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.
FUNZIONAMENTO ININTERROTTO IN CASO DI TRANSITORI DOVUTI ALL’AVVIAMENTO A FREDDO
I transitori di alta tensione sono sicuramente un problema per l’impianto elettrico di una vettura, ma forse il problema peggiore è costituito dai transitori sotto forma di sottotensioni, il più grave dei quali è il cosiddetto “avviamento a freddo”. Nella Figura 1 si vede la tipica forma d’onda della tensione in questo caso. L’abbassamento di tensione iniziale è il più estremo e si verifica quando il motorino di avviamento inizia a ruotare sul motore, partendo da fermo. In questa fase la tensione di impianto del veicolo può scendere al di sotto di 4V. Le basse temperature peggiorano la situazione, perché l’olio del motore diventa più viscoso e il motorino di avviamento deve sviluppare una coppia più elevata. Questo primo livello è seguito da un secondo, di tensione leggermente più alta (in genere quasi la metà della tensione nominale della batteria), che si verifica quando il motorino mantiene la rotazione del motore. Non appena il motore è in funzione, la batteria ritorna alla sua tensione nominale. I dispositivi di sicurezza e i componenti fondamentali del motore, come l’unità di controllo motore e il sistema di iniezione, devono rimanere operativi in presenza di un transitorio dovuto all’avviamento a freddo. Nella Figura 1 l’architettura buck-boost dell’LTC3115-1 consente di mantenere la regolazione dell’uscita anche in presenza dei transitori più significativi, passando automaticamente nella modalità boost durante l’evento di sottotensione. La capacità di avviamento a freddo ha acquisito una maggiore importanza da quando le auto sono dotate della funzione start/stop che, spegnendo automaticamente il motore a ogni fermata, consente di risparmiare carburante. I veicoli con avviamento “on-demand” sono spesso soggetti a eventi di sottotensione dovuti all’avviamento a freddo. Ecco quindi che i componenti elettrici ausiliari, che nei veicoli tradizionali non avevano la necessità di funzionare in questi casi, ora devono rimanere operativi per eliminare eventuali disturbi sui sistemi di informazione ed intrattenimento, navigatori, quadri di bordo e sistemi di illuminazione.
Figura 1: Transitorio da avviamento a freddo, 12V - 4,5V
BASSE INTERFERENZE ELETTROMAGNETICHE E ZERO EMISSIONI NELLA BANDA AM
L’LTC3115-1 è dotato della modalità PWM forzata che prevede il funzionamento dei commutatori a una frequenza costante per tutti i carichi, con produzione di un basso spettro di rumore e indipendentemente dalle condizioni operative. Lo spettro prevedibile e le minime emissioni di sub-armoniche contribuiscono a ridurre le interferenze e a rispettare i severi standard in materia di EMI del settore auto. L’LTC3115-1 supporta frequenze di commutazione fino a 2MHz, per cui la componente fondamentale della frequenza di commutazione e tutte le sue armoniche possono essere posizionate sopra la banda di frequenza AM, in modo da ridurre al minimo le interferenze con la ricezione radio. Nella Figura 2 è illustrata l’emissione spettrale dell’LTC3115-1 nella banda AM per il circuito applicativo per auto della Figura 2 (Vedi Parte 1) che opera senza carico e con un carico di 500mA. In entrambi i casi l’intero campo di frequenze all’interno della banda AM non è soggetto ad alcuna emissione spettrale significativa.
Figura 2: Il PWM a basso rumore e frequenza fissa riduce al minimo le emissioni nella banda AM
Figura 3: Per garantire il massimo rendimento questo alimentatore da 5V a due ingressi usa un controller PowerPath™ LTC4412 e un MOSFET a canale P nel percorso della batteria, invece di un diodo Schottky. Un economico diodo Schottky viene usato sull’ingresso ad alta tensione dove la caduta di tensione è trascurabile
GESTIONE DI PIÙ FONTI DI ALIMENTAZIONE: ADATTATORE NON REGOLATO, INGRESSO AUTO, USB, USB-PD E FIREWIRE
Per aumentare la flessibilità e agevolare l’utilizzo da parte dell’utente, molti dispositivi elettronici portatili funzionano con diversi alimentatori che possono avere tensioni molto diverse, soprattutto per compensare le cadute di tensione nei connettori e nei cavi. Secondo lo standard USB 3.0 la tensione nominale è 5V ±5%, ma un dispositivo conforme a tale standard deve essere in grado di operare fino a 4V per compensare le cadute di tensione nei cavi e nei connettori. Inoltre, una linea di alimentazione USB a valle può diminuire fino a 3,67V in alcune condizioni transitorie, ad esempio in caso di connessione di altri dispositivi all’host o all’hub alimentato. Lo standard USB PD (Power Delivery) approvato di recente consente la fornitura di un’energia maggiore tramite porta USB con supporto di tensioni fino a 20V. Le porte Firewire forniscono una linea di alimentazione non regolata con una tensione che varia entro un intervallo molto ampio, normalmente compreso tra 9V e 26V, a seconda della classe del fornitore. L’onnipresente adattatore rimane forse la fonte di alimentazione più comune per i dispositivi portatili. Un adattatore tipico è costituito semplicemente da un trasformatore seguito da un raddrizzatore a ponte e non offre nessuna regolazione attiva; questo compito spetta al dispositivo finale per evitare gli effetti della caduta di tensione sul cavo. Gli adattatori non regolati sono progettati per fornire una corrente nominale a una tensione di uscita tipica specificata.
Non essendo regolata, la tensione di uscita varia in funzione del carico di linea, per cui aumenta in modo significativo in presenza di carichi bassi e diminuisce con quelli più elevati. Inoltre, la tensione di rete AC può variare da 210V a 240V, aggiungendo un ulteriore 10% di variabilità nell’uscita dell’adattatore non stabilizzato. Non è insolito, per un adattatore di questo tipo da 12V nominali, produrre una tensione di uscita di 17V o superiore in presenza di carichi leggeri! L’LTC3115-1 funziona direttamente con tutte queste fonti di alimentazione portatili, oltre che con diversi tipi di batterie, comprese quelle al litio (singole o collegate in serie), le SLA (Sealed Lead Acid), tre o più serie di batterie alcaline e perfino una serie di supercondensatori per applicazioni di backup. Per combinare più fonti di alimentazione si può utilizzare un circuito diodo Schottky-OR. Per ottenere un rendimento migliore, l’LTC3115-1 può essere combinato con un controller PowerPath con diodo ideale per garantire il passaggio automatico tra diverse fonti di alimentazione, sfruttando la bassa caduta di tensione di un MOSFET a canale P in sostituzione del diodo Schottky. La Figura 3 spiega come combinare l’LTC3115-1 con l’LTC4412HV per ottenere un’alimentazione da 5V con doppio ingresso (batteria al litio singola e adattatore di rete non regolato). In questo caso vengono usati un PMOS in serie sull’ingresso della batteria al litio a bassa tensione e un diodo Schottky economico sull’ingresso ad alta tensione, dove la caduta di tensione è trascurabile. Il rendimento di questo alimentatore, che comprende convertitore e dispositivo PowerPath, è illustrato nella Figura 4 per tutte le condizioni di carico.
Figura 4: Rendimento generale del PowerPath e dell’LTC3115-1
