Regolatori per applicazioni Automotive

Questo articolo affronta il problema di ottenere una regolazione di tensione ottimale per l’elettronica in ambito automotive, trattando le due questioni principali dei sovraccarichi e delle partenze a freddo. Per trovare soluzioni ci affidiamo alla famiglia SIMPLE SWITCHER di National Semiconductor.

Possiamo tutti immaginare come l’elettronica a bordo dei veicoli rappresenti al giorno d’oggi una componente fondamentale e consistente, per questo motivo risultano importanti anche i sistemi di gestione dell’alimentazione. La scelta del sistema di alimentazione deve essere attenta e mirata ad aumentare il margine di protezione garantito all’elettronica. La tipologia di sistema di alimentazione più semplice è quella switching come, ad esempio, quella della famiglia di regolatori SIMPLE SWITCHER LM2267x/80 di National Semiconductor. Al loro interno questi regolatori hanno un MOSFET di potenza e sono in grado di tollerare un ampio range di tensioni di ingresso a riposo.

SOVRACCARICHI

I sovraccarichi, o load dump come vengono definiti nella letteratura anglosassone, si verificano quando la batteria dell’automobile viene scollegata mentre il motore e l’alternatore sono in moto. Il risultato è un transitorio di tensione che può raggiungere anche i 120 V e durare fino a 400 ms. Un transitorio di tensione così consistente rappresenta una sfida per i progettisti delle alimentazioni dei sistemi automotive. Ovviamente, non sarebbe economico progettare una soluzione di alimentazione che operi fino a 120 V solamente per gestire questi sovraccarichi transitori. Le automobili moderne solitamente dispongono di uno schema di protezione centralizzato contro i sovraccarichi che limita l’ampiezza del transitorio di tensione a valori molto più bassi. Sistemi di shunt a diodi, come soppressori di tensione (TVS), possono essere efficacemente usati per tagliare la tensione massima che un sistema di alimentazione può dover sostenere ai propri ingressi. Un’altra tipologia di circuiti di protezione fa uso di MOSFET sulla sorgente di tensione (high side) [1] per proteggere il carico durante situazioni di sovraccarico. In ogni caso, anche se si utilizzano dispositivi in grado di limitare l’ampiezza del transitorio di tensione, è necessario che l’integrato di gestione dell’alimentazione fornisca un adeguato margine di protezione. La forma d’onda tipica di un transitorio di sovraccarico è visibile in Figura 1. Confrontando diverse soluzioni per il circuito di regolazione, che tengano conto anche dei costi e della semplicità realizzativa, solitamente si arriva a scegliere un IC con una tensione massima operativa in ingresso di circa 40 V. I regolatori della famiglia SIMPLE SWITCHER accettano tensioni in ingresso fino a 42 V, garantendo all’elettronica un adeguato margine di protezione supplementare.

Figura 1: profilo di tensione per una situazione di sovraccarico

PARTENZE A FREDDO

Un’altra fase critica per i circuiti di alimentazione in ambito automotive sono le partenze a freddo (Cold Cranking). Durante l’avvio di un motore a combustione, la batteria fornisce una quantità elevata di corrente al motore di avviamento. In questa situazione la tensione di batteria cala notevolmente. Questo fenomeno ha un profilo in tensione come mostrato in Figura 2. La tensione iniziale collassa a "V low" in seguito al picco di corrente richiesto dall’accensione del motore. Una volta che il motore a combustione è entrato in moto, la tensione stabile di batteria passa a "V plateau" e finalmente, quando il motorino di accensione elettronico viene disabilitato, la tensione risale al valore di carica. Come si può intuire, è fondamentale per i sistemi elettronici automotive operare in una situazione come quella appena descritta. Per migliorare i consumi, molte automobili recenti integrano sistemi automatici di start & stop che spengono il motore a combustione quando l’automobile si ferma ai semafori o agli incroci. Quando il pedale del freno viene rilasciato, il motorino di avviamento riporta in attività il motore a combustione generando una situazione di partenza a freddo per la batteria. Per sicurezza e comodità, il sistema di alimentazione deve garantire la tensione operativa dei componenti elettronici a bordo del veicolo, come il sistema di navigazione, le segnalazioni sul cruscotto, il sistema di illuminazione, etc. Per fare ciò, è necessaria una soluzione di alimentazione in grado di operare con tensioni di ingresso estremamente basse. Per sistemi dove "V low" arriva fino a 4.5 V, la famiglia LM2267x/80 rappresenta un’ottima soluzione.

Figura 2: profilo di tensione per una partenza a freddo

CIRCUITO APPLICATIVO

Il circuito di Figura 3 mostra un’applicazione tipica della famiglia SIMPLE SWITCHER LM2267x/80 di National Semiconductor, in particolare si utilizza l’LM22678. Da questo tipo di circuito, che non risulta estremamente complesso nella realizzazione, è possibile ottenere una tensione regolata di 2.5 V per l’elettronica a valle. In particolare, il MOSFET integrato consente al carico di assorbire fino a un massimo di 5 A di corrente. I dati sulle correnti gestite e sulle funzionalità dei vari elementi della famiglia SIMPLE SWITCHER sono riportati nella tabella di Figura 4.

Figura 3: circuito di esempio con LM22678

Figura 4: tabella comparativa dei regolatori della serie SIMPLE SWITCHER

REGOLA FONDAMENTALE: RANGE ESTESO DI TENSIONI IN INGRESSO

La famiglia SIMPLE SWITCHER di regolatori esiste da qualche tempo sul mercato e si era diffusa in ambito automotive per la sua semplicità d’uso, per il ridotto numero di componenti necessari e per il range esteso di tensioni in ingresso. I nuovi arrivi LM2267x/80 aumentano e migliorano le capacità di questa serie di regolatori, migliorando ulteriormente il range delle tensioni accettate in ingresso e operando a frequenze di switching più elevate (fino a 1 MHz). Sul sito di National Semiconductor possiamo trovare diverse evaluation board che ci permettono di prendere confidenza con questa nuova serie di regolatori. La cosa interessante da osservare è che il circuito realizzato sulla scheda di sviluppo e mostrato in Figura 6, si traduce in una scheda (Figura 5) che ha un'ampiezza inferiore a 600 mm² e un costo complessivo inferiore a 4 euro (in volumi da 1.000 pezzi/anno).