Nuove soluzioni per convertitori switching

In questo articolo per la rubrica Firmware Reload faremo una introduzione alle caratteristiche della serie SWITCHER di National.

Sempre più applicazioni richiedono oggi il progetto di circuiti di condizionamento e distribuzione locale della potenza, che assicurino prestazioni elevate per quanto concerne compatibilità EMI e requisiti termici, elevata capacità di corrente e/o tensione di uscita, elevata efficienza, capacità di operare in condizioni estreme, ridotte dimensioni. Per semplificare il lavoro del progettista, tutte le principali aziende rendono oggi disponibili a catalogo soluzioni integrate in questo ambito. Tra queste vi è, in particolare, la serie di moduli, regolatori e controller denominata SWITCHER (Figura 1) di National.

Caratteristiche fondamentali dei dispositivi di tale famiglia, oltre a quelle elencate in precedenza, sono il supporto per un ampio intervallo di tensioni di ingresso (con modelli in grado di operare fino a 75 V) e la compatibilità pin-to-pin dei dispositivi, che assicura una maggiore flessibilità di progetto. I componenti sono ovviamente supportati dai tool-set della serie WEBENCH Designer, i quali forniscono supporto alla progettazione di circuiti di alimentazione che risultino affidabili in accordo alle proprie specifiche. Tra i tools più interessanti vi è, in particolare, FPGA Power Architecture che genera automaticamente l’intero circuito di alimentazione per dispositivi logici programmabili sulla base dei requisiti imposti dall’utente in termini, ad esempio, di corrente e tensione, ripple della linea di uscita o caratteristiche di filtraggio e soft start. WEBENCH Power Architect è, invece, la suite per la creazione di sezioni di alimentazione con ingressi e uscite multiple.

Figura 1: la serie SWITCHER include moduli, regolatori e controller da scegliere in base alle proprie esigenze

MODULI

I moduli della serie SWITCHER sono regolatori switching che integrano al loro interno un induttore schermato per semplificare il progetto del circuito stampato, risultando così ideali per applicazioni miniaturizzate sensibili al rumore. La Figura 2 mostra schematicamente l’insieme di tali moduli. Tutti i dispositivi sono caratterizzati da protezione per inrush current elevata, under-voltage sulla tensione di ingresso e corto circuiti sullo stadio di uscita. Dispongono di funzionalità di soft-start-up, il rate della tensione di uscita essendo controllabile mediante il tempo di carica di un condensatore connesso a un pin di controllo dedicato del dispositivo e caricato con corrente costante di 2 µA prodotta da un generatore interno. Dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, i dispositivi sono compatibili con le raccomandazioni EN55022 in classe B, per apparati a uso prevalentemente residenziale, come dispositivi mobile o per telecomunicazioni. Come mostrato in Figura 2, la famiglia di tali moduli SWITCHER consiste nelle due serie LMZ1 ed LMZ2.

La prima, in particolare, include modelli operanti con tensioni di ingresso fino a 42 V e di uscita fino a 24 V in grado di erogare correnti di carico fino a 10 A con efficienza di picco fino al 97%. I dispositivi sono disponibili in package P-MOD-7 con singolo pad esposto per un assemblaggio più semplice o (limitatamene ad alcuni modelli) nano package di soli 2 x 3 mm2. Sono caratterizzati nel range di temperatura industriale ed estesa (fino a -55 °C), con qualifica per shock e vibrazioni in accordo ai metodi previsti dalla normativa militare MIL-STD-883. La più recente serie LMZ2 introduce poi funzionalità accessorie per la sincronizzazione della frequenza di switching del circuito PWM a un segnale di riferimento esterno o la configurazione parallela di più moduli (current sharing) per applicazioni che richiedano corrente di carico fino a 60 A. I moduli possono essere sincronizzati tra 650 kHz e 950 kHz; la frequenza di switching nominale, in assenza di controllo, è 812 kHz.

Figura 2: soluzioni all-in-one, la serie di moduli SWITCHER

REGOLATORI

Per applicazioni che richiedano supporto per tensioni di ingresso fino a 75 V, invece, la famiglia SWITCHER include regolatori switching compatibili con tutte le più diffuse architetture come, ad esempio, di tipo step-down, step-up, buck, flyback, sepic o forward. Diversamente dai moduli descritti in precedenza, l’induttanza del circuito di regolazione in questo caso (vedi Figura 1) non è integrata nel dispositivo ma deve essere prevista esternamente. I dispositivi della serie LM2267x/80, in particolare, supportano (vedi Figura 3) applicazioni con tensione di ingresso compresa tra 4.5 V e 42 V, corrente di carico fino a 5 A e tensione di uscita fissa o aggiustabile, regolabile con accuratezza del 2.0% in condizioni peggiori. Supportano architetture step-down con frequenza di switching fino a 1 MHz per ottimizzare dimensioni ed efficienza del circuito. Dispongono di una modalità interna di compensazione in tensione che consente di minimizzare il numero di componenti esterni richiesti e sono disponibili in package di tipo PSOP-8 e TO263-7. La serie LM(2)557x, invece, è ideale per soluzioni di regolazione basate su architettura buck con basso duty cycle. I dispositivi della serie sono in grado di operare con tensione di ingresso fino a 75 V e corrente di carico continua fino a 3 A.

