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alimentatori_switching

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Linea 15: Linea 15:
   * i MOSFET presentano una resistenza `R_(on)` di pochi ohm    * 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 potenza((al contrario di quello che avviene usando un potenziometro o un transistor nel funzionamento attivo lineare)). La tecnica si basa sull'utilizzo di un componente a semiconduttore che, posto tra sorgente di alimentazione, 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<sub>on</sub> durante il quale è applicata piena tensione (cioè la larghezza dell'impulso di tensione). +La **modulazione PWM** è una tecnica che permette di ottenere un valore di tensione regolabile a piacere da una sorgente in continua senza dissipare potenza((al contrario di quello che avviene usando un potenziometro o un transistor nel funzionamento attivo lineare)). 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<sub>on</sub> durante il quale è applicata piena tensione (cioè la larghezza dell'impulso di tensione). 
  
 {{::dutycycle.png|duty cycle 50% e 75%}} {{::dutycycle.png|duty cycle 50% e 75%}}
Linea 25: Linea 25:
 dove d è detto //duty cycle//. 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 restituireenergia. Si ricorda che gli induttori sono sede di fenomeni di autoinduzione((tensioni indotte dovute a variazioni di flusso concatenato generato dall'induttore stesso)) e il loro comportamento è descritto dalla legge di Ohm per gli induttori:+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 autoinduzione((tensioni indotte dovute a variazioni di flusso concatenato generato dall'induttore stesso)) e il loro comportamento è descritto dalla legge di Ohm per gli induttori:
  
 `v = L (di)/(dt)` `v = L (di)/(dt)`
  
-che afferma che c'è tensione auto-indotta su un componente di induttanza L se la corrente cambia nel tempo, che questa tensione dipende dalla velocità con cui cambia la corrente e che la tensione si oppone alle variazioni di corrente (legge di Lenz). Allora quando la corrente che circola su un induttore cala questo diverrà sede di una tensione con verso tale da far 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)((come esempio di applicazione si veda il circuito di bobina candela di un auto come illustrato pagina 3 della [[http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf|guida TI ai regolatori switching]])).+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)((come esempio di applicazione si veda il circuito bobina/candela di un automobile illustrato pagina 3 della [[https://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida TI ai regolatori switching]])).
 ===== Generalità ===== ===== Generalità =====
  
 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: 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 dipende dalla differenza tra tensione in ingresso e in uscita e comunque è minore del 40%+  * 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   * calore prodotto molto minore: il dissipatore è più piccolo o può essere omesso
   * dimensioni e peso molto minori   * dimensioni e peso molto minori
Linea 40: Linea 45:
   * complicazione circuitale molto maggiore    * complicazione circuitale molto maggiore 
   * stabilità minore   * stabilità minore
-  * presenza di disturbi condotti e irradiati ([[wpi>EMC]]) che vanno contrastati con opportune misure (filtri, schermature)+  * presenza di disturbi condotti e irradiati ([[wpi>Compatibilità_elettromagnetica|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 un alimentatore switching.+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.
 ===== Classificazione degli alimentatori switching ===== ===== Classificazione degli alimentatori switching =====
  
Linea 60: Linea 65:
   * viene usato per accumulare energia al posto della bobina   * viene usato per accumulare energia al posto della bobina
  
-Per queste applicazioni si usano trasformatori particolarirealizzati in ferrite e di dimensioni molto ridottefatti 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).+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//).
  
-convertitori DC-DC non isolati prevedono un isolamento tra alta e bassa tensione nello stadio AC-DC a monte con un trasformatore tradizionale per tensione di rete. 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. +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.+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-DCintegrati e non isolatiposti accanto ai carichi che richiedono tensioni diverse da quella principale.
 ===== Convertitore step-down o buck ===== ===== Convertitore step-down o buck =====
  
-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 PWM che comanda il componente usato come interruttore (un transistor BJT in figura).+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).
  
