornisce ulteriori significativi benefici. Per esempio, la risposta a cambiamenti dinamici di corrente di carico può essere migliorata attraverso un’attenta progettazione del controllore. Ampi aumenti della corrente di carico possono essere ottenuti accendendo selettivamente più fasi secondo le esigenze del carico.
Converitore Boost
Un convertitore boost (o convertitore step-up) è un convertitore DC-DC con una tensione di uscita maggiore dell’ingresso. È una classe di alimentatori a commutazione contenenti almeno due commutatori a semiconduttore (un diodo e un transistor) e almeno un elemento accumulatore di energia. Filtri composti da combinazioni di induttori e capacità sono spesso aggiunti ad un convertitore boost per migliorarne le caratteristiche.
Inverter
La configurazione di invertitore di tensione per un regolatore switching si ottiene partendo da quella di buck, mantenendo l’interruttore nello stesso posto e scambiando di posizione il diodo e l’induttore. Quando l’interruttore si chiude, la tensione di ingresso è applicata direttamente sull’induttore. La corrente in esso cresce linearmente durante la fase di carica. La fase di scarica inizia quando l’interruttore si apre: la corrente continuerà a fluire nella stessa direzione attraverso il diodo e il condensatore che si caricherà ad una tensione di polarità opposta a quella di ingresso. Se si utilizza un trasformatore al posto dell’induttore è possibile realizzare diverse topologie in cui la tensione di uscita è isolata galvanicamnete da quella di ingresso. Per esempio lo schema di base di un boost che utilizza un trasformatore è detto boost flyback
Il design termico
Il design termico nei regolatori è una proprietà molto importante in quanto le potenze di dissipazione che entrano in gioco sono elevate (per esempio in quei processori che richiedono circa 5 A sono dell’ordine di 8.5 W). Una prima tecnica per i componenti a montaggio superficiale è quella di incrementare la quantità di rame che collega i terminali all’integrato; non sempre questa soluzione è la migliore. Nello studio del design termico entra il gioco un parametro fondamentale, Tij (heat sink thermal resistance), che determina la temperatura massima di lavoro del regolatore:
dove Pd è la potenza di dissipazione, Tj è la massima temperatura di giunzione, Ta è la massima temperatura ambientale, Jij è la resistenza case-giunzione. Per una potenza massima di dissipazione di circa 5 W (3 A ), una temperatura di giunzione di 125 °C e una massima temperatura ambientale di 80°C, otteniamo un Tij di circa 6°C/W. Per comprendere meglio il significato di questo parametro si osservi la figura 2 dove viene rappresentato la sua variazione con il flusso di aria che circola sulla superficie del regolatore. Per velocità di flusso superiore a circa 3300 m/min il parametro Tij risulta essere costante. Di solito il valore di Tij è circa uguale o inferiore a 6°C/W.
Figura 2: Tij in funzione del flusso di aria.
Alcuni esempi…
In figura 3 è riportato un circuito che rappresenta un regolatore a 3.3 V o 5 V.
Figura 3: regolatore a 3.3 V con circuito bypass a 5 V
Un Mosfet esterno bypassa il regolatore per permettere di avere 5 V in uscita; quando il gate del mosfet è a massa il circuito che esso ne rappresenta è aperto e il regolatore funziona a 3.3 V. In questo circuito il regolatore deve essere progettato considerando la tensione massima di uscita, ovvero 5 V; esempi di regolatori che possono essere utilizzati sono: LT1083/4/5, LT1127. Il mosfet ha una resistenza di circa 30 m quando il gate è a potenziale di 12 V. Di solito i 12 V si trovano in molti sistemi a microprocessori, nel caso di assenza è possibile utilizzare un integrato LTC1157 per regolare il gate del mosfet (figura 4).
Figura 4: regolatore a 3.3 V con LTC1157.
Regolatori switching
Torniamo per un momento sui regolatori swiching (figura 7). Le loro caratteristiche fisiche fanno si che la loro efficienza sia dell’ordine del 95 %. Esempi di regolatori switching sono quelli denominati stepdown che abbiamo descritto precedentemente (figura 5 e 6).
