Il regolatore LM26400Y per l’alimentazione di sistemi MULTI-RAIL

Un regolatore buck che accetta in ingresso tensioni da 3v a 20v ed integra sia il powerfet che l’anello di regolazione. L’lm26400y sembra essere la soluzione ottimale per sistemi che richiedono linee di alimentazione multiple.

I sistemi elettronici moderni sono normalmente caratterizzati dalla presenza di numerose linee di alimentazione ciascuna delle quali utilizza uno specifico regolatore point-of-load. La linea comune di ingresso di questi regolatori può essere di volta in volta un adattatore da rete AC, un bus intermedio, una batteria, o una linea di alimentazione USB. Di norma è desiderabile trovare una soluzione in grado di accettare una ampia gamma di tensioni di ingresso, che presenti un buon livello di integrazione, e che sia semplice da utilizzare.  Il regolatore duale switching LM26400Y, che impiega una tipologia buck, rappresenta la soluzione ottimale per l’impiego in queste applicazioni. Il dispositivo  presenta una gamma di tensione di ingresso che si estende da 3V a 20V unita a un duty-cycle massimo garantito del 90%, fattori che lo mettono in grado di soddisfare le necessità di un gran numero di conversioni step-down. L’LM26400Y integra sia il PowerFET che la compensazione dell’anello di regolazione, ed entrambi i due contenitori in cui il dispositivi è disponibile, presentano un pad esposto che consente un trasferimento ottimale della temperatura tra il die e il circuito stampato. La figura 1 riporta uno schema a blocchi semplificato del regolatore LM26400Y.

Figura 1: schema a blocchi semplificato del regolatore LM26400Y.

Figura 1: schema a blocchi semplificato del regolatore LM26400Y.

Il dispositivo  dispone della funzione di soft-start e di abilitazione separate, e include  il diodo di bootstrap. La corretta sequenza delle tensioni di alimentazione può essere realizzata sia commutando i pin di abilitazione in tempi diversi, che utilizzando due differenti rampe di softstart. L’integrazione del diodo di bootstrap semplifica in modo significativo  il progetto, ed il fatto che i due canali commutino alla stessa frequenza di 500kHz ma in opposizione di fase, riduce il valore della corrente alternata che circola nel condensatore di ingresso. In questo articolo esamineremo due diverse applicazioni che utilizzano il regolatore buck LM26400Y;  il primo esempio realizza un sistema di alimentazione per una FPGA, mentre il secondo consiste in un sistema di alimentazione che preleva l’energia necessaria per il suo funzionamento da più di una sorgente.

Alimentatore per FPGA

Il primo esempio utilizza un sottosistema basato su una FPGA che comprende al suo interno sei diversi blocchi funzionali che prevedono l’impiego delle tensioni di alimentazione riportate in tabella 1.

TABELLA 1 – ALIMENTAZIONI PER UN TIPICO SISTEMA BASATO SU FPGA

Tabella 1: alimentazione per un tipico sistema basato su FPGA

Per potersi interfacciare senza problemi con buffer di uscita che utilizzano standard diversi, è necessario che i quattro banchi di I/O possano operare con cinque diversi valori di tensione. Per progettare in modo ottimale il sistema di alimentazione per una FPGA è necessario conoscere in modo approfondito le caratteristiche dell’applicazione. Le potenze richieste dalle sei funzioni che trovano posto nel chip possono variare in modo sostanziale in funzione del grado di utilizzo. Lo strumento di valutazione del consumo fornito dal produttore dell’FPGA traduce lo scenario di impiego in una serie di valori di corrente che potranno essere convenientemente utilizzati dal progettista. Tali valori sono riportati nella tabella 2.

