Analizziamo in questo articolo le soluzioni integrate ad elevata efficienza per il condizionamento della potenza in applicazioni con elevata tensione di ingresso (fino a 65 V) e basso carico di uscita.
Le automobili moderne sono caratterizzate dalla presenza di diversi sistemi elettronici. Questi servono non soltanto alla gestione e controllo del veicolo ma anche all’assistenza alla guida e frenata (si pensi ai sistemi EBS - Electronic Braking Systems ed EPS - Electric Power Steering) o al condizionamento e ventilazione dell’abitacolo (Heating Ventilation & Air Conditioning - HVAC). Possono, inoltre, essere usati per scopi di navigazione (mediante soluzioni basate su GPS e/o connettività WLAN) e infotainment (i nuovi modelli di punta iniziano a proporre la disponibilità di lettori multimediali ad uso dei passeggeri sul sedile posteriore, come già a bordo degli aerei). Tutto questo senza contare il peso sempre maggiore che l’elettronica rivestirà con la diffusione delle auto ibride o elettriche. Il risultato è che vi è una crescente richiesta di potenza elettrica all’interno delle vetture, che rende inefficiente e poco pratico il classico schema di distribuzione a 12 V o 24 V presente nei tradizionali modelli di autoveicoli. Nel corso degli anni sono state presentate diverse iniziative. Non ultimo, le principali case automobilistiche in Germania si sono accordate per definire un’architettura di distribuzione della potenza a 48 V standard e complementare a quella esistente a più bassa tensione. Aumentare la tensione primaria, in effetti, consente senza ombra di dubbio di avere disponibile maggiore potenza, riducendo le dimensioni dei cavi di distribuzione e gli sprechi. Uno de problemi principali è, però, quello della sicurezza, che prevede una tensione di linea massima di 60 V, alla quale tendono ad avvicinarsi le celle a 48 V in condizioni di bassa temperatura. Oltre a questo, vi è poi il problema del condizionamento stesso della potenza per l’alimentazione dei dispositivi elettronici, i quali lavorano oggi con ingresso tipicamente di 5 V o 3.3 V. E’ necessario che i convertitori impiegati siano in grado di assicurare elevata efficienza anche in condizioni di bassa potenza erogata in uscita ("light load"). Se ciò poteva essere visto fino a qualche anno fa come un’applicazione di nicchia, è oggi una realtà consolidata, con diversi modelli di regolatori ad elevata efficienza e supporto per elevata tensione di ingresso che sono disponibili presso tutti i principali produttori di circuiti switching DC/DC. Tra i più interessanti possiamo segnalare, in particolare, la linea di regolatori micropower buck di Linear Technologies (Analog Devices).
LTC3630/3630A
L'LTC3630, ad esempio, è un regolatore step-down con topologia buck in grado di operare nell’intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 4 V e 65 V; la versione LTC3036A, che offre le stesse caratteristiche che vedremo di seguito, arriva fino a 76 V. Il dispositivo integra power switch ed opera in modalità burst con un assorbimento di corrente nella fase di sleep (in cui i power switch sono spenti e quindi la corrente di carico è erogata dal condensatore esterno) di soli 12 μA. Ciò consente di avere una bassa dissipazione di potenza media in condizioni di basso carico, per le quali il numero di cicli di burst rappresenta soltanto una piccola percentuale del tempo di ciclo complessivo. Infatti, il regolatore funziona in questo modo; la Figura 1 riporta, a titolo di esempio, lo schema circuitale per la conversione di potenza con tensione di ingresso compresa tra 4 V e 24 V e tensione di uscita fissa di 3.3 V, con corrente massima di 250 mA e funzionalità di soft-start attiva. La tensione presente sul pin di feedback VFB viene confrontata con un riferimento interno pari a 800 mV.
