Alimentatori switching

Esistono varie tipologie di alimentatori switching (o a commutazione), ma tutti funzionano grazie a:

• un transistor BJT o MOSFET usato in modalità ON/OFF, cioè come interruttore
• un induttore per accumulare energia
• la tecnica PWM (modulazione a larghezza di impulso)

Il transistor, diversamente da quanto avviene nei regolatori lineari, viene utilizzato esclusivamente in saturazione o in interdizione e questo comporta - almeno idealmente - una dissipazione di potenza nulla sul componente. Infatti, ricordando che la potenza è il prodotto di tensione e corrente, si ha:

• zero corrente in interdizione (stato OFF)
• zero tensione in saturazione (stato ON)

quindi zero potenza dissipata sul componente. Nella pratica la situazione è meno favorevole perché durante la commutazione ci sono momenti in cui sono presenti sia la tensione che la corrente¹⁾ e perché il comportamento del transistor non è quello di un interruttore ideale; in particolare in saturazione:

• i transistor BJT presentano una tensione `V_(CEsat)` ai loro capi (ad esempio 0,2 V)
• i MOSFET presentano una resistenza `R_(on)` di pochi ohm

La modulazione PWM è una tecnica che permette di ottenere un valore di tensione regolabile a piacere da una sorgente in continua senza dissipare potenza²⁾. La tecnica si basa sull'utilizzo di un componente a semiconduttore che, posto tra sorgente di alimentazione e carico, viene utilizzato come interruttore. Commutando rapidamente tra ON e OFF si applica alternativamente tensione al carico in modo da ottenere un valore medio pari al valore di tensione desiderato. Solitamente la frequenza della tensione rettangolare applicata al carico è costante mentre è possibile regolare il tempo t_on durante il quale è applicata piena tensione (cioè la larghezza dell'impulso di tensione).

Analiticamente, detto t_on il tempo durante il quale è applicata tensione e T il periodo della tensione impulsiva, si ha:

`V_(out) = t_(on)/T cdot V_(\C\C) = d cdot V_(\C\C)`

dove d è detto duty cycle.

In tutti gli alimentatori switching è presente un induttore (o, in alternativa, un trasformatore ad alta frequenza) per accumulare e restituire energia. Gli induttori sono sede di fenomeni di autoinduzione³⁾ e il loro comportamento è descritto dalla legge di Ohm per gli induttori:

`v = L (di)/(dt)`

che afferma che:

• c'è tensione auto-indotta su un componente di induttanza L se la corrente cambia nel tempo
• il valore della tensione dipende dalla velocità con cui cambia la corrente
• la tensione si oppone alle variazioni di corrente (legge di Lenz)

Quando la corrente che circola su un induttore cala questo diverrà sede di una tensione con verso tale da fare circolare corrente (in questa fase l'induttore eroga energia precedentemente immagazzinata nel campo magnetico) mentre quando la corrente cresce l'induttore genera una tensione che tende a limitare la corrente (l'induttore accumula energia)⁴⁾.

Gli alimentatori a commutazione (con una sigla SMPS cioè switched mode power supply) costituiscono una soluzione alternativa rispetto a quelli lineari. Rispetto a questi presentano i seguenti vantaggi:

• efficienza molto maggiore: il rendimento è maggiore del 70% (con particolari soluzioni anche 90%) mentre per quelli lineari è minore del 40% e dipende dalla differenza tra tensione in ingresso e in uscita
• calore prodotto molto minore: il dissipatore è più piccolo o può essere omesso
• dimensioni e peso molto minori
• flessibilità maggiore: è possibile ottenere più tensioni in uscita

Gli svantaggi rispetto alla soluzione lineare sono invece:

• complicazione circuitale molto maggiore
• stabilità minore
• presenza di disturbi condotti e irradiati (EMC) che vanno contrastati con opportune misure (filtri, schermature)

L'esplosione del mercato dell'elettronica di consumo ha reso la soluzione switching sempre più economica e vantaggiosa; oggi quasi tutti gli apparecchi elettronici (PC, caricabatterie, TV, ecc.) sono alimentati grazie ad un alimentatore switching.