TABELLA 2 - CONSUMO DELLE SINGOLE LINEE DI ALIMENTAZIONE PER UN FPGA

TABELLA 2 - CONSUMO DELLE SINGOLE LINEE DI ALIMENTAZIONE PER UN FPGA

Analizzando la tabella vediamo che VCCOUT e VCCO_0 presentano lo stesso valore di tensione, per cui possono utilizzare lo stesso regolatore, ma esiste la necessità di dover attivare VCCO_0 separatamente per soddisfare la sequenza di accensione del dispositivo periferico, e di conseguenza dovremo utilizzare un sistema che prevede quattro linee di alimentazione separate. Le quattro linee potranno essere attivate in modo indipendente, rispettando il tempo di salita della tensione che deve rientrare nelle tolleranze previste per il valore nominale con una rampa monotonica e in un tempo compreso tra 0,2ms e 50ms. La sola criticità da rispettare si riferisce a VCCINT che, come riportato nel datasheet, se sale prima di VCCAUX può provocare un incremento della corrente assorbita sulla linea di alimentazione di VCCINT che presenta un valore tipico di 366mA, e che si manifesta dal momento in cui VCCINT supera i 0,5V. La scheda che ospita la FPGA dovrà essere utilizzata su due diverse tipologie di sistemi, uno che fornisce una tensione di ingresso di 12V ±10% e uno che presenta una tensione di 5V ±5%, per cui i regolatori di tensione utilizzati per alimentare la FPGA dovranno essere in grado di operare correttamente tra 4,75V e 13,2V. Una soluzione lineare non rappresenta sicuramente una seria opzione a motivo delle perdite per dissipazione che diventano assolutamente inaccettabili con tensione di ingresso di 12V. Partendo dalle considera zioni precedentemente esposte, e tenendo conto di un margine di sicurezza che si rende necessario considerando che il tutto si basa su stime, vediamo che per l’implementazione del sistema di alimentazione sono necessari due due regolatori switching in grado di erogare 2A ciascuno, per VCCINT e VCCO_0, un regolatore switching da 1A per VCCAUX e un alimentatore switching da circa 1,5A per VCCO_1, VCCO_2 e VCCO_3. Potremo utilizzare un regolatore LM26400Y per generare le tensioni VCCINT e VCCAUX, e un secondo regolatore per generare le tensioni necessarie ad alimentare le linee di I/O. Lo schema per l’alimentazione di VCCINT (1,2V) e di VCCAUX (2,5V) è riportato nella figura 2.

Figura 2: regolatore per l’alimentazione di VCCINT e VCCAUX di una FPGA.

Figura 2: regolatore per l’alimentazione di VCCINT e VCCAUX di una FPGA.

L’andamento delle tensioni al momento dell’accensione è riportato nella figura 3 che mostra come la tensione VCCAUX salga con una rapidità doppia rispetto a VCCINT anche se entrambi i regolatori utilizzano lo stesso condensatore di soft-start da 15nF, a motivo del rapporto più elevato del partitore che fissa il valore della tensione di uscita.

Figura 3: andamento delle tensioni di uscita al momento dell’accensione.

Figura 3: andamento delle tensioni di uscita al momento dell’accensione.

Questo comportamento consente al progettista di evitare il verificarsi della condizione  di sovraccarico descritta in precedenza. Per le altre due linee di alimentazione utilizzeremo una soluzione identica a quella impiegata per VCCAUX per generare la tensione di 2,5V necessaria per VCCO_0, mentre per la linea a 3,3V necessaria per VCCO_1/2/3 dovremo modificare  il valore della resistenza connessa tra l’uscita e l’ingresso di feedback. In questo caso i due ingressi di abilitazione non sono connessi alla linea di alimentazione per poter comandare in modo ottimale la sequenza di accensione che utilizzerà due linee di I/O del sistema stesso. Una ulteriore modifica che si rende necessaria è costituita dall’impiego di due condensatori di soft-start da 15nF ciascuno.  Il progetto completo è stato verificato in laboratorio dove, per l’uscita VCCO_1/2/3, è stata rilevato l’andamento del valore dell’efficienza in funzione della tensione di ingresso e della corrente di uscita, misurando i valori riportati nella figura 4.

Figura 4: andamento dell’efficienza in funzione della tensione di ingresso e della corrente di uscita.