Figura 1. Esempio di applicazione con l'LTC3630
Se è maggiore, il regolatore entra in sleep mode disabilitando i power switch. Questi saranno abilitati nuovamente non appena la tensione di feeback ritorna sopra soglia. Ora, la tensione di feedback è dettata dalla tensione del condensatore esterno COUT che eroga la potenza al carico nella fase di sleep. E’, quindi, chiaro che quanto minore è la potenza assorbita dal carico, tanto maggiore è il tempo di scarica del condensatore (e quindi maggiore il tempo in cui il regolatore si trova in modalità sleep). L’assorbimento di corrente è ulteriormente ridotto in modalità shutdown, nella quale il convertitore viene forzato quando la tensione sul pin RUN scende sotto di 0.7 V. La frequenza di switching in modalità attiva è, invece, determinata (fissati i parametri quali la tensione di ingresso, quella di uscita e la corrente di uscita di picco) dal valore dell’induttore. Il dispositivo è in grado di operare con frequenza compresa tra 50 kHz e 250 kHz con valore, tipicamente impiegato nella maggior parte delle applicazioni, di 200 kHz. L'LTC3630 è in grado di operare con tensione di uscita fissa o programmabile, a seconda della configurazione dei pin VPRG1 e VPRG2. In modalità fissa, impiega divisori di tensione interni, con il risultato di garantire maggiore efficienza, maggiore immunità al rumore e ripple più basso. In tale modalità è possibile scegliere una tensione di uscita di 5 V o 3.3 V. In modalità programmabile, invece, la tensione di uscita dipende dal valore di due resistenze esterne e può essere impostato ad un valore qualunque nell’intervallo compreso tra 0.8 V e VIN. Per i criteri in base ai quali selezionare i valori di suddette resistenze e, più in generale, gli altri componenti discreti del circuito (come i condensatori di ingresso ed uscita e l’induttore di core) è possibile fare riferimento al datasheet del componente; questo contiene un’accurata descrizione delle problematiche per il dimensionato dei passivi e in generale utile linea guida per la progettazione di circuiti di condizionamento della potenza basati sull'LTC3630. L'LTC3630 ha la capacità di operare con duty cycle del 100% e con una corrente di picco fino a 1A (tipico). In queste condizioni il mosfet a canale P presente sullo stadio di uscita integrato è costantemente attivo e la corrente temporaneamente erogata al carico è uguale alla corrente massima di picco. In realtà, la corrente di picco può essere abbassata fino a 100 mA (il valore effettivo è regolato dalla resistenza RISET presente tra il pin ISET e massa) per le applicazioni che non richiedano tale capacità elevata; in questo modo è possibile prevedere componenti discreti esterni a più bassa potenza, riducendo il numero di questi e quindi le dimensioni del circuito complessivo, oltre a migliorare la qualità di regolazione di linea in termini, ad esempio, di rumore o ripple prodotto sull’uscita. Nel modificare la corrente di picco, tuttavia, è importante tenere presente che la corrente media erogata, come conseguenza dell’architettura intrinseca del regolatore, è pari alla metà della corrente di picco e quindi quest’ultima deve essere dimensionata in accordo alle richieste di potenza media del carico. La massima corrente di uscita media dell'LTC3630 è comunque 500 mA (come conseguenza della corrente di picco massima di 1A). Tuttavia, è possibile configurare, connettendo opportunamente gli ingressi di feedback, più dispositivi in parallelo così da incrementare la corrente effettivamente disponibile sul carico. L’efficienza di conversione (in Figura 2 ne è riportato l’andamento, unitamente ad altri grafici di prestazioni, in alcuni casi tipici) dell'LTC3630 è tipicamente elevata, anche in condizioni di basso carico, come appunto per le applicazioni in ambito automotive cui si è accennato inizialmente. Ad esempio, guardando le curve riportate nel datasheet, si trova che, con tensione di ingresso di 12 V e tensione di uscita di 3.3 V, tale efficienza è superiore all'80% sull’intero intervallo di correnti di carico che va da 0.3 mA a 500 mA e si approssima al 90% per correnti tra 1 mA e 100 mA. Al valore più elevato della tensione di ingresso (65 V), si mantiene invece prossima all'80% per correnti tra 50 mA e 500 mA e scende al di sotto del 70% solo per correnti inferiori a 5 mA. L'LTC3630 è integrato in package DFN o MSE16 ed è in grado di operare nell’intervallo di temperatura di giunzione compreso tra - 55°C e +150°C.
Figura 2. Caratteristiche tipiche (efficienza e regolazione di carico) dell'LTC3630
LTC3864
Per applicazioni automotive ad elevata efficienza è disponibile anche, all’interno della linea di regolatori micropower buck di Linear Technologies (Analog Devices), il modello LTC3864 (Figura 3).
