L’elettronica di potenza è presente in ogni sistema moderno, fornire la tensione necessaria ai sottosistemi con il massimo dell’efficienza è il motivo per il quale si utilizzano circuiti a switch. Questi circuiti infatti idealmente dovrebbero garantirci il 100% di efficienza, tuttavia anche considerando le perdite otteniamo un fattore superiore all’80%. A differenza delle tensioni in AC non ci è possibile utilizzare un trasformatore in quanto questo funziona esclusivamente con tensioni non continue, in questo articolo vogliamo analizzare il funzionamento dei convertitori, isolati e non, capendo le differenze tra funzionamento CCM e DCM, in modo da capire in fase di progetto quale di questi funzionamenti è ideale per la nostra applicazione e in caso scegliere i componenti del convertitore in modo ponderato.
CONVERTITORI A SWITCH
Prima di addentrarci nel merito del funzionamento dei singoli convertitori può essere interessante capire perché si è ricorsi all’uso degli switch, la figura 1 ci può aiutare a capire in che modo gli switch ci forniscono una buona efficienza.
Figura 1: Schema elettrico di un buck converter semplificato
Quando lo switch è in posizione 1 il carico è collegato direttamente a Vin, se invece spostiamo lo switch in posizione 2 il carico è cortocircuitato e non abbiamo tensione ai suoi capi, a questo punto introduciamo una frequenza di switching (fs) con cui spostiamo lo switch dalla posizione 1 alla posizione 2, indichiamo con D il duty cycle ovvero la frazione di periodo in cui il carico ha come tensione ai suoi capi Vin. La tensione ai capi del carico a questo punto ha un andamento come quello in figura 2, calcoliamo quindi quanto vale la tensione media ai capi del carico.
Figura 2: Andamento della tensione ai capi del carico
Periodo del converter
Calcoliamo la tensione media attraverso una media ponderata: Von=Vin,Voff=0
In questo modo ai capi del carico sono riuscito ad ottenere una tensione media, indipendente dalla frequenza di commutazione, ma che dipende esclusivamente dal duty cycle. Inoltre se consideriamo nulle le perdite dello switch abbiamo un’efficienza del 100%, è chiaro però che fornire ad un carico una tensione discontinua come quella mostrata in figura 2 non è affatto una buona idea, bisognerebbe aggiungere un filtro che possa fornire al carico una tensione meno discontinua, questa è l’idea alla base del buck converter.
BUCK CONVERTER
Figura 3: Schema circuitale del buck converter, in rosso è evidenziato il filtro in uscita
Il funzionamento del buck converter mostrato in figura 3 è simile a quello del circuito in figura 1, durante la fase di ON lo switch è chiuso, il diodo è polarizzato in inversa quindi spento, e l’induttore ha una tensione ai suoi capi pari a Vin-Vout. Durante la fase di OFF invece lo switch è aperto e il diodo si accende, la tensione ai capi del diodo possiamo considerarla zero dato che a confronto con le altre tensioni è molto più bassa. La tensione ai capi dell’induttore questa volta diventa -Vout. L’aggiunta del filtro mi garantisce una tensione in uscita senza cambiamenti improvvisi, la frequenza di taglio del filtro è:
Affinché il filtro sia efficace la sua frequenza di taglio deve essere inferiore alla frequenza di commutazione dello switch, altrimenti la tensione in uscita continuerà ad avere un comportamento discontinuo. Se consideriamo il generatore di ingresso tuttavia notiamo che la corrente che lo attraversa è tutt'altro che continua, infatti è pari alla corrente dell’induttore durante la fase di ON mentre diventa nulla durante la fase di off, questo può compromettere il funzionamento del circuito di ingresso, per questo motivo si utilizza un filtro di ingresso in modo da ridurre il rumore sulle alimentazioni. [...]
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Ottimo articolo, che integra quello dal titolo “Comprendere le basi della conversione CC-CC” pubblicato il 7 febbraio scorso.
Fortunatamente esistono in commercio una gran quantità dei integrati che svolgono le varie funzioni. Per cui in progettista credo che passi parte del tempo ad analizzare i vari datasheet per trovare quello che meglio si adatta alle proprie necessità.
Articolo molto dettagliato. I convertitori Dc-Dc sono oggi sempre più completi e versatili, tendendo conto che le esigenze di alimentazione dei dispositivi elettronici sono molto differenti tra loro.
Le scelte progettuali sono sempre una fase critica, soprattutto perché i difetti che possono esserci nei componenti reali possono creare effetti negativi sul funzionamento del convertitore.