In un alimentatore switching è presente:

• uno primo stadio con ponte a diodi e condensatore di livellamento che effettua la conversione AD-DC e produce una tensione quasi continua ma non stabilizzata (il trasformatore può essere presente o meno)
• uno stadio successivo che effettua una conversione DC-DC e stabilizza la tensione

Il primo stadio non è diverso da quello che troviamo negli alimentatori lineari o in quelli non stabilizzati ed è già stato trattato; il secondo, il regolatore vero e proprio, è quello che caratterizza le varie tipologie di alimentatori switching.

I convertitori DC-DC si distinguono in:

• isolati, che contengono un trasformatore
• non isolati, privi di trasformatore

Il trasformatore dei convertitori DC-DC isolati sostituisce quello dello stadio raddrizzatore e svolge più funzioni:

• abbassa la tensione
• isola la parte DC in bassa tensione da quella in alta tensione
• viene usato per accumulare energia al posto della bobina

Per queste applicazioni si usano trasformatori particolari - realizzati in ferrite e di dimensioni molto ridotte - fatti per lavorare ad alta frequenza. Questa soluzione è più complicata ma permette di costruire alimentatori molto compatti. La maggior parte degli alimentatori SMPS (caricabatterie dei cellulari, alimentatori per PC, ecc.) usano un convertitore di questo tipo (si parla di topologia flyback).

Nei convertitori DC-DC non isolati l'isolamento tra alta e bassa tensione è realizzato dal trasformatore tradizionale presente nello stadio AC-DC a monte. Questa soluzione permette di realizzare convertitori DC-DC compatti, economici e integrati, che possono essere montati direttamente sulla scheda accanto al componente che deve essere alimentato.

La soluzione che si sta affermando oggi nei sistemi più complessi - un PC ad esempio - è quella di utilizzare SMPS modulari: il convertitore AC-DC e quello DC-DC sono racchiusi in un modulo standard di media potenza che produce una tensione DC stabilizzata principale a cui si affiancano tanti piccoli convertitori DC-DC, integrati e non isolati, posti accanto ai carichi che richiedono tensioni diverse da quella principale.

Il convertitore DC-DC più utilizzato è quello step down (o buck) illustrato in figura. E' un convertitore non isolato usato per abbassare la tensione (step down) senza cambiarne il verso. La regolazione è affidata a un sistema di controllo che misura la tensione in uscita e regola di conseguenza il duty-cycle del segnale PWM che comanda il componente usato come interruttore (un transistor BJT in figura).

Per comprendere il funzionamento del regolatore supponiamo che corrente e tensione in uscita siano costanti (nel breve periodo) ed esaminiamo il comportamento del circuito quando l'interruttore è chiuso e aperto:

• nello stato ON la corrente scorre dall'ingresso al carico e al condensatore attraverso l'induttore; il diodo è interdetto e induttore e condensatore stanno accumulando energia
• nel passaggio allo stato OFF l'induttore diventa sede di una tensione indotta orientata verso il carico che porta il diodo in conduzione; il condensatore si scarica sul carico e, insieme all'induttore eroga energia

Le figure sotto evidenziano il percorso e il verso delle correnti nello stato ON e OFF.

Dalle due figure notiamo anche che nello stato ON l'induttore è soggetto alla tensione costante V_L=V_i - V_o mentre nello stato OFF alla tensione costante -V_o⁵⁾. Allora, per la legge di Ohm dell'induttanza, la corrente sull'induttore cresce e cala durante i due stati con pendenza costante⁶⁾ e il suo valore medio corrisponde alla corrente sul carico, come mostrato in figura⁷⁾. Il condensatore assorbe corrente nella fase ON e la eroga nella fase OFF mantenendo la corrente al carico costante. L'induttore, assorbendo ed erogando energia, è il componente che trasmette energia dall'ingresso al carico.

