Non occorrono induttori!

Un assioma fondamentale riguardante gli alimentatori afferma che questi non devono generare un livello eccessivo di rumore. Quindi, alimentatori silenziosi e ben regolati sono importanti per ottenere prestazioni ottimali in molte applicazioni circuitali. Per conseguire tale risultato, è cruciale poter mitigare qualsiasi rumore generato nel corso di questo processo di conversione. Un modo ovvio, a tal fine, consiste semplicemente nell’utilizzare un regolatore lineare.

Introduzione

Sebbene i regolatori lineari forniscano linee di alimentazione silenziose, presentano efficienza di conversione scadente a elevati rapporti in discesa e ciò può comportare problemi termici per i progetti relativi ad applicazioni a corrente elevata.  Naturalmente, i regolatori a commutazione che impiegano componenti magnetici possono alleviare i problemi termici usuali poiché in genere presentano elevata efficienza di conversione, il che comporta un progetto termico più semplice quando per l’applicazione finale sono necessarie correnti di uscita elevate. È ben chiaro che la scelta dei componenti e il layout della scheda di circuiti possano svolgere un ruolo importante nel determinare la riuscita o l’insuccesso di pressoché tutti gli alimentatori.

Questi aspetti ne stabiliscono il comportamento termico e l’interferenza elettromagnetica funzionale. Al profano, il layout di un alimentatore a commutazione può sembrare un rebus, ma si tratta in effetti di un aspetto fondamentale del progetto spesso trascurato nelle prima fasi del processo. Poiché i requisiti corrispondenti all’interferenza elettromagnetica (EMI) funzionale devono essere sempre soddisfatti, ciò che favorisce la stabilità funzionale dell’alimentatore in genere ha un effetto positivo anche sulle sue emissioni EMI. Inoltre, un layout adeguato sin dall’inizio non aggiunge alcun costo al progetto e anzi può assicurare il contenimento dei costi eliminando la necessità di filtri contro l’interferenza elettromagnetica, schermature meccaniche, tempo per l’esecuzione di test EMI e numerose revisioni della scheda.

Non solo: i possibili problemi di interferenza causata dal rumore possono essere aggravati quando in un progetto si utilizzano più regolatori a commutazione CC/CC per generare più linee di tensione o se li si collegano in parallelo ai fini della condivisione della corrente e di una maggiore potenza di uscita. Se tutti gli alimentatori funzionano (commutano) a frequenze prossime tra di loro, l’energia combinata che viene generata da più regolatori in un circuito viene quindi concentrata a una sola frequenza. La presenza di questa energia può diventare un motivo di preoccupazione, specialmente se gli altri circuiti integrati presenti sulle schede di circuiti stampati nonché su altre schede di sistema sono vicini tra di loro e sensibili a questa energia irradiata. Ciò può essere particolarmente fastidioso in sistemi industriali e automobilistici che hanno un’elevata densità di componenti e spesso sono molto vicini a sorgenti di rumore elettrico, come carichi induttivi commutati meccanicamente, uscite di potenza di comandi PWM, clock di microprocessori e contatti che commutano. Inoltre, se la commutazione si verifica a diverse frequenze, possono essere generati per aliasing prodotti di intermodulazione in bande di frequenze sensibili.

Emissioni di regolatori a commutazione

I regolatori a commutazione in genere sostituiscono i regolatori lineari in aree in cui sono importanti l’efficienza e una bassa dissipazione del calore. Inoltre, il regolatore a commutazione normalmente è il primo componente attivo sulla linea del bus di potenza all’ingresso e quindi ha un impatto notevole sulle prestazioni del progetto dell’intero prodotto per quanto riguarda l’interferenza elettromagnetica.  Le emissioni condotte si propagano lungo i cavi e le tracce di collegamento a un prodotto. Poiché il rumore è localizzato a uno specifico terminale o connettore del progetto, spesso la conformità ai requisiti sulle emissioni condotte può essere garantita nelle fasi iniziali del processo di sviluppo con un buon layout del progetto del filtro. Le emissioni irradiate presentano problemi completamente differenti. Qualsiasi componente della scheda in cui circoli corrente irradia un campo elettromagnetico.

