giovedì, Maggio 19, 2022
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Una guida agli elementi fondamentali della progettazione di convertitori DC-DC

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Di Ann-Marie Bayliss, Senior Product Marketing Manager, Murata e John Quinlan, Strategic Technical Marketing Manager, Murata

La maggior parte delle apparecchiature elettroniche prevede il ricorso alla conversione DC-DC. La tecnica che contempla l’uso della commutazione (switched mode) rappresenta una soluzione efficiente che consente di aumentare (step up) e diminuire (step down) la tensione e garantire l’isolamento con componenti magnetici di ridotte dimensioni. In questo articolo verrà esaminata in modo dettagliato questa tecnologia e forniti alcuni esempi di prodotti commercialmente disponibili.

La conversione DC-DC ha sempre rappresentato un problema per i progettisti di prodotti e sistemi, che si è manifestato in modo significativo verso la fine del 19° secolo, quando Edison uscì sconfitto dalla “guerra delle correnti” contro Westinghouse. La distribuzione in corrente alternata di potenze sempre maggiori richiedeva tensioni di valore ancora più elevato per mantenere i valori di corrente entro limiti accettabili e consentire l’utilizzo di cavi si dimensioni ragionevoli. Un risultato di questo tipo era però facilmente conseguibile grazie ai trasformatori.  A quei tempi la corrente continua (DC) poteva essere aumentata solamente mediante ingombranti impianti di generazione a dinamo e il resto è storia: Westinghouse vinse la sfida e quello in alternata è divenuto lo standard universalmente adottato per la distribuzione dell’energia elettrica nel 20° secolo.

Il secolo scorso ha anche visto l’avvento dell’era dell’elettronica, i cui componenti operano in corrente continua: da qui la necessità di convertire la tensione AC alternata della rete di distribuzione in tensione continua. A questo punto è utile chiedersi che tipo di tensione DC è necessaria. I circuiti possono richiedere tensioni inferiori a 1 V (nel caso di un processore) oppure di parecchi kV (nel caso del magnetron di un forno a microonde). In alcuni casi è anche necessario fornire contemporaneamente valori così diversi. Se è necessario garantire l’accuratezza dei valori dei rail (ovvero dei terminali che forniscono l’alimentazione) al variare della tensione AC di linea e del carico, è richiesta la presenza di circuito di regolazione attiva. Le prime apparecchiature utilizzavano trasformatori a 50/60 Hz per ridurre la tensione AC in tensioni più basse che potevano quindi essere rettificate, livellate in continua e regolate fino a ottenere una tensione inferiore per mezzo di un transistor in serie “lineare”. Tuttavia, quando si prendono in considerazione il carico, la linea e le tolleranza, la potenza prelevata dalla linea in alternata è pari all’incirca al doppio della potenza del carico (nel caso peggiore). Anche il trasformatore, di grandi dimensioni, pesante e costoso, non rappresenta la soluzione ideale. Nel caso sia richiesto aumentare il valore della tensione di un rail in DC di un sistema, non esiste una maniera lineare per conseguire tale scopo.

Conversione “switched-mode”: la risoluzione del problema

Una soluzione pratica per effettuare una conversione in DC verso l’alto e verso il basso è rappresentata dall’uso della commutazione. Quando non è necessario l’isolamento vengono impiegati convertitori “buck” e “boost” (o varianti derivate da queste due topologie). Il convertitore buck (Figura 1 a sinistra) in pratica “affetta” (da qui il nome chopper) la tensione DC in ingresso ad alta frequenza in modo che la tensione media abbia un valore inferiore e quindi procede al livellamento della forma d’onda risultante con un filtro LC.  Il transistor del circuito chopper è completamente acceso (on) o spento (off) e, in entrambi i casi, dissipa una potenza ridotta, mentre la tensione di uscita è impostata dal duty cycle di commutazione del transistor. Il convertitore boost (Figura 1 a destra) opera in maniera leggermente differente: il chopper alternativamente immagazzina energia nel campo magnetico dell’induttore e successivamente la rilascia. L’energia può essere rilasciata a qualsiasi valore di tensione scelto, superiore rispetto a quello di ingresso. Altri tipi di configurazioni circuitali, come le topologie buck-boost e Ćuk possono generare l’inversione della tensione, mentre le topologie SEPIC, ZETA e altre ancora possono produrre tensioni di uscita positive con valori inferiori o superiore rispetto a quelli di ingresso.