Applicando la legge di Ohm si può calcolare l'aumento di corrente nello stato ON:

`Delta i_(ON) = {:(V_i - V_o)/L:}t_(ON)`

e la diminuzione di corrente nello stato OFF:

`Delta i_(OFF) = -{:(V_o)/L:}t_(OFF)`

Eguagliando le due variazioni, che a regime devono essere uguali⁸⁾, si ottiene:

`V_o = V_i t_(ON)/T= V_i d`

dove d è il duty-cycle della tensione impulsiva.

Il convertitore DC-DC boost produce in uscita una tensione più grande di quella in ingresso ⁹⁾. Per comprenderne il funzionamento esaminiamo lo schema seguente:

Quando il transistor è ON:

• l'induttore assorbe energia
• il diodo è interdetto
• il carico è alimentato dal condensatore, che si scarica

Quando il transistor è OFF:

• l'induttore presenta una tensione indotta con potenziale positivo verso il diodo ed eroga energia
• il diodo entra in conduzione
• carico e il condensatore sono sottoposti a una tensione che è la somma di quella dell'alimentazione e quella dell'induttore
• il condensatore si carica e il carico è alimentato da induttore e alimentazione

Le figure seguenti mostrano come circola la corrente nei due stati ON e OFF.

Il convertitore buck-boost è un convertitore DC-DC invertente che produce una tensione in uscita di segno opposto rispetto a quella di ingresso. Per comprenderne il funzionamento esaminiamo il circuito seguente:

Quando il transistor è ON:

• l'induttore accumula energia
• il diodo è interdetto
• il carico è alimentato dal condensatore che si scarica

Quando il transistor è OFF:

• sull'induttore si manifesta una tensione indotta rivolta verso il basso
• il diodo entra in conduzione
• il carico e condensatore sono alimentat dall'induttore

La figura seguente mostra la circolazione di corrente nelle due fasi.

Il convertitore flyback è un convertitore DC-DC isolato che produce una o più tensioni in uscita. Gli alimentatori che usano questo tipo di convertitore sono piccoli e leggeri perché induttore e trasformatore di rete sono sostituiti da un singolo trasformatore ad alta frequenza (piccolo, in ferrite e con traferro). Lo schema semplificato di un convertitore flyback è il seguente.

Nella fase ON:

• il primario del trasformatore è alimentato e l'induttore accumula energia
• il diodo è interdetto ¹⁰⁾
• il carico è alimentato dal condensatore

Nella fase OFF:

• la tensione indotta rivolta verso il basso che si oppone all'interruzione della corrente nel circuito di ingresso produce una tensione rivolta verso l'alto (e di diversa ampiezza secondo il rapporto spire del trasformatore) nel circuito di uscita
• il diodo è in conduzione
• condensatore e carico sono alimentati dal trasformatore (il condensatore si carica e il trasformatore cede l'energia accumulata nella fase ON)

La figura seguente mostra la circolazione di corrente nelle due fasi.

Esistono molte altre tipologie di convertitori; ad esempio per potenze medie e elevate si usano convertitori con più di un transistor (push-pull, half-bridge, full-bridge). Ci sono poi particolari soluzioni che permettono di migliorare le prestazioni degli alimentatori switching:

• gli alimentatori risonanti e il soft switching permettono di ridurre le perdite nella commutazione che si hanno nei brevi istanti in cui è presente sia tensione che corrente nel transistor che commuta tra ON e OFF
• gli alimentatori sincroni hanno maggiore efficienza perché evitano la dissipazione di potenza sul diodo usando al suo posto un secondo transistor
• in ingresso e in uscita si impiegano filtri EMC per ridurre i disturbi
• gli alimentatori PFC correggono il fattore di potenza che altrimenti è piuttosto basso (intorno a 0,6)¹¹⁾

Nel progetto di un alimentatore switching, per ottenere buone prestazioni ed evitare instabilità, bisogna prendere particolari accorgimenti sia nella scelta dei componenti che nel layout del circuito stampato. I problemi principali nascono dal fatto che i circuiti operano a frequenze elevate e con correnti impulsive.

