Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Il TPS54360 da 60V e 3,5A è un regolatore “step down” con un MOSFET integrato sul lato caldo, con notevoli caratteristiche “Eco” che ne fanno la scelta ideale in tutte le applicazioni dove i fattori chiave sono l’alto rendimento di conversione e il risparmio energetico in condizioni di quiescenza.
Introduzione
Nel settore dell’energia elettrica, la conversione di potenza è una conversione di energia elettrica da una forma all’altra, come può essere la conversione tra AC (Alternative Current - corrente alternata) e DC (Direct Current - corrente continua), la modifica della tensione/frequenza o anche una combinazione di queste. In generale si può affermare che un “convertitore di potenza” è un dispositivo elettrico o elettro-meccanico per la conversione di energia elettrica, che potrebbe essere semplice come un trasformatore per cambiare la tensione di alimentazione AC, sino ad arrivare a sistemi molto più complessi. Un metodo per classificare tali sistemi può essere in base al loro legame tra l’ingresso e l’uscita, riassumendoli in quattro grandi categorie:
- AC-AC: a questa categoria appartengono ad esempio i trasformatori e i convertitori di tensione;
- AC-DC: esempi di sistemi sono i rettificatori e gli alimentatori come quelli dei PC;
- DC-AC: che trovano i loro massimi esponenti negli inverter;
- DC-DC: a cui appartengono per esempio stabilizzatori di tensione e regolatori lineari.
Focalizzando la nostra attenzione sui convertitori DC-DC, possiamo affermare che sono importanti nei dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, notebook e via dicendo, che vengono alimentati principalmente dalle batterie; tali dispositivi elettronici contengono spesso diversi sotto-circuiti, ciascuno con il proprio livello di tensione che potrebbe essere diverso da quello fornito dalla batteria o da un alimentatore esterno (a volte superiore o inferiore alla tensione di alimentazione). Questi convertitori DC-DC offrono un metodo per variare la tensione della batteria rispondendo a tale fabbisogno e permettendo il risparmio di spazio, invece di utilizzare batterie multiple per ottenere la stessa funzione.
Il modo più semplice per ridurre la tensione di alimentazione è usare un partitore di tensione oppure un regolatore lineare, ad esempio un comune 7805 nel caso si vogliano 5V, ma spesso con queste soluzioni si spreca energia dissipando quella in eccesso sotto forma di calore, inoltre vi sono dei casi in cui non possono essere utilizzate. Di contro, un convertitore “buck” è un convertitore DC-DC step-down che è notevolmente più efficiente (fino a 95% per i circuiti integrati) ed è molto versatile, potendosi adattare a varie situazioni come ad esempio convertire la tensione tipica della batteria in un laptop fino ai pochi volt necessari alla CPU. La tipologia è simile a un più noto convertitore “boost” (un convertitore step-up, ovvero elevatore). In questo ambito è collocabile l’integrato TPS54360 della Texas Instruments (spesso indicata con TI) che si propone come valida soluzione di convertitore DC-DC step-down, con svariate caratteristiche associate e totalmente configurabili.
Panoramica sul TPS54360
L’integrato TPS54360 è un regolatore a 60V, 3.5A, step-down (buck) con un MOSFET a canale N integrato sul lato caldo, lo si trova in un contenitore 8 pin HSOIC, utilizzabile in un campo di temperatura dai -40°C ai 150°C; in Figura 1 è visibile la disposizione dei pin che verrà analizzata e sarà più chiara in seguito, inoltre in Figura 2 è mostrato uno schema semplificato di connessioni esterne dell’integrato.
Figura 1: Disposizione dei pin del TPS54360
Il TPS54360 implementa una frequenza costante, un controllo di corrente in modo da ridurre la capacità di uscita, semplifica la compensazione della frequenza esterna, ha un’ampia gamma di frequenze di commutazione che vanno da 100 kHz a 2500 kHz permettendo sia l’efficienza che l’ottimizzazione dimensionale nella scelta dei componenti relativi al filtro in uscita. Il dispositivo ha un anello interno ad aggancio di fase (Phase-Locked Loop - PLL) collegato al pin RT/CLK e la frequenza di commutazione è regolata tramite una resistenza a “ground” (GND) collegata al pin RT/CLK, come mostrato in Figura 2.
