Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli tecnici della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. I regolatori di tensione destinati ad impieghi nel settore automobilistico vengono progettati per resistere alle condizioni di impiego più estreme, garantendo e mantenendo le corrette condizioni operative dell’impianto elettrico di bordo. In questo articolo vengono descritte le caratteristiche e le prestazioni di un robusto e versatile integrato, il modello LTC3115-1.
I dispositivi portatili, gli strumenti industriali e l’elettronica a bordo auto richiedono soluzioni di alimentazione in grado di supportare un'ampia escursione della tensione di ingresso dovuta a transitori, a cadute dovute alla resistenza di linea e a una vasta gamma di punti di alimentazione. A ciò si aggiunge il fatto che spesso le applicazioni richiedono diverse linee di tensione regolate, comprese alcune che rientrano nell’intervallo delle tensioni di ingresso. Il convertitore DC/DC buck-boost LTC3115-1, caratterizzato da un campo di tensioni di ingresso e uscita compreso tra 2,7V e 40V, rendimento elevato, dimensioni contenute e passaggio automatico tra le modalità step-up e step-down, è in grado di soddisfare le esigenze di questo tipo di applicazioni. Nel caso dell’elettronica a bordo auto, l’LTC3115-1 garantisce un funzionamento ininterrotto anche in caso di sovraccarichi transitori e avviamento a freddo.
La frequenza di commutazione programmabile ottimizza il rendimento e supporta il funzionamento a 2MHz, garantendo che il rumore di commutazione e le armoniche siano posizionati sopra la banda AM. L’LTC3115-1 utilizza un algoritmo proprietario di controllo PWM a basso rumore che riduce al minimo le emissioni elettromagnetiche in qualsiasi condizione operativa, anche durante il passaggio tra le modalità step-up e step-down e in tutto il campo di correnti di carico. Un anello ad aggancio di fase (PLL, Phase-Locked Loop) interno consente di sincronizzare i fronti di commutazione con un clock esterno e di migliorare il controllo delle emissioni EMI nelle applicazioni sensibili al rumore. Un pin RUN di precisione fornisce una soglia di blocco di sottotensione (UVLO) in ingresso programmabile, con controllo indipendente dell’isteresi. Con una corrente di riposo di appena 30μA durante il funzionamento Burst Mode® e di 3μA in caso di spegnimento, l’LTC3115-1 riduce il consumo di corrente in standby delle batterie per auto a livelli trascurabili.
L’LTC3115-1 è adatto anche per i dispositivi portatili che devono interfacciarsi con una gamma sempre più vasta di fonti di alimentazione. Mentre prima l’alimentazione veniva fornita da un adattatore AC dedicato o da una sola fonte, oggi molti di questi dispositivi devono essere compatibili con diversi ingressi, tra cui adattatori per auto, porte USB, Firewire e adattatori da rete fissa non regolati. Un esempio estremo è rappresentato dalle radio militari e dall’elettronica di supporto di nuova generazione che, in caso di emergenza, devono essere in grado di funzionare con qualsiasi fonte di alimentazione disponibile e di ridurre al minimo i tipi di batteria da portare sul campo. Per cercare di ridurre i costi generali del progetto, molte linee di prodotti utilizzano un solo alimentatore che viene condiviso da versioni diverse dello stesso prodotto. Ma per poter essere compatibile con tutti i dispositivi di una determinata famiglia, l’alimentatore deve supportare un campo di tensioni di ingresso che sia il più ampio possibile. Grazie a un range di tensioni di ingresso e uscita compreso tra 2,7V e 40V, agli interruttori interni e all’elevato rendimento, questo integrato possiede le caratteristiche e la flessibilità necessarie per queste esigenti applicazioni.
Figura 1: Regolatore da 5V con campo di tensioni di ingresso da 2,7V a 40V
ALIMENTATORE PER AUTO MINIATURIZZATO DA 5V, 2MHZ
La proliferazione dei sottosistemi elettronici per auto ha generato la domanda di alimentatori di piccole dimensioni affidabili, in grado di operare in un ambiente difficile come quello automotive. L’LTC3115-1 è perfetto per queste applicazioni; è in grado di fornire una tensione ben regolata stabile anche quando la tensione della batteria scende al di sotto del valore di uscita richiesto a seguito dello stato di carica della batteria, di transitori della linea indotti da carichi a corrente elevata e dall’avviamento a freddo. La Figura 2 illustra un alimentatore da 5V adatto per le unità di controllo motore e altre funzioni cruciali (ad esempio, sicurezza, alimentazione del carburante, sottosistemi del propulsore) in cui i processori devono rimanere sempre attivi senza glitch, anche durante i transitori di tensione di ingresso più significativi.
