L’importanza dei regolatori lineari e switching – Intervista a Tony Armstrong e Brian Black, Managers @ Analog Devices

I progettisti sono ben consapevoli dell'efficienza dei convertitori cc/cc in molte applicazioni che coinvolgono per esempio i sistemi di energy harvesting. Le richieste di basso costo, lunga durata della batteria e dimensioni ridotte stanno cambiando e riorganizzando le priorità di progettazione degli alimentatori.

I regolatori lineari sono un'ottima scelta per alimentare dispositivi o applicazioni a bassa potenza in cui la differenza tra ingresso e uscita è molto piccola. Anche se sono facili da usare, semplici ed economici, un regolatore lineare è normalmente inefficiente.  I regolatori di commutazione d'altra parte sono altamente efficienti e disponibili come chip modulari che sono compatti e affidabili. I regolatori di commutazione o switching possono essere ulteriormente suddivisi in isolati e non isolati. In questa intervista a due grandi esponenti della Analog Devices, vogliamo mettere in evidenza alcuni aspetti relativamente alla scelta di un giusto regolatore. Tony Armstrong, Director of Power by Linear Products @ Analog Devices, mette in evidenza le caratteristiche e gli approcci di design nell'ambito dei sistemi di power management.

1. Quali sono le differenze più importanti fra i regolatori switching e i regolatori lineari? Inoltre, quali sono i limiti dei diversi approcci e quali parametri inevitabilmente conducono alla decisione di scegliere l’uno o l’altro approccio? Quali sono i requisiti degli sviluppi più avanzati in relazione ai regolatori switching e a quelli LDO? Infine, quale prodotto è attualmente il migliore tra quelli offerti per quanto riguarda sia i regolatori switching che quelli LDO?

Sarebbe magnifico se ogni volta che il progettista di un alimentatore accende per la prima volta la scheda di alimentazione di un prototipo, questo non solo funzioni, ma si mantenga anche silenzioso e non si surriscaldi. Sfortunatamente, ciò non si verifica sempre. Un problema frequente degli alimentatori switching è rappresentato dalle forme d’onda di commutazione “instabili”: a volte, il jitter di una forma d’onda è così pronunciato che è possibile udire il rumore emesso dai componenti magnetici. Se il problema è correlato al layout della scheda, identificare la causa può essere difficile. Ecco perché è cruciale disporre dell’appropriato layout nelle primissime fasi del progetto di un alimentatore switching. Questo aspetto non deve mai essere sottovalutato.

Il tipico progettista di alimentatori comprende i dettagli tecnici e i requisiti funzionali dell’alimentatore inserito nel prodotto finale, e sin dall’inizio dovrebbe collaborare fianco a fianco con il progettista del layout del circuito stampato riguardo a questo aspetto cruciale. Un buon progetto del layout ottimizza l’efficienza dell’alimentatore, mitiga lo stress termico e soprattutto riduce al minimo il rumore e le interazioni fra tracce e componenti. Per ottenere questi risultati, è importante che il progettista abbia chiarisca i percorsi di conduzione della corrente e i flussi di segnale nell’alimentatore switching.

Il circuito di un alimentatore switching può essere diviso in due parti: il circuito dello stadio di potenza e il circuito di controllo a piccoli segnali. Il primo include i componenti nei quali è presenta la corrente elevata e che in genere devono essere posizionati per primi; successivamente si inserisce il circuito di controllo dei piccoli segnali in uno specifico punto del layout. Le tracce per l’alta corrente devono essere corte e larghe per ridurre al minimo l’induttanza parassita, la resistenza e di conseguenza la caduta di tensione sulla pista o sul piano del circuito stampato. Ciò è particolarmente cruciale per le tracce con corrente a impulsi a elevato di/dt.

In un progetto che non includa dissipatori esterni per gli induttori e i MOSFET di potenza a montaggio superficiale, è necessario che l’area in rame sia sufficiente per funzionare anche da dissipatore. Per un nodo di tensione DC, come la tensione di ingresso/uscita e la massa dell’alimentazione, è desiderabile far sì che l’area di rame sia quanto più grande possibile. Numerosi fori di vias sono utili per ridurre ulteriormente lo stress termico. Per i nodi di commutazione a elevato dv/dt, le appropriate dimensioni dell’area di rame in corrispondenza del nodo di commutazione sono il risultato di un compromesso tra ridurre al minimo i rumori correlati a dv/dt e assicurare una buona capacità di dissipazione termica per i MOSFET.

Infine, il circuito di controllo deve trovarsi lontano dalle aree in rame con commutazioni rumorose. È preferibile posizionarlo in prossimità del lato Vout+ nel caso di un convertitore buck e del lato Vin+ nel caso di un convertitore boost, dove nelle tracce di alimentazione circola corrente continua. Se lo spazio lo consente, il circuito integrato di controllo va inserito a distanza non vicinissima (1,25 – 2,4 cm) dagli induttori e dai MOSFET di potenza, che sono rumorosi e si portano a temperatura elevata. Se invece il vincolo di spazio costringe a posizionare il regolatore in prossimità degli induttori e dei MOSFET di potenza, occorre prestare particolare attenzione a isolare il circuito di controllo dai componenti di alimentazione mediante piani di massa.