Figura 1: Schemi circuitali dei convertitori DC-DC buck e boost.

Un esempio di convertitore della serie 78SR di Murata [1], distribuito da Darton, e riportato in figura 2. L’intervallo di tensione di ingresso del modulo è compreso tra 7,5V e 36V per un’uscita di 3,3 V a 0,5 A. A pieno carico con un ingresso di 12 V, il modulo garantisce un’efficienza dell’83%, mentre la dissipazione è pari a circa 0,7 W. Esso è compatibile a livello di piedinatura con i regolatori lineari della serie “78xx” che, essendo caratterizzati da una dissipazione nettamente superiore (4,35 W a parità di condizioni), richiedono la presenza di dissipatori di calore.

Figura 2: Convertitore buck della serie 78SR di Murata con corrente nominale di 0,5 A

Mentre questo componente a fori passanti (through-hole) può essere usata per sostituire un regolare lineare esistente in modo da garantire un’efficienza sensibilmente maggiore, è possibile ottenere prestazioni ancora migliori utilizzando moduli DC-DC di tipo PoL (Point of Load) a montaggio superficiale ospitati in package LGA (Land Grid Array). I convertitori della serie MYMGA di Murata [2], ad esempio, raggiungono livelli di efficienza del 94% con una corrente a pieno carico di 4 A (versione a 5 V) e sono forniti in un package di dimensioni pari a 9×10,5 mm e altezza di soli 5,5 mm.

Per potenze di valore elevato, i convertitori buck “multifase” sono in grado di distribuire le sollecitazioni sui componenti tra più commutatori e induttori, pilotati in due o più fasi con condensatori di ingresso e uscita comuni. Per garantire una migliore efficienza, i convertitori buck utilizzano anche la rettificazione sincrona, dove il diodo rettificatore caratterizzato da una caduta di tensione fissa è sostituito da un MOSFET con valore di “on-resistance” ridotto.

La necessità dell’isolamento

I semplice convertitori buck e boost non forniscono l’isolamento galvanico, le loro masse (ground) di ingresso e uscita sono collegate. Spesso questo collegamento deve essere interrotto per avere un’uscita di tipo flottante (floating, ovvero non riferita a massa). Ciò può essere ascritto a diversi fattori: l’uscita è riferita a una tensione non sicura, impedire la circolazione di correnti massa o semplicemente poter configurare l’uscita come una tensione negativa mettendo a massa quella positiva. Le topologie isolate equivalenti dei convertitori buck e boost sono i convertitori forward e flyback (fig. 3). Come si può osservare dalla medesima figura, gli induttori sono stati sostituiti da trasformatori in modo che un avvolgimento isolato possa fornire l’uscita in DC. Si noti la specifica fasatura degli avvolgimenti dei trasformatori.

Figura 3: Schema dei convertitori flyback (a sinistra) e forward (a destra)

La completa regolazione dei convertitori DC-DC isolati è molto difficile da ottenere poiché è necessario rilevare la tensione di uscita è trasferire un segnale di errore attraverso la barriera di isolamento al primario per il controllo del duty cycle. In ogni caso, talvolta l’isolamento non è necessario: nel caso in cui l’ingresso in DC è costante, l’uscita è influenzata solamente dalle variazioni di carico, il che comporterebbe una ridotta variazione percentuale, una situazione il più delle volte accettabile. Una delle applicazioni più diffuse dei convertitori DC-DC isolati di ridotta potenza è fornire potenza a interfacce dati isolate, dove la regolazione non è un aspetto critico. Quando l’ingresso in DC varia, è possibile ricorrere a una regolazione parziale, effettuando un rilevamento della tensione sull’avvolgimento primario del trasformatore ipotizzando che il valore rilevato sia analogo a quello dell’uscita ma, per garantire una maggiore accuratezza, la tensione di uscita è rilevata direttamente e un segnale di errore viene trasferito al primario solitamente attraverso un optoaccoppiatore.