Ogni traccia della scheda è un’antenna e ogni piano di rame è un risonatore. Qualsiasi grandezza fisica, tranne una tensione CC o un’onda sinusoidale pura, genera rumore nell’intero spettro del segnale. Anche quando il progetto è eseguito con attenzione, il progettista di un alimentatore non sa mai veramente quali saranno i problemi causati dalle emissioni irradiate finché il sistema non viene sottoposto ai test. E i test riguardanti le emissioni irradiate non possono essere eseguiti formalmente finché il progetto non è sostanzialmente completo.  Spesso si impiegano filtri per ridurre l’interferenza elettromagnetica, attenuando l’intensità dei segnali a una certa frequenza o in un range di frequenze. Una parte di questa energia che si propaga via etere (irradiata) viene attenuata aggiungendo schermi metallici e magnetici, mentre la parte che si propaga lungo le tracce delle scheda di circuiti stampati (condotta) viene attenuata aggiungendo anelli di ferrite e altri filtri. L’interferenza elettromagnetica non può essere eliminata, ma può essere attenuata a un livello accettabile da altri componenti digitali, di elaborazione di segnali e di trasmissione dati. Non solo: numerosi enti normativi applicano standard volti ad assicurare la conformità in sistemi sia industriali che automobilistici.  I componenti dei moderni filtri d’ingresso realizzati a montaggio superficiale presentano prestazioni migliori rispetto ai componenti a foro passante.

Tuttavia, questo miglioramento è sopravanzato dalle richieste più complesse create dagli attuali regolatori a commutazione ad alta frequenza. I bassi tempi On e Off minimi necessari a frequenze di funzionamento più elevate comportano un contenuto armonico superiore a causa delle transizioni di commutazione più veloci, aumentando pertanto il livello di rumore irradiato. Ciò nonostante, questi fronti di commutazione veloci sono necessari per ottenere efficienza di conversione superiore. La pompa di carica di un condensatore a commutazione non presenta questo comportamento poiché funziona a frequenze di commutazione molto più basse e, soprattutto, può tollerare transizioni di commutazione più lente senza che l’efficienza peggiori.  I progettisti di schede di circuiti stampati accorti realizzeranno gli anelli “caldi” affinché abbiano ingombro ridotto e useranno strati di massa di schermatura quanto più vicini possibile allo strato attivo. Nondimeno, le piedinature del dispositivo, la costruzione del package, i requisiti sul progetto termico e le dimensioni del package necessarie per un adeguato immagazzinamento dell’energia nei componenti di disaccoppiamento impongono un limite minimo alle dimensioni degli anelli “caldi”. Complica ulteriormente il problema il fatto che nelle tipiche schede di circuiti stampati planari, l’accoppiamento a trasformatore o magnetico fra le tracce a frequenze superiori a 30MHz riduce tutti gli effetti dei filtri poiché quanto più elevate sono le frequenze delle armoniche, tanto più efficace diventa l’accoppiamento magnetico indesiderato.

Pompe di carica con condensatore a commutazione

Le pompe di carica sono in uso da decenni e attuano la conversione di tensione CC/CC, utilizzando fondamentalmente una rete di interruttori per caricare e scaricare due o più condensatori. Come illustrato nella Figura 1, C1 è il condensatore “di lavoro”, che trasferisce la carica, mentre C2 è il condensatore “di deposito”, che mantiene la carica e filtra la tensione di uscita. Ulteriori condensatori “di lavoro” e schiere di interruttori consentono guadagni multipli.

Figura 1: Diagramma a blocchi semplificato della pompa di carica di un inverter di tensione

Quando gli interruttori S1 e S3 sono allo stato On, ossia chiusi, e gli interruttori S2 e S4 sono allo stato Off, ossia aperti, l’alimentatore all’ingresso carica C1. Durante il ciclo successivo, S1 e S3 sono Off, S2 e S4 sono On, e la carica viene trasferita a C2, generando VOUT = - (V+).  Tuttavia, fino a poco tempo fa, le pompe di carica avevano range di tensione di ingresso e uscita limitati, il che ne ha impedito la diffusione nelle applicazioni industriali e automobilistiche, in cui sono frequenti ingressi fino a 40V o anche oltre.

