In questo articolo tratteremo ancora lo studio degli alimentatori switching attraverso la simulazione dei circuiti di base degli alimentatori step-down e step-up. Per la simulazione utilizzeremo i software LTspice e Proteus Professional. Infine, a titolo di esempio, progetteremo e testeremo in simulazione un alimentatore step-down in cui viene impiegato il circuito integrato MC34063A.

Test in simulazione dell’alimentatore STEP-DOWN

Nello schema elettrico di Figura 1 è riportato il circuito di test semplificato di un alimentatore step-down (noto anche come convertitore DC-DC Buck) in modalità di funzionamento continuo del convertitore (CCM). L’alimentatore step-down fornisce in uscita una tensione più bassa di quella applicata in ingresso. Nel funzionamento CCM la corrente nell’induttore, quindi nel circuito, non si interrompe mai. Il test sarà eseguito utilizzando il software LTspice XVII. L’interruttore di switching controllato in tensione S1 (INT è il suo valore), unitamente al generatore d’impulsi V1, mediante l’apertura e la chiusura sincronizzata, simula uno switch elettronico di controllo della commutazione dell’alimentatore switching step-down ad una specificata frequenza e duty cycle. Per questo test, mediante una direttiva di LTspice, V1 viene impostato per generare un segnale ad onda rettangolare di frequenza 25 kHz, ampiezza 10 V e duty cycle del 41,6%. Il test prevede inizialmente scarichi l’induttore e il condensatore.

Figura 1: Schema del circuito sotto test dell’alimentatore step-down

Il circuito dell’alimentatore step-down da testare in simulazione è composto dal generatore di tensione d’ingresso VIN da 12 V, generatore di impulsi V1, interruttore S1 controllato in tensione dal generatore V1, diodo shottky di ricircolo D1 (MBRS340 a bassa caduta di tensione e alta velocità di commutazione), induttore L1 in serie al parallelo del condensatore C1 con il resistore di carico RL.

Calcolo dei componenti

Il circuito è progettato per ottenere una tensione di uscita di +5 V stabile e una corrente massima erogabile di 1A quando viene applicata in ingresso una tensione di 12 V. Il valore dei componenti è calcolato considerando trascurabile la caduta di tensione sul diodo D1 e nel rispetto delle seguenti specifiche di progetto:

• VIN = 12 V
• VOUT = 5 V
• IOUT_max = 1 A
• ∆VOUT = 1% VOUT
• ∆IL = 30% IOUT_max
• fs = 25 kHz (T=40 us)
• D = 41.6% (ton 16,6 us)

• VIN: tensione continua applicata in ingresso
• VOUT: tensione di uscita
• IOUT_max: corrente massima erogabile sul carico
• ∆VOUT: ondulazione (ripple) della tensione di uscita VOUT
• ∆IL: ripple della corrente nell'induttore
• fs: frequenza di switching
• D: duty cycle del segnale di switching

Calcolo del duty cycle

In un alimentatore step-down, per calcolare il duty cycle dal valore della tensione d’ingresso VIN e della tensione di uscita VOUT, si applica la seguente formula:

D=VOUT/VIN=5/12≈0,416

Ciò significa che l’interruttore S1 resta chiuso per un tempo pari a:

ton=40⋅0,416=16,64 us

Calcolo dell’induttanza L1

Il calcolo dell’induttanza tiene conto del ripple (∆IL=30% IOUT_max) della corrente nell’induttore:

∆IL = 0,3⋅IOUT_max=0,3⋅1=0,3 A

La formula in Figura 2 mostra il calcolo dell'induttanza L1:

Figura 2: Formula per il calcolo dell'induttanza L1

Calcolo del condensatore di uscita C1

Nelle specifiche di progetto viene richiesto che il ripple della tensione di uscita (∆VOUT) sia ∆VOUT=1% VOUT, ossia:

∆VOUT = 0.01⋅ VOUT=0.01⋅5=0.05 V

Considerando irrilevante l’ESR del condensatore C1, la formula per il calcolo di C1 è riportata in Figura 3:

Figura 3: Formula per il calcolo del condensatore di uscita C1

Simulazione del circuito - La corrente nell’induttore I(L1)

Avviata la simulazione con LTspice, nel grafico di Figura 4 viene mostrato l’andamento della corrente che fluisce nell’induttore L1 nell’intervallo di tempo da t=0 a t=2 ms.