Figura 2: Schema semplificato di collegamento
Il TPS54360 ha una tensione di ingresso start-up (di default) di circa 4,3 V e può essere abilitato mediante il pin EN che gestisce il blocco “undervoltage lockout” (UVLO) visibile nel diagramma a blocchi funzionali di Figura 3. La corrente di funzionamento è di circa 146 A in assenza di carico e non in condizione di switching, mentre quando il dispositivo è disattivato, la corrente di alimentazione diminuisce fino a circa 2 A.
Figura 3: Schema a blocchi funzionale del TPS54360
Con riferimento al diagramma a blocchi funzionale di Figura 3, si nota un MOSFET (da 92mΩ) integrato ad alta efficienza high side, capace di erogare in continuo correnti fino a 3,5 A verso il carico, con una tensione di polarizzazione del gate fornita da un condensatore di bootstrap collegato dal pin BOOT a quello SW e, grazie ai componenti interni, per la sua gestione riduce il numero di componenti esterni da considerare. La tensione sul condensatore del pin BOOT è monitorata dal blocco UVLO che spegne il MOSFET quando la tensione BOOT-SW scende sotto una certa soglia. In automatico un sotto blocco ricarica il condensatore collegato al BOOT permettendo al dispositivo TPS54360 di operare a cicli di lavoro (duty cycle) che si avvicinano al 100%. La tensione massima di uscita è vicina alla minima tensione di alimentazione di ingresso, mentre la tensione di uscita minima è di circa 0,8V.
I transitori di sovratensione in uscita sono minimizzati da un blocco di protezione indicato come “Overvoltage Transient Protection” (OVP) di confronto, che viene spento quando è attivato il MOSFET high side e rimane spento fino a che la tensione di uscita è inferiore al 106% della tensione di uscita desiderata. Questo integrato della TI include anche un circuito interno di avvio progressivo, che rallenta il tempo di salita dell’uscita durante l’avviamento per ridurre la corrente di spunto e i rialzi della tensione di uscita; in più, le condizioni di sovraccarico dell’uscita resettano il timer del “soft-start”. Quando la condizione di sovraccarico è rimossa, il circuito di avvio progressivo controlla il recupero della tensione fino alla sua regolazione nominale. Un ulteriore sotto-blocco riduce la frequenza di commutazione durante l’avviamento (start-up) e nelle condizioni di guasto (fault) dovute a sovracorrenti, per aiutare a mantenere il controllo della corrente dell’induttore.
CARATTERISTICHE E FUNZIONALITÀ DEL TPS54360
Dopo una breve panoramica di questo integrato, scendiamo maggiormente nei dettagli analizzando solo alcune delle sue svariate caratteristiche.
- Controllo PWM a frequenza fissa
Il TPS54360 utilizza frequenza fissa, la tensione di uscita viene confrontata attraverso dei resistori esterni collegati al pin FB (visibili in Figura 2) con un riferimento di tensione interno mediante un amplificatore di errore, mostrato a livello concettuale in Figura 3. Un oscillatore interno accende l’interruttore high side e l’uscita dell’amplificatore di errore al pin COMP controlla la corrente di tale interruttore; quando la corrente MOSFET high side raggiunge il livello di soglia fissato dalla tensione COMP, l’interruttore viene spento. La tensione del pin COMP aumenterà e diminuirà così come la corrente di uscita aumenta e diminuisce. Il dispositivo implementa una limitazione della corrente fissando la tensione del pin COMP a un livello massimo. Questo dispositivo della TI aggiunge una rampa di compensazione che con la sua pendenza impedisce oscillazioni sub-armoniche a cicli di lavoro utile superiori al 50%. Il limite della corrente di picco relativo all’interruttore high side non è influenzato dalla pendenza di compensazione e rimane costante per tutto il range del duty cycle.