Quando per ragioni di sicurezza è richiesto l’isolamento, le configurazioni dell’isolamento e del distanziamento sono complesse. I valori di creepage e di clearance e la distanza attraverso l’isolamento solido necessari dipendono dal grado di protezione richiesto (ad esempio, basic, double o reinforced) e da altri parametri quali il livello di inquinamento ambientale, la categoria di sovratensione (over-voltage) dell’ingresso e persino l’altitudine. Gli standard che vengono adottati dipendono dall’applicazione: nel caso di un’applicazione medicale che preveda connessioni al paziente, le distanze di separazione devono essere maggiori rispetto a quelle previste per un’applicazione industriale. A volte può insorgere una certa confusione per quanto concerne il grado di isolamento nominale dichiarato: spesso per alcuni componenti viene dichiarato l’esecuzione di un test in produzione con una tensione di 3 kVDC, valore che sembrerebbe adeguato per garantire l’isolamento di una tensione di 230 VAC. Non bisogna a tal proposito dimenticare che si tratta di una tensione di prova che è stata applicata una sola volta, ragion per cui non esiste alcune garanzia che questi componenti siano in grado di resistere in modo continuativo a tensioni di valore elevato.

Gli utilizzatori dovrebbero esaminare la certificazione effettiva emanate dall’Ente che si occupa della sicurezza, il livello collaudato e la “tensione di sistema” cui fa riferimento. Un convertitore DC-DC che isola un circuito alimentato dalla rete (230 VAC) dalle connessioni che un utente potrebbe toccare in un ambiente domestico o di ufficio dovrebbe essere caratterizzato da un isolamento reinforced di 250 VAC e può essere utilizzato a un’altitudine massima di 5.000 m come previsto dalle specifiche di EN 62368-1, lo standard di sicurezza in vigore in Europa.

Nella figura 4 viene riportato un esempio di convertitore DC-DC non regolato derivato dalla topologia Buck (in realtà un push pull) della serie NXJ di Murata che semplicemente converte una tensione di 5 V in una tensione di valore analogo in conformità alle specifiche di isolamento previste dagli Enti che disciplinano le applicazioni medicali. Il prodotto in questione utilizza un metodo innovativo per integrare il nucleo del trasformatore all’interno dello stack della scheda PCB, con gli avvolgimenti formati da piste della scheda stessa e vias che attraverso diversi strati (layer).

Figura 4: I convertitori DC-DC a montaggio superficiale della serie NXJ di Murata sono caratterizzati da un isolamento conforme alle specifiche definite dagli Enti normatori

L’efficienza dei convertitori risonanti

Il convertitore forward è disponibile in parecchie versioni ciascuna delle quali con i propri vantaggi e svantaggi, spesso dettati dagli inevitabili compromessi, in termini di efficienza, costi e dimensioni, richiesti per la particolare applicazione considerata in funzione dei valori di conversione della potenza e della tensione impostati. Per conseguire un’efficienza ottimale spesso si ricorre ai convertitori risonanti che, grazie al “soft switch”, cambiano stato quando il valore della corrente o della tensione è pari a zero. Ciò evita l’insorgere di un picco momentaneo (spike) nella dissipazione di potenza, imputabile alla presenza contemporanea di valori elevati di tensione e di corrente. Anche se esistono numerose topologie risonanti, quella più diffusa per applicazioni di media-bassa potenza è la topologia LLC. Il circuito applica impulsi a un “tank” (serbatoio) LC a una frequenza solitamente di poco superiore a quello della sua frequenza di risonanza e gli impulsi vengono trasferiti sotto forma di onde sinusoidali a un avvolgimento del carico secondario sull’induttore del circuito tank grazie all’azione del trasformatore. La regolazione viene ottenuta variando la frequenza dell’impulso, che trasferisce più o meno energia attraverso il trasformatore come risultato dell’incremento dell’impedenza dell’induttore del circuito LC con la frequenza, al di sopra della risonanza.

In presenza di potenze elevate, la sollecitazione suoi transistori di commutazione del convertitore LLC aumenta in maniera praticamente insostenibile, ragion per cui si passa solitamente all’uso di una topologia FSFB (Phase Shift Full Bridge). Si tratta di un altro circuito risonante che prevede una configurazione con un ponte a quattro commutatori che opera a una frequenza fissa e la regolazione si ottiene variando la fase relativa delle forme d’onda di pilotaggio di ciascuno rame (leg) del ponte. Questa tecnologia è utilizzata nei convertitori IBA (Intermediate Bus Converter) come quelli della serie DRQ di Murata (Fig. 5). [5]

Figura 5: Convertitore della serie DRE di Murata

I convertitori DC-DC a capacità commutata non richiedono componenti magnetici

In un convertitore DC-DC non isolato non è necessario usare un induttore o un trasformatore: in questo caso è possibile ricorrere a configurazioni a capacità commutata (switched capacitor). I condensatori vengono caricati in serie o in parallelo e disposti in parallelo o in serie, rispettivamente per aumentare o diminuire i valori delle tensioni in multipli discreti.