Figura 4: Andamento della corrente I(L1) nell’induttore

Gli assi verticali indicano a sinistra la tensione del segnale impulsivo da 0 a 12 V all’uscita dell’interruttore, a destra la corrente I(L1) da 0 A a 1,8 A, mentre l’asse orizzontale è la base dei tempi di esecuzione del test. La funzione dell’induttore è di immagazzinare energia fornita dal generatore VIN quando l'interruttore è chiuso (fase ON) e rilasciarla gradualmente al carico quando l'interruttore è aperto (fase OFF). Il condensatore ha la funzione di livellare e mantenere il livello di tensione verso il carico.

Come mostrato nel grafico di Figura 4, nella fase ON iniziale (da t=0), la corrente nell'induttore sale gradualmente fino al picco di 1,8 A, quasi il doppio della corrente massima prevista, in quanto, come premesso, il condensatore è inizialmente completamente scarico, quindi si comporta come un cortocircuito. Man mano che il condensatore si carica, la corrente scende fino a raggiungere il valore di corrente di 1 A richiesto dal carico rappresentato dal resistore RL da 5 Ω. La forma a dente di sega della corrente I(L1) è il ripple, ossia la variazione fra fase ON e fase OFF della corrente intorno al valore di 1 A. La commutazione fase ON/fase OFF è determinata dal segnale impulsivo V1 applicato all’interruttore controllato, che fa sì che la tensione d’ingresso VIN venga applicata all’ingresso del circuito. La forma d’onda continua rappresenta l’andamento della corrente I(RI) nel carico, che, come vedete, segue l’andamento della corrente nell’induttore fino a stabilizzarsi al valore di corrente massimo di 1 A per una tensione di uscita di 5 V.

Analisi delle forme d’onda delle tensioni e correnti

Nella successiva simulazione, analizzando le forme d’onda delle tensioni e delle correnti nel circuito riportate nei grafici di Figura 5, si può desumere il funzionamento dell’alimentatore step-down. Nel grafico del plotter in alto del simulatore LTspice sono mostrate le tensioni: la tensione all’uscita dell’interruttore (che abbiamo chiamato VIN_PULSE), la tensione di uscita VOUT e la tensione V(VL1) ai capi dell’induttore; nel grafico del plotter in basso sono mostrate le forme d’onda delle correnti: I(IL1) nell’induttore, I(ID1) nel diodo, I(RL)nel carico, I(C1) nel condensatore.

Figura 5: Grafici delle tensioni e correnti durante la simulazione

Il circuito step-down viene testato in un intervallo di tempo da 1,48 ms a 1,66 ms, ovvero pari a 180 µs, con uno step di 20 µs. Abbiamo scelto di avviare la simulazione da un tempo distante da t=0, poiché il funzionamento del circuito è stabilmente a regime. In questo intervallo di 4,5 periodi, possiamo desumere chiaramente il principio di funzionamento dell’alimentatore step-down attraverso l’analisi delle varie forme d’onda. La tensione applicata in ingresso durante la commutazione si trasforma in un segnale ad onda rettangolare con frequenza di 25 kHz (periodo T=40 µs) e duty cycle del 41.6%, pari a 16,64 µs nel periodo di 40 µs.

Fase ON (interruttore chiuso)

In t=1,48 ms viene applicato in ingresso un fronte d’onda positivo di 12 V. La tensione ai capi dell’induttore V(VL1) è positiva e si manterrà costante per tutta la durata del fronte positivo al valore di tensione calcolato dalla seguente formula:

VL1=VIN-VOUT=12-5=7 V

Nell’induttore inizia a crescere linearmente la corrente I(L1) fino a raggiungere il valore massimo di 1,15 A. La corrente I(C1) del condensatore segue esattamente l’andamento della corrente dell’induttore, fino a raggiungere un valore di corrente I(C1=) I(L1)_max-I(RL). La corrente nel diodo I(D1) è nulla, poiché il diodo non conduce essendo polarizzato inversamente dalla tensione positiva V(L1) ai capi dell’induttore.

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