“Sensing” Virtuale a 2-Fili per Regolatori di tensione – Prima parte

In questo articolo si affronta nei particolari il tema della compensazione delle cadute di tensione tra le uscite degli alimentatori (lineari o a commutazione) ed il carico, descrivendo varie tecniche di correzione di questo fenomeno fisico caratteristico di tutte le linee di alimentazione.

INTRODUZIONE

Tutti coloro che hanno a che fare con l’elettronica ma anche con la programmazione di schede embedded, tutti quelli che hanno mai utilizzato un oscilloscopio o che abbiano mai dovuto controllare i collegamenti di un progetto, sanno perfettamente che sia i fili sia i connettori possiedono una resistenza non nulla. Questa, di per sé, è una banalità, una verità alla quale c’è solo da arrendersi. Ma, non è soltanto questo dal momento che queste considerazioni suggeriscono che la sorgente di segnale alimenterà un carico, in tensione, non riuscendo a trasferire esattamente il valore nominale previsto. Ecco per quale motivo si ricorre allo studio dell’adattamento di impedenza ed è perciò, come vediamo nella Figura 1, che anche soltanto i fili che realizzano le connessioni devono essere considerati come carichi resistivi ai capi dei quali si localizzerà comunque una certa quota parte di tensione. Vediamo ora di analizzare il problema e cercarvi una risoluzione secondo l’approccio “Remote Sensing”. La caduta di tensione ai capi delle connessioni illustrate in Figura 1 può essere compensata con un aumento della tensione di alimentazione coerente, ovvero della stessa quantità.

Figura 1: Caduta di tensione dovuta alla resistenza sulle linee di collegamento

È anche vero, però, che questa soluzione non è sempre possibile e certamente non è la migliore. Tra le altre cose, infatti, la resistenza di linea e le variazioni del carico (a seconda del regime di funzionamento, per esempio) introducono un certo grado di aleatorietà che, naturalmente, hanno effetti diretti sulle prestazioni. Una soluzione piuttosto intelligente per provare a risolvere questo tipo di problemi è l’approccio compensatorio illustrato nella Figura 2.

Figura 2: Approccio compensatorio della caduta di tensione di linea

Il regolatore di tensione, sebbene non del tutto efficiente, viene posizionato localmente e riesce a stabilizzare il carico in tensione proprio nei confronti di quelle cadute “spurie”. Ciò nonostante, però, questa soluzione rischia di essere inefficiente per effetto delle perdite che il regolatore stesso introduce. Naturalmente, questo problema può essere risolto cercando nuovi e più performanti regolatori di tensione. Come dicevamo, però, questa è solo una delle possibili soluzioni; l’altra, illustrata in Figura 3, presenta la “classica” struttura a 4-fili per Remote Sensing, grazie alla quale la tensione d’uscita è compensata direttamente sul carico perché esistono linee dedicate ad alta impedenza, ovvero quelle di “SENSE” (con annessa polarità).

Figura 3: Classica struttura di misura a 4 fili con “sensing” remoto

Tali linee, infatti, sono connessioni di riferimento dirette al carico, ed essendo linee ad alta impedenza riescono proprio a compensare gli effetti della resistenza di linea sentita sulle altre connessioni. Questa configurazione funziona decisamente meglio ma richiede, per l’appunto, connessioni dedicate: il che non è sempre possibile in talune applicazioni. Fatte queste dovute considerazioni introduttive, vediamo quali soluzioni possibili esistono per effettuare il cosiddetto “Virtual Remote Sensing”. Il nome suggerisce chiaramente che questa rilevazione non sarà fisica, ma lo vedremo meglio tra poco. Iniziamo subito con una spiegazione grafica: lo schema circuitale di Figura 4 mostra al lavoro un integrato, l’LT4180, in una configurazione abbastanza particolare. In pratica, è stata ricostruita la 4-fili eliminando le connessioni di SENSE.

Figura 4: Particolare configurazione con LT4180

Il circuito integrato alterna il valore di corrente in uscita facendolo variare tra il 95% ed il 105% del valore nominale richiesto per la stessa. Esso forza l’alimentazione a fornire una corrente DC insieme con una piccola onda quadra in corrente di ampiezza (picco-picco) pari al 10% del valore di riferimento. Lo schema mostra anche una capacità, denominata C_LOAD, il cui scopo è chiaramente quello di effettuare la compensazione; di solito, viene richiesta per le basse impedenze in condizioni di transitorio ma in questo caso viene impiegata anche perché è deputata al filtraggio delle escursioni VRS dell’onda quadra. La perdita delle connessioni in questa configurazione viene determinata tramite la misura per piccolo segnale dell’onda quadra stessa la quale è indotta dalla caduta di tensione. Dal momento che il condensatore viene dimensionato al fine di produrre un cortocircuito per frequenze diverse da zero, ed in particolare per la frequenza dell’onda quadra, la tensione prodotta dall’alimentazione risulterà pari a:

V_outac= 0,1I_dcR_wireV_p-p

La forma d’onda in tensione ha un’ampiezza picco-picco che equivale ad un decimo della caduta di tensione ai capi dei collegamenti DC. Questo valore può essere misurato con certezza direttamente senza necessità di stime o approssimazioni. Il signal processing, in questo caso, produce una tensione DC proprio a partire dal segnale in alternata che viene introdotto nell’anello di retroazione dell’alimentazione. Questo, di per sé, determina la regolazione. È importante notare che l’alimentazione può essere svolta da un circuito integrato con caratteristica lineare oppure ancora un regolatore switching, ma non solo dal momento che può trattarsi di un modulo oppure di qualunque altro genere di sorgente di alimentazione la cui uscita possa essere variata. Le alimentazioni possono essere sincronizzate con l’integrato e la frequenza operativa è sintonizzabile addirittura su tre decadi. Nota: è importante osservare che è possibile anche utilizzare tecniche di spettro espanso per ottenere un’immunità parziale da interferenze monotonali. È inoltre possibile progettare il range di tensione in ingresso in maniera tale che vari tra 3 e 50 V. Dal momento che questo caso è basato su una stima del carico di tensione e non già su una misura diretta, la correzione che ne risulterà non potrà che essere un’approssimazione. Invero sarà un’approssimazione valida. L’LT4180 deve essere analizzato anche dal punto di vista della sua caratteristica, che risulta pressoché quadratica con valori di tensioni di carico che si aggirano intorno ai 5 V quando la tensione V_WIRING è nulla e poco più di 4,9 V quando quest’ultima si aggira intorno a 2,5 V. La caduta di tensione al carico è pari a 73 mV nella condizione di massima corrente erogata. Se si riuscisse ad avere una V_WIRING ancora più bassa, i risultati potrebbero certamente essere ancora migliori. Le applicazioni di questa tecnica sono diverse e possiamo, prima di vederle nel dettaglio, elencarle: