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Introduzione
Le uscite isolate vengono utilizzate per una vasta gamma di applicazioni con convertitore DC/DC e non solo per soddisfare i requisiti di isolamento a 48V previsti per i settori delle telecomunicazioni e della trasmissione dati. L’isolamento può servire ai dispositivi sensibili al rumore che richiedono la separazione della massa da una tensione di ingresso rumorosa, ad esempio la batteria dell’auto, una linea intermedia e ingressi industriali. Una tensione di linea rumorosa può influire negativamente su display, controller logici programmabili, sistemi GPS e alcuni dispositivi medici. Le telecamere medicali, gli strumenti odontoiatrici e i dispositivi per monitorare il sonno e i segni vitali utilizzano schermi che possono essere disturbati da una tensione rumorosa. La separazione della massa garantita da un alimentatore isolato è in grado di eliminare il rumore che provoca anomalie nel display. I convertitori flyback vengono utilizzati da anni nelle applicazioni DC/DC isolate; questo però non significa che siano la prima scelta del progettista. I progettisti li scelgono per necessità, ove sia richiesto un basso consumo, non perché sono facili da progettare. Il convertitore flyback ha problemi di stabilità dovuti al ben noto passaggio per lo zero nel semipiano destro nel loop di controllo, problema che viene ulteriormente complicato dal ritardo di propagazione, dall’invecchiamento e dalla variazione di guadagno del fotoaccoppiatore. La progettazione del trasformatore, che richiede molto tempo, viene ulteriormente complicata dalla scelta limitata di trasformatori standard e dall’eventuale necessità di creare un trasformatore personalizzato. I progressi tecnologici in materia di conversione hanno semplificato molto la progettazione dei convertitori isolati a basso consumo. L’LT8302, un convertitore flyback isolato presentato di recente, risolve molti di questi problemi di progettazione.
PROGETTAZIONE SEMPLICE DI CIRCUITI FLYBACK IC
L’LT8302 rende superflui il fotoaccoppiatore, la tensione di riferimento sul lato secondario e il terzo avvolgimento del trasformatore, pur mantenendo l’isolamento tra il lato primario e secondario mediante un solo componente, il trasformatore di potenza, che attraversa la barriera di isolamento. L’LT8302 utilizza uno schema circuitale in grado di rilevare la tensione di uscita attraverso l’analisi della forma d’onda flyback sul lato primario. Durante il periodo di switch-off, il diodo di uscita fornisce la corrente all’uscita e la tensione di uscita viene riflessa sul lato primario del trasformatore flyback. Il valore della tensione del nodo di commutazione è dato dalla somma della tensione di ingresso e della tensione di uscita riflessa che l’LT8302 è in grado di analizzare. La tecnica del feedback della tensione di uscita migliora la regolazione totale (±5%) sugli interi intervalli della tensione di linea, del carico e della temperatura. Nella Figura 1 si vede lo schema di un convertitore flyback che usa l’LT8302 e solo 14 componenti esterni. L’LT8302 è disponibile in un contenitore SO-8 a 8 pin con caratteristiche di dissipazione termica avanzate e accetta una tensione di ingresso compresa tra 2,8V e 42V. Il robusto switch di potenza DMOS interno da 3,6A, 65V consente di fornire fino a 18W di potenza di uscita. Il funzionamento in Burst Mode a basso ripple in presenza di carichi leggeri riduce la corrente di riposo ad appena 106 μA, una caratteristica che consente di prolungare la durata della batteria nella modalità sleep con la tensione di uscita in regolazione. Tra le altre caratteristiche figurano un circuito di soft-start interno e il blocco di sotto-tensione. Il rapporto di trasformazione e un resistore esterno sono tutto ciò che serve per impostare la tensione di uscita.
Figura 1: Convertitore flyback LT8302 con rilevamento della tensione di uscita sul lato primario
RILEVAMENTO DELLA TENSIONE DI USCITA SUL LATO PRIMARIO
Solitamente il rilevamento della tensione di uscita per un convertitore isolato richiede un fotoaccoppiatore e una tensione di riferimento sul lato secondario. Il fotoaccoppiatore trasmette il segnale di ritorno della tensione di uscita mediante il collegamento ottico, mantenendo la barriera di isolamento. Ma il rapporto di trasferimento del fotoaccoppiatore varia con la temperatura e l’invecchiamento, compromettendone la precisione. I fotoaccoppiatori possono avere caratteristiche di linearità differenti da un’unità all’altra, il che comporta caratteristiche di guadagno/fase diverse da un circuito all’altro. Per chiudere l’anello si può anche utilizzare un dispositivo flyback dotato di trasformatore con un avvolgimento supplementare per la retroazione di tensione. Tale avvolgimento, però, comporta un aumento delle dimensioni e del costo del trasformatore stesso e non garantisce una buona regolazione della tensione di uscita. L’LT8302 rende superflui il fotoaccoppiatore e l’avvolgimento supplementare del trasformatore, rilevando la tensione di uscita sul lato primario del trasformatore. La tensione di uscita viene misurata con precisione sulla forma d’onda sul fronte principale durante il periodo di interdizione del transistor (vedi Figura 2), dove N è il rapporto di trasformazione, VIN è la tensione di ingresso e VC è il valore di limitazione della tensione.