 {{:buck.png|convertitore step-down o buck}} {{:buck.png|convertitore step-down o buck}}
  
-Per comprendere il funzionamento del regolatore esaminiamo il comportamento del circuito quando l'interruttore è chiuso e aperto:+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   * 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   * 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
Linea 79: Linea 84:
 {{:buckonoff.png|circolazione della corrente nella fase ON e OFF in un convertitore step-down}} {{:buckonoff.png|circolazione della corrente nella fase ON e OFF in un convertitore step-down}}
  
-Dalle due figura notiamo anche che nello stato ON l'induttore è soggetto alla tensione costante V<sub>L</sub>=V<sub>i</sub> - V<sub>o</sub> mentre nello stato OFF alla tensione costante -V<sub>o</sub>. Allora, per la legge di Ohm dell'induttanza, la corrente sull'induttore cresce e cala durante i due stati con pendenza costante((la pendenza corrisponde alla derivata della corrente e questa, secondo la legge di Ohm a inizio pagina, è proporzionale alla tensione applicata all'induttore che in questo caso assume due valori costanti)) e il suo valore medio corrisponde alla corrente sul carico, come mostrato in figura.+Dalle due figure notiamo anche che nello stato ON l'induttore è soggetto alla tensione costante V<sub>L</sub>=V<sub>i</sub> - V<sub>o</sub> mentre nello stato OFF alla tensione costante -V<sub>o</sub>((nell'ipotesi di diodo ideale con cdt nulla in conduzione)). Allora, per la legge di Ohm dell'induttanza, la corrente sull'induttore cresce e cala durante i due stati con pendenza costante((la pendenza corrisponde alla derivata della corrente e questa, secondo la legge di Ohm a inizio pagina, è proporzionale alla tensione applicata all'induttoreche in questo caso assume due valori costanti)) e il suo valore medio corrisponde alla corrente sul carico, come mostrato in figura((nella figura si assume Vi-Vo maggiore di Vo ma spesso non è questo il caso, ad esempio se Vi è circa 7V e Vo 5V)). 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.
  
 {{::vl-il-buck.png|tensione e corrente nell'induttore in un convertitore step-down}} {{::vl-il-buck.png|tensione e corrente nell'induttore in un convertitore step-down}}
Linea 92: Linea 97:
 `Delta i_(OFF) = -{:(V_o)/L:}t_(OFF)` `Delta i_(OFF) = -{:(V_o)/L:}t_(OFF)`
  
-Eguagliando le due variazioni, che a regime devono essere uguali, si ottiene:+Eguagliando le due variazioni, che a regime devono essere uguali((altrimenti la corrente sull'induttore continuerebbe a salire o diminuire)), si ottiene:
  
 `V_o = V_i t_(ON)/T= V_i d` `V_o = V_i t_(ON)/T= V_i d`
Linea 100: Linea 105:
 ===== Convertitore step-up o boost ===== ===== Convertitore step-up o boost =====
  
-Il convertitore DC-DC boost è produce in uscita una tensione più grande di quella in ingresso ((la corrente in uscita, per ovvi motivi, sarà più bassa di quella in ingresso)). Per comprenderne il funzionamento esaminiamo lo schema seguente:+Il convertitore DC-DC boost produce in uscita una tensione più grande di quella in ingresso ((la corrente in uscita, per ovvi motivi, sarà più bassa di quella in ingresso)). Per comprenderne il funzionamento esaminiamo lo schema seguente:
  