Tra i componenti bisogna scegliere i condensatori elettrolitici adatti perché questo tipo di condensatori:

• hanno una resistenza serie equivalente (ESR) elevata che oltre a provocare perdite produce instabilità sulla tensione in uscita
• hanno una induttanza serie equivalente (ESL) che ne limita l'utilizzo ad alte frequenze

Per questo motivo è bene scegliere condensatori elettrolitici per alta frequenza e mettere in parallelo condensatori a film (e/o ceramici a strato) di capacità minore che hanno ottime prestazioni in alta frequenza.

Anche gli induttori e i trasformatori devo essere per alta frequenza, con nuclei:

• in ferrite per ridurre le perdite
• di forma toroidale per limitare i disturbi
• con un piccolo traferro per evitare la saturazione (e comportamenti resistivi)

Il layout del circuito deve essere particolarmente curato; in particolare bisogna:

• ridurre l'induttanza parassita delle piste evitando anelli
• ridurre la caduta di tensione sul percorso di massa
• ridurre la lunghezza delle piste per evitare effetti antenna
• posizionare i condensatori vicino all'elemento usato come interruttore e agli integrati in modo da limitare i disturbi generati dai componenti che commutano ad alta frequenza

Per quel che riguarda le masse ci sono due soluzioni alternative:

• realizzare piste GND larghe e tracce separate per collegare i vari componenti ad un unico riferimento di massa collocato vicino ad un condensatore elettrolitico di grande capacità (single-point grounding)
• usare un piano di massa

L'LM2576 è un regolatore per convertitori DC-DC step-down con le seguenti caratteristiche:

• robustezza e affidabilità (soluzione stra-collaudata)
• facile da usare (pochi componenti)
• non miniaturizzato (semplice da installare e migliore smaltimento del calore)

Il datasheet dell'LM2576 della Texas Instruments riporta molte informazioni utili; indichiamo di seguito i contenuti più interessanti:

• pag. 1-3: descrizione, application diagram, package e raccomandazioni per i vari pin (tracce corte tra Vin, Cin e GND)
• pag. 4-7: specifiche (tra le tante: supply voltage, efficiency, Vout, Tj)
• pag. 8-11: caratteristiche e oscillogrammi (forme d'onda e risposta alle variazioni del carico)
• pag. 12-14: schema semplificato e modi di funzionamento
• pag. 15-23: applicazioni, la parte più importante per utilizzare correttamente l'integrato in un progetto
  • dimensionamento (forumla) e collocazione del condensatore di ingresso
  • tipologie di induttori e dimensionamento (curve caratteristiche)
  • tipologia (low ESR) dimensionamento (formula) e collocazione del condensatore di uscita
  • dimensionamento (tabella) e collocazione del diodo
  • posizionamento del partitore nella versione a tensione di uscita regolabile
  • esempio di progetto per l'applicazione a tensione costante (molto utile)
  • esempio di progetto per l'applicazione a tensione regolabile (molto utile)
• pag. 24-26: raccomandazioni per il layout
  • linee spesse in fig. 32 corte
  • piano di massa o single-point grounding
  • posizionamento del partitore
  • indicazioni per ridurre i disturbi (piste corte e larghe negli anelli con correnti AC come da fig. 33)
• pag. 26-27: eventuale dimensionamento del dissipatore (formule)
• pag. 28-29: glossario e definizioni

• dal testo di elettronica: sezione 18D
• dal testo di elettronica: scheda integrativa 18D.1 (flyback e altre tipologie di convertitori)
• dai documenti tecnici della Texas Instruments una guida sugli alimentatori switching
• dal sito TDK una introduzione agli alimentatori a fumetti
• teardown e funzionamento di un alimentatore per iPad e di un alimentatore per iPhone (utili anche le note)
• un documento che spiega la differenza tra regolatore sincrono e asincrono
• la linea di regolatori Simple Switcher della Texas Instruments
• la web application WEBENCH per dimensionare e progettare il regolatre (schematico, BOM ecc.)
• reference design per LM2576 con layout
• linee guida per il layout specifiche per la linea Simple Switcher e generiche per alimentatori switching
• articolo sull'LM2576
• pagina con trattazione analitica dettagliata di un convertitore DC-DC buck
• simulazione di un convertitore buck

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