Figura 2: Tipica forma d’onda del nodo di commutazione
IL FUNZIONAMENTO IN MODALITÀ BOUNDARY RIDUCE LE DIMENSIONI DEL CONVERTITORE E MIGLIORA LA REGOLAZIONE
Il convertitore flyback LT8302 accende il suo switch interno non appena la corrente sul lato secondario arriva a zero e lo spegne quando la corrente dello switch raggiunge il limite predefinito. Funziona sempre nel punto di passaggio tra la modalità CCM (Continuous Conduction Mode) e la modalità DCM (Discontinuous Conduction Mode), solitamente denominato modalità boundary o CCM (Critical Conduction Mode). La modalità boundary è uno schema di commutazione a controllo in corrente a frequenza variabile. Quando lo switch di potenza interno si accende, la corrente del trasformatore aumenta fino al limite preimpostato. La tensione sul pin SW aumenta fino alla tensione di uscita divisa per il rapporto di trasformazione secondario-primario più la tensione in ingresso. Quando la corrente secondaria nel diodo scende a zero, la tensione del pin SW scende al di sotto di VIN. L’LT8302 rileva l’evento e riattiva lo switch, ripetendo il ciclo. La modalità boundary riporta la corrente secondaria a zero alla fine di ogni ciclo, così la caduta di tensione resistiva parassita non provoca errori di regolazione del carico. Inoltre, lo switch flyback primario viene sempre attivato quando la corrente è a zero e il diodo di uscita non presenta perdita di "reverse recovery". Questa riduzione della perdita di potenza consente al convertitore flyback di operare a una frequenza di commutazione relativamente alta, il che, a sua volta, riduce le dimensioni del trasformatore rispetto a progetti alternativi con frequenze inferiori. Nella Figura 3 si vedono la tensione, la corrente SW e la corrente nel diodo di uscita.
Figura 3: Forme d’onda del convertitore flyback nella modalità boundary
La regolazione del carico dell’LT8302 è eccellente, per merito dell’ottima risposta alla tensione di uscita riflessa che viene sempre campionata sul passaggio per lo zero del valore di corrente del diodo, normalmente è migliore di ±1% in tutto l’intervallo del carico di uscita (vedi Figura 4).
Figura 4: Curva di regolazione del carico e della linea dello schema della Figura 1
SELEZIONE DEL TRASFORMATORE E CONSIDERAZIONI PROGETTUALI
La specifica e la progettazione del trasformatore sono probabilmente la parte più importante per una buona applicazione dell’LT8302. Oltre ai soliti limiti associati alla progettazione di trasformatori di alimentazione isolati, relativi a induttanze a bassa perdita e accoppiamento stretto, occorre tenere sotto stretto controllo il rapporto di trasformazione. La tensione sul lato secondario del trasformatore dipende dalla tensione campionata sul lato primario, per cui il rapporto di trasformazione va controllato per garantire un valore consistente della tensione di uscita. La Tabella 1 contiene un breve elenco di trasformatori standard consigliati da Wurth Elektronik. Questi dispositivi resistono a una tensione di rottura di 1,5 kV AC per un minuto tra primario e secondario. Si possono utilizzare anche tensioni di rottura maggiori e trasformatori personalizzati. Per configurare un circuito LT8302 usando uno dei trasformatori elencati nella Tabella 1, è possibile scaricare una copia gratuita del software LTSpice. La simulazione produce risultati realistici che contribuiscono a semplificare ulteriormente lo sviluppo ed a convalidare la progettazione di tali convertitori. Il circuito di simulazione comprende informazioni sull’avvio e sulla sua risposta agli aumenti di carico per tensioni in ingresso diverse. È facile apportare modifiche e vederne l’impatto sulle prestazioni del circuito.
Tabella 1: Trasformatori standard per LT8302
CONCLUSIONI
L’uscita isolata viene utilizzata in diversi tipi di alimentatori e spesso viene adottata per i dispositivi sensibili al rumore che richiedono una separazione della massa da una tensione di ingresso rumorosa. Un circuito basato sull’LT8302 facilita la progettazione del convertitore flyback isolato, rendendo superflui il fotoaccoppiatore, la tensione di riferimento sul lato secondario e il terzo avvolgimento del trasformatore. Questo dispositivo mantiene l’isolamento primario/secondario con un solo componente che attraversa la barriera di isolamento. La possibilità di utilizzare trasformatori comunemente reperibili in commercio, unita all’ottima regolazione del carico, rendono questo dispositivo la soluzione ideale per una vasta gamma di applicazioni. In questo modo la progettazione di un convertitore isolato diventa più semplice per lo sviluppatore HW.