In precedenza, le cadute di tensione sul diodo e le perdite nel commutatore hanno limitato l’efficienza ottenibile ma, con moderni MOSFET e la rettificazione sincrona, è possibile ora ottenere un’efficienza superiore al 96% a 72 W, come nel caso dell’innovativa tecnologia a capacità commutata Psemi di Murata (fig. 6). [3]. In genere non esiste una regolazione attiva e la conversione verso l’alto o verso il basso avviene secondo un rapporto fisso, 3 o 4 [3]. In ogni caso, questa tecnica che non prevede l’uso di induttori è compatibile con i moderni metodi di fabbricazione e adatta alla realizzazione di prodotti a basso profilo.

Figura 6: La tecnologia a capacità commutata Psemi di Murata

I cellulari richiedono la più elevate efficienza nella conversione di potenza

I convertitori DC-DC non isolati a bassa potenza trovano impiego in numerosi prodotti elettronici di uso comune come i telefoni cellulari, dove il prolungamento della durata della batteria è importante e richiede un’elevata efficienza in tutti gli stadi della conversione di potenza. I convertitori in grado di regolare un’uscita con un ingresso maggiore o minore rispetto alla tensione di uscita sono particolarmente importanti perché una batteria si scarica e la sua tensione di uscita diminuisce. Questi convertitori, spesso classificati come “buck-boost”, possono anche fornire un’uscita negativa, che non è sempre utile. Il convertitore SEPIC menzionato in precedenza (fig. 7) è una scelta abbastanza comune in grado di fornire una tensione positiva con ingressi di valore superiore o inferiore a quello di uscita. Nello schema circuitale proposto, Q1 opera come rettificatore sincrono, mentre L1 e L2 possono essere induttori separate o una bobina avvolta sullo stesso nucleo.

Figura 7: Il convertitore SEPIC opera con una tensione di ingresso superiore o inferiore a quella di uscita

Convertitori con range di ingresso estremamente esyeso

La disponibilità di un singolo convertitore DC-DC in grado di operare con un una vasta gamma di tensioni di batteria può senza dubbio semplificare lo sviluppo di applicazioni per le quali il produttore dell’apparecchiatura non conosce esattamente il tipo di batteria che sarà impiegata dall’utilizzatore: un classico esempio è il settore ferroviario, dove le tensioni delle batterie possono variare da 24 a 110 V a secondo del costruttore della locomotiva e della regione geografica. I convertitori della serie IRH250 / IRQ150 (Fig. 8) di Murata sono ideali per applicazioni di questo tipo grazie al loro range di tensione di ingresso compreso tra 16 e 160 VDC

Figura 8: I convertitori con range di ingresso in DC estremamente ampio IRH250 di Murata

I severi requisiti del settore automotive

I piccoli convertitori DC-DC usati in ambito automotive operano solitamente in ambienti gravosi e possono essere soggetti a sollecitazione elettriche di notevole entità. I requisiti del test di qualificazione dello standard AEC-Q valido in ambito automotive non sono generalmente applicabili ai convertitori di potenza, che vengono quindi solitamente classificati come moduli multichip qualificati AEC-Q104. Il produttore del dispositivo deve anche avere la certificazione di conformità con TS 16949 relativo ai sistemi per il controllo della qualità, che prevede requisiti aggiuntivi oltre a tutti quelli del noto standard ISO9001. I convertitori della serie NXJ di Murata segnalati in precedenza sono un esempio di componenti qualificati AEC-Q104.

Anche se la panoramica fornita sulla conversione DC-DC è stata necessariamente concisa, in questo articolo si sono voluti evidenziare alcuni importanti aspetti relativi ai tipi di progetto, alle prestazioni e alle applicazioni dei convertitori DC-DC.

Bibliografia:

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Per informazioni [5] clicca qui 

 

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