Un prodotto introdotto recentemente in quest’area è il Linear Technology LTC3256, un alimentatore a doppia uscita, basso rumore e alta tensione, a elevato livello di integrazione, che a partire da un singolo ingresso positivo genera due tensioni in discesa a 5V e 3,3V con elevata efficienza e senza bisogno di interruttori. Presenta un ampio range di tensioni d’ingresso – da 5,5V a 38V – e include due uscite abilitate indipendentemente: una tensione di alimentazione da 5V e 100mA, e un regolatore low-dropout (LDO) da 3,3V e 250mA, generando quindi una corrente di uscita totale pari a 350mA. Questa combinazione di regolatori offre dissipazione di potenza molto più bassa rispetto a una soluzione a due LDO.

Ad esempio, con un ingresso da 12V e un carico massimo su entrambe le uscite, la dissipazione di potenza viene ridotta di oltre 2W con l’LTC3256 rispetto a un LDO doppio; vengono quindi ridotte sia la perdita termica che la corrente d’ingresso. Vedere la Figura 2 per lo schema completo.

Figura 2: Schema dell’LTC3256 che presenta due uscite, una da 5V e 100mA e l’altra da 3,3V e 250mA

L’alimentatore LTC3256 è stato pensato per la copertura diagnostica in sistemi ISO26262 e incorpora numerose funzioni di monitoraggio del sistema e di sicurezza. È ideale per un’ampia gamma di applicazioni che richiedono basso livello di rumore, linee di alimentazione a bassa tensione a partire da ingressi ad alta tensione come alimentatori per transceiver ECU/CAN del settore automotive, alimentatori di manutenzione per applicazioni industriali e nel settore delle telecomunicazioni, e conversione a bassa potenza per usi generali.

Il dispositivo LTC3256 massimizza l’efficienza facendo funzionare la pompa di carica in modalità 2:1 in un range operativo quanto più ampio possibile, e passa automaticamente alla modalità 1:1 secondo le necessità, in base al valore VIN e alle condizioni di carico. La corrente d’ingresso regolata e la commutazione graduale riducono al minimo le emissioni di interferenza elettromagnetica condotte e irradiate. Il dispositivo offre bassa corrente di quiescenza – solo 20μA – con entrambe le uscite in modalità di regolazione (a vuoto) e 1μA nello stato di arresto. Il timer watchdog integrato, le uscite power good indipendenti e l’ingresso di reset assicurano il funzionamento affidabile del sistema e consentono il monitoraggio dei guasti.

Un’uscita di riferimento da 1,1V con buffer permette la diagnostica con autotest del sistema per applicazioni critiche di sicurezza. L’alimentatore LTC3256 è dotato di ulteriori funzioni di sicurezza: protezione contro le sovracorrenti e le sovratemperature, e tolleranza ai transitori d’ingresso a 38V.   Il grafico della Figura 3 che segue ne evidenzia le ottime caratteristiche di dissipazione della potenza. A 12VIN, l’LTC3256 con uscite da 3,3V a 250mA e 5V a 100mA dissipa circa 750mW, mentre in condizioni identiche, un LDO doppio dissiperebbe quasi 3W. Ciò significa 2,25W in meno usando l’LTC3256, il che comporta un enorme vantaggio per quanto riguarda l’aspetto termico del progetto.

Figura 3: Caratteristiche di dissipazione di potenza dell’LTC3256 rispetto a un LDO doppio

Conclusione

È ben noto che le considerazioni concernenti l’interferenza elettromagnetica richiedono di prestare molta attenzione durante le fasi iniziali del progetto per far sì che i test EMI vengano superati una volta completato il sistema. Finora, non esisteva un modo che garantisse con assoluta certezza di poter conseguire facilmente questo risultato selezionando il corretto circuito integrato di alimentazione, tranne che per i sistemi a potenza bassissima. Ma grazie alla recente introduzione di regolatori a bassi livelli EMI, come la pompa di carica ad alta tensione realizzata con l’LTC3256, è ora disponibile una soluzione alternativa.

Questo innovativo alimentatore offre efficienza molto più alta e attenuazione di potenza inferiore in confronto ai regolatori lineari e non richiede i circuiti di compensazione, il layout e i componenti magnetici né presenta i problemi di interferenza elettromagnetica che invece si accompagnano a un regolatore a commutazione.

 

A cura di, Tony Armstrong Director of Product Marketing Power Products Linear Technology Corporation, ora parte di Analog Devices 

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 28 maggio 2017

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