 {{::boost.png|convertitore boost}} {{::boost.png|convertitore boost}}
Linea 167: Linea 172:
 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. 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 opportunamente i condensatori elettrolitici perché:+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 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   * hanno una induttanza serie equivalente (ESL) che ne limita l'utilizzo ad alte frequenze
Linea 182: Linea 187:
   * ridurre la caduta di tensione sul percorso di massa   * ridurre la caduta di tensione sul percorso di massa
   * ridurre la lunghezza delle piste per evitare effetti antenna   * ridurre la lunghezza delle piste per evitare effetti antenna
-  * posizionare correttamente i condensatori per limitare i disturbi generati dai componenti che commutano ad alta frequenza cioè vicino all'elemento usato come interruttore e vicino ai componenti sensibili ai disturbi+  * 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: Per quel che riguarda le masse ci sono due soluzioni alternative:
Linea 249: Linea 254:
   * dal testo di elettronica: sezione 18D   * dal testo di elettronica: sezione 18D
   * dal testo di elettronica: {{ :riservata:si_18d1.fm.pdf |scheda integrativa 18D.1}} (flyback e altre tipologie di convertitori)   * dal testo di elettronica: {{ :riservata:si_18d1.fm.pdf |scheda integrativa 18D.1}} (flyback e altre tipologie di convertitori)
-  * dai documenti tecnici della Texas Instruments una [[http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf|guida]] sugli alimentatori switching ([[http://www.ti.com/lit/an/snva559/snva559.pdf|qui]] una versione precedente) +  * dai documenti tecnici della Texas Instruments una [[http://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida]] sugli alimentatori switching 
-  * dal sito TDK una [[http://www.global.tdk.com/news_center/publications/power_electronics_world/pdf/aaa60600.pdf|introduzione agli alimentatori a fumetti]]+  * dal sito TDK una [[http://origin-www.tdk.com/news_center/publications/power_electronics_world/pdf/aaa60600.pdf|introduzione agli alimentatori a fumetti]]
   * teardown e funzionamento di un [[http://www.righto.com/2014/05/a-look-inside-ipad-chargers-pricey.html|alimentatore per iPad]] e di un [[http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html|alimentatore per iPhone]] (utili anche le note)   * teardown e funzionamento di un [[http://www.righto.com/2014/05/a-look-inside-ipad-chargers-pricey.html|alimentatore per iPad]] e di un [[http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html|alimentatore per iPhone]] (utili anche le note)
-  * un [[http://www.digikey.com/Web%20Export/Supplier%20Content/Semtech_600/PDF/Semtech_synchronous-vs-asynchronous-buck-regulators.pdf|documento]] che spiega la differenza tra regolatore sincrono e sincrono+  * un [[https://www.ti.com/lit/an/slyt358/slyt358.pdf|documento]] che spiega la differenza tra regolatore sincrono e asincrono
   * la [[http://www.ti.com/ww/en/simple_switcher/regulators.html|linea di regolatori Simple Switcher]] della Texas Instruments   * la [[http://www.ti.com/ww/en/simple_switcher/regulators.html|linea di regolatori Simple Switcher]] della Texas Instruments
   * la web application [[http://www.ti.com/product/LM2675#wbpanel|WEBENCH]] per dimensionare e progettare il regolatre (schematico, BOM ecc.)   * la web application [[http://www.ti.com/product/LM2675#wbpanel|WEBENCH]] per dimensionare e progettare il regolatre (schematico, BOM ecc.)
Linea 258: Linea 263:
   * linee guida per il layout [[http://www.ti.com/lit/an/snva054c/snva054c.pdf|specifiche per la linea Simple Switcher]] e [[http://www.ti.com/lit/an/snva021c/snva021c.pdf|generiche per alimentatori switching]]   * linee guida per il layout [[http://www.ti.com/lit/an/snva054c/snva054c.pdf|specifiche per la linea Simple Switcher]] e [[http://www.ti.com/lit/an/snva021c/snva021c.pdf|generiche per alimentatori switching]]
   * [[http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/03/08/simple-switcher-regulators-deliver-a-powerful-punch-for-years|articolo]] sull'LM2576   * [[http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/03/08/simple-switcher-regulators-deliver-a-powerful-punch-for-years|articolo]] sull'LM2576
 +  * [[https://web.archive.org/web/20180805101709/http://www.onmyphd.com/?p=voltage.regulators.buck.step.down.converter|pagina]] con trattazione analitica dettagliata di un convertitore DC-DC buck
 +  * {{ ::buck-converter.zip |simulazione di un convertitore buck}}
  
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