- Pulse Skipping Eco-mode
Il TPS54360 utilizza il “pulse skipping Eco-mode” nel caso in cui i carichi non richiedano molta corrente, permettendo di migliorare l’efficienza andando a ridurre le perdite di commutazione e di azionamento del pilotaggio. Se la tensione di uscita rientra nella regolazione e la corrente di picco alla fine di ogni ciclo di commutazione è inferiore alla soglia di “pulse skipping”, il dispositivo entra in modalità Eco; tale soglia corrisponde a una tensione nominale dell’ordine dei 600 mV. Quando il TPS54360 entra in modalità Eco, la tensione al pin COMP è fissata a 600 mV e il MOSFET high side è interdetto; poiché il dispositivo non sta commutando, la tensione di uscita inizia a decadere. Il circuito di regolazione della tensione risponde alla caduta della tensione di uscita aumentando la tensione al pin COMP; il MOSFET high side viene attivato e la commutazione riprende quando l’amplificatore di errore aumenta la tensione del pin COMP al di sopra della soglia di “pulse skipping”. Infine, la tensione di uscita riprende il valore nominale di regolazione. Il blocco del PLL interno, sempre facendo riferimento alla Figura 3, resta operativo quando è in modalità Eco e se si opera con piccole correnti di carico in Eco-mode, le transizioni di commutazione avvengono in modo sincrono con il segnale di clock esterno. Durante il funzionamento in Eco-mode il TPS54360 misura e controlla la corrente di picco di commutazione e non la corrente di carico medio, pertanto la corrente di carico per il quale il dispositivo entra in Eco-mode dipende dal valore dell’induttore di uscita. Per fare un esempio, si faccia riferimento alla Figura 4, in cui è mostrato un tipico schema di collegamento di questo dispositivo, tale circuito entra in Eco-mode a circa 24 mA di corrente in uscita.
Figura 4: Esempio di schema applicativo
- Bassa caduta di tensione di funzionamento e tensione di Bootstrap (BOOT)
Il TPS54360 fornisce un regolatore di tensione di bootstrap integrato. Un piccolo condensatore tra il pin di BOOT e quello di SW fornisce la tensione del gate per il MOSFET high side e viene ricaricato quando il MOSFET high side è spento e il diodo esterno conduce (visibile in Figura 4). Il valore raccomandato del condensatore di BOOT è di 0,1 uF, in più è consigliato un condensatore ceramico con dielettrico X7R o X5R e con una tensione di 10V (o superiore) per avere prestazioni stabili in temperatura e tensione. Quando si opera con una bassa differenza di tensione tra l’ingresso e l’uscita, il MOSFET high side del TPS54360 opera al 100% del duty cycle finché la tensione tra il pin BOOT e quello SW si mantiene superiore al valore di circa 2,1 V; nel caso scendesse al di sotto di tale valore, il MOSFET high side viene spento e un MOSFET integrato “low side” diminuisce la tensione al pin SW per ricaricare il condensatore BOOT. Per ridurre le perdite del MOSFET “low side” con elevate tensioni di uscita, questo viene disattivato per valori superiori a 24V e riattivato quando l’uscita scende al di sotto dei 21,5 V. Poiché la corrente di pilotaggio proveniente dal condensatore di BOOT è piccola, il MOSFET high side può rimanere acceso per molti cicli di commutazione prima di venir spento per ricaricare il condensatore, così il ciclo di lavoro effettivo del regolatore di commutazione può essere elevato e avvicinarsi al 100%. Il ciclo di lavoro effettivo del convertitore è influenzato principalmente dalle cadute di tensione attraverso il MOSFET, la resistenza dell’induttore, il diodo e la resistenza del circuito stampato. La tensione di avvio e di arresto per una tipica applicazione con uscita a 5V è mostrata in Figura 5, dove la tensione VI è tracciata rispetto alla corrente di carico. La tensione di “Start” è definita come la tensione di ingresso necessaria per regolare l’uscita entro l’1% del valore nominale, mentre la tensione di “Stop” è definita come la tensione di ingresso a cui l’uscita scende del 5% (o quando si ferma la commutazione).