Figura 5: regolatore Bock.
Figura 6: tensione/Corrente nel regolatore Bock.
Il funzionamento è semplicissimo: un interruttore comanda la carica e la scarica dell’induttore. Un convertitore di questo tipo funziona o in modalità continua, (CCM) se la corrente dell’induttore non va mai a zero, discontinua nel caso contrario. Il circuito di base del regolatore switching può essere configurato per elevare (step up o boost), ridurre (step down o buck), o invertire di polarità la tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. Se i regolatori lineari possono solo ridurre la tensione (step-down) i regolatori switching, passando l’energia in pacchetti discreti sopra un interruttore a bassa-resistenza, possono elevare, ridurre e invertire. In più, offrono maggiore efficienza rispetto ai regolatori lineari. Esempi di regolatori switching sono: LTC1174, LTC1147 di tipo step-down con alta efficienza; LTC1148, invece, di tipo sincrono per alte correnti di uscita (figura 7).
Figura 7: esempi di regolatori Switching.
Ancora sui regolatori…
Ulteriore parametro da tenere in considerazione nei regolatore è il fatto che essi devono interfacciarsi ai circuiti logici a 5 V, ovvero devono tener conto delle possibili variazioni di tensioni con cui si hanno a che fare e con i differenti tempi di salita che entrano in gioco. Due integra ti ottimi in queste condizioni sono il LT1083 e il LT1086. In figura 8 un possibile regolatore molto raccomandato per le macchine desktop.
Figura 8: esempio di regolatore.
Caratteristiche del circuito di figura 8 sono i seguenti:
» Vin: 5 V
» Vout: 3.3 V
» Iout: 3 A.
» Parametro termico: 6°C/W.
In figura 9, inoltre, possiamo osservare la risposta transiente del circuito.
Figura 9: risposta transiente del regolatore.
Alcuni integrati da vicino…
LTC3873
Un controller PWM in corrente che consente di ridurre le dimensioni e la complessità degli alimentatori di tipo Flyback, Boost e SEPIC. Il dispositivo fornisce tutte le funzionalità necessarie per progettare convertitori flyback single-ended a rendimento elevato isolati o non isolati fino a 25 watt specifici per alimentatori utilizzati nell’ambito delle telecomunicazioni, delle apparecchiature di rete, dei sistemi POE (Power-over-Ethernet), nonché nel settore automobilistico, dei prodotti elettronici di largo consumo e degli elettrodomestici. Caratteristiche del LTC3873:
» Corrente di avvio di 50 A
» Tensione di ingresso e uscita limitata solo da componenti esterni
» Limitazione della corrente regolabile
» Soft-start interno o esterno
» Controllo in corrente
» Funzionamento a frequenza costante da 200 kHz
» Resistenza di rilevamento della corrente opzionale
LT1121
Il LT1121 è un regolatore di tensione che supporta fino a 150 mA di corrente di uscita con una tensione di dropout di 0.4V. Una tipica applicazione contenuta nei data sheet è rappresentata in figura 10.
Figura 10: tipica applicazione del LT1121.
Aspettavo da tempo questo articolo. Lo studio sulla giusta scelta ed implementazione di un convertitore DC-DC mi ha sempre appassionato, anche se non sono un esperto o professionista nel settore.
Ne approfitto dell’articolo per chiedere consigli. Qual’è la migliore scelta quando si ha un input di tensione da una batteria Lipo 1S e la si vuole utilizzare fino al minimo, consigliato, possibile (circa 3V)? In questo caso avremmo un range, all’incirca tra 4,2 e 3,0 Vdc ma la nostra uscita dovrebbe rimanere stabile in tensione 3,3V ed in corrente.
Grazie
Suggerirei switching (se la differenza input output non è piccola). La scelta è ampia se vai sul sito della Linear ora Analog trovi varie soluzioni. Poi possiamo scegliere un IC opportuno.