Il regolatore lineare viene ampiamente utilizzato nel settore degli alimentatori da lunghissimo tempo; ne è stato il componente fondamentale finché, dopo gli anni Sessanta, non si sono affermati gli alimentatori switching, e anche oggi, i regolatori lineari sono molto diffusi in un’ampia gamma di applicazioni. Oltre alla semplicità d’uso, i regolatori lineari offrono altri vantaggi in termini di prestazioni. I produttori di dispositivi di power management hanno sviluppato molti regolatori lineari integrati. Un tipico regolatore lineare integrato ha bisogno solo dei pin VIN, VOUT, FB e in opzione, GND. Si consideri un tipico regolatore lineare a 3 terminali come l’LT1083, che è stato sviluppato oltre 20 anni fa da Linear Technology ora Analog Devices. Per regolare la tensione di uscita richiede solo un condensatore d’ingresso e uno di uscita oltre a due resistori di retroazione. Quasi ogni ingegnere elettrico può progettare un alimentatore utilizzando questi semplici regolatori lineari. L’uso di regolatori lineari ha però il notevole svantaggio della dissipazione di potenza del transistor in serie, che ovviamente lavora in modo lineare. È inoltre evidente che un regolatore lineare o uno LDO può eseguire la sola conversione DC/DC in discesa. In applicazioni nelle quali la tensione VOUT debba essere maggiore di VIN o sia necessario produrre una tensione VOUT negativa a partire da una VIN positiva, ovviamente non si possono impiegare regolatori lineari.

Brian Black, Product Marketing Manager @ Analog Devices, vuole analizzare alcuni aspetti front-end analogici per eseguire corrette misure. Alcuni parametri di analisi sono fondamentali per una corretta progettazione, nonchè una scelta del dispositivo IC che possa svolgere le funzioni nel migliore dei modi.

2. Quali caratteristiche sono cruciali per individuare l’amplificatore adatto per un front-end analogico al fine di eseguire misure di precisione?

Corrente di polarizzazione d’ingresso:

Per sensori con uscita ad alta impedenza, una bassa corrente di polarizzazione d’ingresso è molto importante per ridurre al minimo gli errori e far sì che il circuito funzioni. Se l’ambiente è a temperatura elevata o presenta un ampio range di temperature, è anche importante che la corrente di polarizzazione dell’amplificatore operazionale rimanga bassa ad alte temperature. Per la maggior parte degli amplificatori operazionali, la corrente di polarizzazione d’ingresso aumenta rapidamente in funzione della temperatura poiché i dispositivi di protezione dalla scarica elettrostatica iniziano a produrre correnti di dispersione. Due amplificatori operazionali che mantengono una corrente di polarizzazione d’ingresso ultrabassa in un ampio range di temperature sono l’LTC6268 per applicazioni a elevata velocità (per. es., amplificatori di transimpedenza con fotodiodo) e l’ADA4530-1 per applicazioni a ridotta larghezza di banda (per. es., elettrometri).

Tensione di offset (Vos) e relativo coefficiente di temperatura (TCVos):

La tensione di offset all’ingresso e le sue variazioni in funzione della temperatura sono anch’esse importanti per misure di elevata precisione poiché questi valori spesso determinano il minimo livello del segnale distinguibile in un’applicazione di elaborazione del segnale. Vari amplificatori con deriva nulla, come l’LTC2063, l’LTC2057 e l’ADA4522-1, sono ottimizzati per offrire prestazioni ottimali in questi casi.

Precisione del resistore:

In molti circuiti di amplificatori operazionali e amplificatori differenziali, il fattore limitante della precisione è l’adattamento dei resistori esterni utilizzati per impostare il guadagno. L’amplificatore di guadagno LT1997-3 incorpora resistori adattati quasi perfettamente per il monitoraggio della sovratemperatura e presenta una tensione di modo comune per garantire precisione superiore, mentre l’LT5400 è un set di resistori “matchati” di precisione, utilizzabile con amplificatori separati per ottenere risultati di precisione eccellente.

Rumore:

A seconda della larghezza di banda del circuito e dell’impedenza d’ingresso dell’amplificatore operazionale, un progettista di sistemi dovrà prestare molta attenzione al rumore di tensione e/o a quello di corrente, entrambi a larga banda e bassa frequenza. L’amplificatore operazionale LT6018 ha un rumore di tensione 1/f estremamente basso.

Velocità:

Larghezza di banda, slew rate e tempo di assestamento sufficienti sono essenziali ai fini dell’adattamento alle caratteristiche del sensore nonché per il funzionamento con l’architettura della catena di segnale, compresi l’eventuale multiplexing di più canali e i requisiti sul tempo di assestamento del convertitori di dati.

Range d’ingresso di modo comune:

In circuiti nei quali si debba misurare con precisione l’ampiezza di un segnale di ridotto valore in presenza di una tensione di modo comune notevole o variabile, come nel caso di misure di rilevamento della corrente sul lato alto , è necessaria un’adeguata reiezione di modo comune (CMRR).

Consumo di potenza:

In strumenti di misura a batteria e reti di sensori wireless, spesso il consumo di potenza è un fattore critico. In tali applicazioni, la possibilità di eseguire l’avvio rapidamente senza consumare correnti eccessive è importante. La modalità di spegnimento può contribuire a ridurre il consumo di potenza durante i periodi di inattività. Amplificatori come l’LTC2063 e l’LTC6258 sono ottimizzati per tali applicazioni.

 

Figura 1: Tony Armstrong

 

Figura 2: Brian Black

 

Scrivi un commento

EOS-Academy

Ricevi GRATIS le pillole di Elettronica

Ricevi via EMAIL 10 articoli tecnici di approfondimento sulle ultime tecnologie