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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. 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)`
Linea 34: Linea 34:
   * la tensione si oppone alle variazioni di corrente (legge di Lenz)   * 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 a pagina 3 della [[http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf|guida TI ai regolatori switching]])).+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 a pagina 3 della [[https://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida TI ai regolatori switching]])).
 ===== Generalità ===== ===== Generalità =====
  
Linea 72: Linea 72:
 ===== 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}}
Linea 84: 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 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'induttore, che in questo caso assume due valori costanti)) e il suo valore medio corrisponde alla corrente sul carico, come mostrato in figura. 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.+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'induttore, che 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 105: 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 172: 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 187: 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 254: 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 asincrono+  * 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 263: 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
-  * [[http://www.onmyphd.com/?p=voltage.regulators.buck.step.down.converter|pagina]] con trattazione analitica dettagliata di un convertitore DC-DC buck+  * [[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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