Basati sull’architettura proprietaria “emulated current mode”, garantiscono eccellente risposta ai transienti, ridotta sensibilità al rumore, operatività tra 50 kHz e 1 MHz. Dispongono di funzionalità di soft start e sincronizzazione; sono disponibili in package TSSOP o ETSSOP, quest’ultimo ideale per applicazioni critiche dal punto di vista termico. Su architettura “constant on time” sono, invece, basati i modelli della serie LM310x, convertitori buck con rettificazione sincrona senza necessità di loop di compensazione per assicurarne la stabilità. I dispositivi sono in grado di operare fino a 1 MHz, con tensione di ingresso fino 42 V, tensioni di uscita fino anche a soli 0.8 V e correnti di uscita massima di 2.5 A. Correnti fino a 4 A sono invece garantite dai modelli della serie LM285x, i quali accettano, tuttavia, tensione di ingresso compresa soltanto tra 2.85 V e 5.5 V. La modalità di controllo è in tensione, con compensazione interna parziale che consente di lavorare correttamente anche con condensatori di carico di tipo ceramico.

Il modello LM2854 dispone, inoltre, di capacità di pre-bias della tensione di uscita, applicabile nei casi in cui il dispositivo debba essere acceso con tensione di carico diversa da zero. Per architetture step-up, flyback, sepic o forward è invece disponibile la serie di regolatori switching LM258x. Disponibili in quattro diverse versioni con tensioni di uscita, rispettivamente, di 3.3 V, 5.0 V, 12 V e regolabile (con tolleranza massima del 4% per variazioni delle condizioni di carico e linea), i dispositivi operano in modalità “current mode”, nell’intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 4 e 40 V e con frequenza di switching tra 100 kHz e 200 kHz. Dispongono anch’essi di capacità di soft start e protezione di corrente in uscita. Anche per la serie di regolatori SWITCHER, come per i moduli all-in-one descritti in precedenza, sono anche disponibili modelli in versione nano, caratterizzati da package di ridotte dimensioni di tipo LLP-6, SOT-23 o micro SMD-28. Le serie LMR1 ed LMR2, ad esempio, per applicazioni in circuiti step-down, includono modelli che operano con tensioni di ingresso fino a 42 V o fino a 34 V in uscita, frequenza di switching fino a 3 MHz, rettificazione sincrona, funzionalità di soft start e controllo di abilitazione. Per applicazioni step-up, invece, sono disponibili i modelli della serie LMR6, specificati per tensioni di ingresso tra 2.7 V e 5.5 V e tensioni di uscita fino a 40 V, correnti di carico di 2.1 A e frequenza di switching di 1600 kHz.

Figura 3: prestazioni e caratteristiche dei regolatori SWITCHER

CONTROLLER

Per applicazioni che richiedano maggiore flessibilità di progetto nel soddisfare i requisiti utente, la famiglia di moduli SWITCHER include infine la serie di controller PWM LM315x. In questo caso, come mostrato nella Figura 1, oltre all’induttanza, è prevista l’adozione esterna del FET di potenza. All’interno di WEBENCH sono comunque disponibili tool di supporto che aiutano nella selezione dei componenti più adatti alla propria applicazione, oltre a fornire funzionalità di analisi termica ed elettrica del circuito. I dispositivi LM315x, la cui architettura interna è mostrata in Figura 4, risultano ideali per la realizzazione di soluzioni di regolazione switching sincrone di tipo “constant on”, in grado di garantire tensione di uscita e frequenza costanti senza necessità di compensazione. Operanti in modalità “emulated ripple mode” che permette l’utilizzo di condensatori di uscita a basso ESR, essi consentono la realizzazione di circuiti di ridotte dimensioni, con solo 11 componenti esterni al massimo. Disponibili nelle versioni con tensioni di uscita fissa di 3.3 V o regolabile in basso fino a 0.6 V e frequenza di switching fissa o programmabile fino a 1 MHz, accettano in ingresso tensioni fino a 42 V. L’efficienza è fino al 93% e la massima corrente erogabile (dimensionando opportunamente il FET esterno) è 12 A.