Figura 2: Alimentatore auto da 5V, 2MHz con capacità di avviamento a freddo
Questa applicazione utilizza una frequenza di commutazione di 2MHz per ridurre al minimo l’ingombro ed eliminare le interferenze con la banda AM. La linea VCC alimenta i circuiti interni dell’LTC3115-1, compresi i gate driver, e normalmente viene alimentata da quella di ingresso attraverso un regolatore lineare interno. In questa applicazione il diodo D1 bypassa il regolatore lineare interno e fornisce alimentazione a VCC direttamente dall’uscita regolata, migliorando il rendimento e la corrente di uscita. Questo è particolarmente vantaggioso nelle applicazioni con frequenze di commutazione più elevate, perché la maggiore corrente di azionamento del gate viene fornita in modo più efficiente dalla linea di uscita del convertitore che dal regolatore lineare interno. Nella Figura 3 è indicato il rendimento di questo circuito applicativo con un carico di 500mA per tensioni di ingresso da 3,3V a 40V.
Figura 3: Rendimento alimentatore auto da 5V, 2MHz vs VIN
PROTEZIONE IN CASO DI CADUTA DEL CARICO E TRANSIENTI DELLA LINEA INDUTTIVA
Tra le tante fonti di alimentazione, l’impianto elettrico di una vettura rappresenta una delle situazioni più critiche per un alimentatore. La sua tensione nominale va da 10,6V a 15V, a seconda del livello di carica della batteria, della temperatura ambiente e del fatto che l’alternatore sia in fase di carica o inattivo. A parte la variabilità della tensione nominale, questo impianto è soggetto anche a diversi disturbi dinamici indotti da variazioni nel numero di giri al minuto del motore, carichi mutevoli (ad esempio, alzacristalli elettrici, tergicristalli e climatizzatori) e transitori induttivi nel cablaggio. Tuttavia, le condizioni più estreme si presentano durante una caduta momentanea del carico, che può produrre tensioni anche oltre i 120V, della durata di diverse centinaia di millisecondi. La caduta momentanea si verifica quando l’alternatore carica la batteria del veicolo e un’interruzione del circuito causa la momentanea disconnessione della batteria dall’alternatore. Finché il regolatore di tensione riesce a rispondere, tutta la corrente di carica dell’alternatore viene applicata direttamente all’impianto elettrico stesso, innalzando la tensione a livelli potenzialmente pericolosi. Questa situazione transitoria potrebbe essere dovuta a una disconnessione fisica della batteria causata dal meccanico che sta lavorando sul veicolo oppure a un collegamento difettoso del cavo della batteria o a terminali corrosi. L’elettronica a bordo auto deve anche essere in grado di resistere a situazioni come l’avvio di emergenza (con i cavi esterni) in cui viene sottoposta a tensioni fino a 24V per periodi prolungati; in questo caso il veicolo viene riavviato usando una seconda batteria collegata in serie o un veicolo commerciale dotato di sistema elettrico a doppia batteria.
Un altro evento di sovratensione sul bus può essere causato da un guasto nel regolatore di tensione dell’alternatore, eventualità prevista dai test che vengono condotti dagli OEM di elettronica per auto. Un problema di questo tipo può comportare l’utilizzo di tutta la corrente di carica dell’alternatore per la batteria e una sovratensione fino a circa 18V per periodi prolungati. L’impianto elettrico di una vettura può essere soggetto anche a eventi di sovratensione di breve durata, dovuti a rapide variazioni del carico prodotte da carichi ad alta potenza (esempio sportelli elettrici, ventole e relativi motori) che interagiscono con l’induttanza sui cablaggi del veicolo. Nella maggior parte dei veicoli una rete di protezione passiva, costituita da un filtro LC passa-basso e da un soppressore dei transitori di tensione (TVS), funge da prima linea di difesa per bloccare eventuali escursioni di picco del bus di alimentazione. Normalmente, l’elettronica a bordo auto situata a valle della rete di protezione deve resistere a un transitorio di 40V senza subire danni. In presenza di tali eventi i sistemi essenziali non solo devono resistere, ma devono anche funzionare ininterrottamente. La Figura 4 illustra la capacità dell’LTC3115-1 di mantenere ininterrottamente la regolazione di una linea di alimentazione da 5V in presenza di un transitorio di linea da 13,8V a 40V, con tempi di salita e discesa di 1ms.
Figura 4: Sovraccarico di tensione, 13,8V - 40V