Figura 3. LTC3864: schema di una applicazione tipica (a sinistra) e andamento della relativa efficienza in funzione della corrente di carico (a destra)
Il dispositivo opera con tensione di ingresso compresa tra 3.5 V e 60 V ed è in grado di regolare tensione di carico tra 0.8 V e VIN. Diversamente dal modello precedente, non integra il MOSFET di potenza ma utilizza un componente discreto esterno. Può operare in modalità burst ma supporta anche (selezionabile mediante ingresso di configurazione) il modo pulse-skipping in condizioni di basso carico. In questa seconda modalità, il MOSFET viene in pratica tenuto spento per una serie di cicli, beneficiando, così, di un ripple di uscita più basso e una ridotta interferenza RF a scapito, però, di un’efficienza minore. L'LTC3864 supporta frequenza di switching fissa compresa tra 50 kHz e 850 kHz ma può anche agganciarsi ad un clock di riferimento ricevuto su pin dedicato con frequenza tra 75 kHz e 750 kHz. Il regolatore dispone di circuito di limitazione di corrente, soft start-up, voltage tracking e voltage monitor. La corrente quiescente è di 40 μA e si riduce ulteriormente a 7 μA in modalità low shutdown. L'LTC3864 è integrato in package MSOP a 12 pin o DFN, supportando, come i modelli precedenti, l’intervallo di temperature di giunzione compreso tra -55°C e +150°C.
LTC3973/3975/3995
Dispositivi monolitici come l'LTC3630 sono, invece, i dispositivi LTC3973 e LTC3975, anch’essi regolatori di tipo buck operanti in modalità current mode per assicurare risposta veloce ai transienti e buona stabilità di loop. Il primo, ad esempio, opera con tensione di ingresso compresa tra 4.3 V e 42 V e con tensione di uscita fissa a 3.3 V, 5 V o regolabile, con dropout di 530 mV. La massima corrente di uscita è 750 mA mentre il ripple è di soli 10 mVP-P. La Figura 4 mostra un tipico schema applicativo. Il dispositivo integra diodi di boost e catch oltre allo switch di uscita ad elevata efficienza, ed ha una frequenza di switching configurabile tra 200 kHz e 2.2 MHz. L’assorbimento di corrente quiescente in condizioni tipiche (VIN=12 V e VOUT=3.3 V) è di 2.5 μA e si riduce a soli 0.75 μA in shutdown.
Figura 4. Applicazioni con l'LTC3973
L'LTC3834 è protetto per corto-circuiti ed inversione di polarità e dispone di funzionalità di shutdown termico. L’efficienza è maggiore del 70% con alimentazione di ingresso VIN=36 V e corrente di uscita fino a (in basso, per applicazioni light load) 200 mA; con carico simile ma tensione di ingresso di 12V, sale oltre l’80%. Caratteristiche simili sono offerte anche dagli LTC3975 e LTC3995. Il primo, in particolare, è in grado di garantire in uscita una corrente massima fino a 2.5 A, mentre il secondo arriva a fornire fino a 3 A e supportare una tensione di ingresso fino a 60 V.
Fino a 60V opera anche il regolatore LTC3890, assorbendo soltanto 50 μA in condizioni di carico nullo per garantire più elevata durata della batteria nelle applicazioni always-on. La tensione di uscita è regolabile da 0.8 V a 24 V, con la possibilità di operare a basso dropout (fino al 99% del duty cycle). Il dispositivo (Figura 5) lavora in modalità current mode con i due mosfet di uscita esterni in opposizione di fase ed implementa lo schema di compensazione OPTI-LOOP per una migliore risposta ai transienti; è possibile selezionare i modi di funzionamento burst, continuous o pulse-skipping mediante ingresso dedicato.
Figura 5. Applicazioni con l'LTC3973
La frequenza di switching può essere fissa (programmabile da 50 kHz fino a 900 kHz) o agganciata ad un segnale di sincronizzazione esterno (da 75 kHz a 850 kHz). L'LTC3890 dispone, inoltre, di funzionalità di current limiter, circuito di monitoring della tensione con flag di power good e capacità (selezionabile mediante pin di ingresso dedicato) di soft start. E’ integrato in package QFM a basso profilo (5 mm x 5 mm) e disponibile in versione specificata per operare nell’intero intervallo di temperatura di giunzione compreso tra - 55°C e 150°C.