Figura 5: Tensione di Ingresso verso Corrente di Carico
- Sincronizzazione del pin RT/CLK
Il pin RT/CLK può ricevere un segnale di sincronizzazione in frequenza da un clock di sistema esterno; per attuare questa funzione di sincronizzazione bisogna inviare un’onda quadra a tale pin come mostrato in Figura 6.
Figura 6: Connessioni per la sincronizzazione del pin RT/CLK
L’onda quadra applicata al pin RT/CLK deve passare da un valore inferiore a 0,5 V a un valore superiore a 1,7 V, con un’ampiezza di impulso maggiore di 15 ns. La gamma di frequenza di sincronizzazione va da 160 kHz a 2300 kHz. Il fronte di salita del pin SW sarà sincronizzato con il fronte di discesa del segnale al pin RT/CLK. Il circuito di sincronizzazione esterno deve essere progettato in modo tale che la resistenza per l’impostazione della frequenza di default debba essere collegata tra il pin RT/CLK e la massa quando il segnale di sincronizzazione è spento, mentre quando si utilizza una sorgente di segnale a bassa impedenza, la resistenza di set della frequenza deve essere collegata in parallelo con un condensatore di accoppiamento AC e una resistenza di terminazione (ad esempio da 50 Ω) come mostrato in Figura 6. Le due resistenze in serie forniscono la resistenza d’impostazione della frequenza predefinita quando la sorgente del segnale è spenta.
- Blocco termico
Il TPS54360 fornisce un arresto termico interno per proteggere il dispositivo quando la temperatura di giunzione supera 176°C, una volta che la temperatura del “die” scende sotto 164 °C, il dispositivo riparte con la sequenza di accensione controllata dal circuito interno di avvio progressivo.
CONSIGLI PER IL LAYOUT
Il layout del PCB (Printed Circuit Board) è una parte fondamentale nella progettazione dell’alimentazione per questo dispositivo, infatti, ci sono diversi percorsi di segnale con correnti che cambiano rapidamente e tensioni che possono interagire con induttanze parassite o capacità parassite per generare rumore e degradare le prestazioni. Per ridurre questi effetti indesiderati, il pin VIN deve essere bypassato a terra (ground) con un condensatore ceramico a bassa ESR (Equivalent Series Resistance - resistenza equivalente in serie), generalmente con dielettrico X5R o X7R. Si deve prestare attenzione a minimizzare l’area formata dalle connessioni dei condensatori di bypass, del pin VIN e l’anodo del diodo di cattura (catch). Si veda la Figura 7 per un esempio di un possibile layout del PCB, da cui si evince che il pin GND deve essere legato direttamente al pad di potenza sotto l’integrato connesso ai piani di massa interni della scheda, utilizzando più “vie” direttamente sotto il TPS54360. Il pin SW deve essere collegato al catodo del diodo di cattura e all’induttore di uscita; poiché la connessione SW è il nodo di commutazione, il diodo di cattura e l’induttore devono essere posizionati vicino a tale pin e l’area di connessione del PCB deve essere minimizzata per evitare un eccessivo accoppiamento capacitivo. Per il funzionamento a pieno carico, l’area di PCB legata al ground dal lato superiore deve fornire un’adeguata area di dissipazione di calore. Infine, il pin RT/CLK è sensibile al rumore, perciò la resistenza deve essere posizionata il più vicino possibile all’integrato e collegata con lunghezze minime di pista. I componenti esterni aggiuntivi possono essere collocati ad esempio come mostrato in Figura 7. Può essere possibile avere buone prestazioni con layout alternativi, tuttavia questa disposizione ha già dimostrato di poter produrre ottimi risultati e può essere presa in considerazione come una linea guida per layout differenti.
Figura 7: Linea guida del Layout PCB
CONCLUSIONI
Le caratteristiche analizzate in questo articolo rappresentano soltanto una parte delle potenzialità del dispositivo; per una visione più completa si può far riferimento al foglio specifiche del componente, scaricabile direttamente dal sito della Texas Instruments.