Figura 4: andamento dell’efficienza in funzione della tensione di ingresso e della corrente di uscita.

Scanner per Codice a Barre

Il secondo esempio riguarda uno scanner per la lettura di codici a barre utilizzato nei sistemi POS che deve poter operare correttamente con tensioni di ingresso provenienti da varie sorgenti. Le tensioni e le correnti necessarie sono rispettivamente di 3,3V ± 10% a 1, e di 1,8V ± 7% a 0,8A. La linea a 3,3V viene utilizzata per alimentare la circuiteria analogica, mentre quella a 1,8V alimenta  il microcontrollore. Lo scanner deve poter essere alimentato utilizzando una porta PS2, una porta USB, o una linea di alimentazione da 12V fornita dal sistema a cui lo scanner è connesso. A motivo della caduta di tensione sul cavo di alimentazione dello scanner avremo che la tensione di 5V fornita da una porta PS2 o USB si può ridurre a 4,1V, e questo rappresenta una seria problematica per la corretta generazione della linea a 3,3V in quanto il valore del duty-cycle massimo pari al 90% che caratterizza il regolatore buck LM26400Y. Tenendo in considerazione  il fatto che la linea a 3,3V può scendere del 10%, e che la precisione del riferimento interno dell’LM26400Y, includendo anche l’errore dovuto al partitore di feedback, è del 2,2%, potremo fissare il valore della tensione di uscita a 3,1V senza violare  i valori di specifica. A queste condizioni operative corrisponde un valore del duty-cycle massimo dell’85%. L’equazione che consente di calcolare il duty-cycle è disponibile alla pagina 17 del datasheet. Un ulteriore fattore limitante è rappresentato dalla caduta di tensione massima che può essere accettata al momento della connessione ad una porta USB, che è di 330mV. Potremo superare questo fattore limitante sia utilizzando un sistema di limitazione della corrente di inrush, o limitando la capacità di ingresso del dispositivo da connettere alla porta USB a 10μF. Dato che il regolatore  LM26400Y è in grado di operare correttamente con una capacità di ingresso ceramica di 10μF, elimineremo la necessità di dover utilizzare un limitatore della corrente di in-rush. L’applicazione non richiede una specifica temporizzazione delle due linee di alimentazione, per cui gli ingressi di abilitazione potranno essere connessi alla tensione di ingresso e potremo utilizzare un unico condensatore di soft-start. La figura 5 riporta lo schema elettrico della soluzione.

Figura 5: regolatore per l’alimentazione di un lettore di codici a barre.

Figura 5: regolatore per l’alimentazione di un lettore di codici a barre.

Il progetto presenta una eccellente stabilità e banda passante, con un una frequenza di cross-over dell’anello di feedback di 70kHz e un margine di fase nominale di 55°. La risposta ai transitori di carico dell’uscita a 1,8V è riportata nella figura 6.

Figura 6: risposta ai transitori di carico dell’alimentatore per lettore di codici a barre.

Figura 6: risposta ai transitori di carico dell’alimentatore per lettore di codici a barre.

La variazione di tensione tipica mostra una escursione di +45mV e -50mV che rientrano largamente nei parametri di specifica. Nelle due applicazioni descritte, il regolatore buck LM26400Y permette di realizzare una soluzione allo stesso tempo funzionale ed efficiente, e nel sistema di alimentazione per FPGA mette in evidenza la semplicità di impiego, l’economia di scala, e la semplicità di realizzazione della sequenza di accensione consentita dal dispositivo. L’applicazione per l’alimentazione di uno scanner per codici a barre evidenzia la convenienza di poter accettare più sorgenti di ingresso che presentano una ampia gamma di tensioni, e di poter limitare entro valori decisamente ridotti la corrente di in-rush. L’LM26400Y è un regolatore buck duale di elevate prestazioni che integra funzioni di semplice utilizzo ed impiega un contenitore con caratteristiche termiche avanzate.

 

 

Scrivi un commento

EOS-Academy
Abbonati ora!