Alimentatori Switching


 
 
Questo articolo è alla sua seconda edizione!

Descrizione in breve

Quest'opera, la cui stesura è stata rinnovata completamente per venire incontro alle richieste giunte dai clienti, raccoglie le risorse tecniche per lo sviluppo dei converter switching (SMPS) sia in configurazione DC/DC che AC/DC con una guida tramite esempi al progetto con LTspice, l'applicativo con librerie di oltre 1200 dispositivi dedicati alle funzioni di alimentazione, per creare circuiti Step-Up, Step-Down, Buck-boost, SEPIC, Flyback, Feedforward, Charge Pump. Nella confezione è incluso inoltre il fascicolo Databook Induttori. La documentazione consente di addentrarsi nel progetto dei circuiti pure con un limitato background.

Altri dettagli

Rivolta agli sperimentatori come ai tecnici l'opera offre una guida alle tecnologie switching per tutte le configurazioni, ovvero Step-Up, Step-Down, Buck-boost, SEPIC, Flyback, Feedforward, Charge Pump. Per ciascuna vengono descritti i principi di funzionamento, le tipiche forme d'onda di tensioni e correnti che si ritrovano nel circuito, le prestazioni e gli elementi caratteristici. Spazio è dedicato all'analisi dei parametri statici e dinamici degli induttori, componenti il cui ruolo è centrale per il funzionamento di un converter e che pertanto vanno scelti con attenzione. Nella confezione è incluso anche il fascicolo Databook Induttori che raccoglie un'ampia selezione di componenti magnetici discreti di vari produttori. In questo fascicolo viene indicato anche il prezzo di ogni induttore quale riferimento, prezioso in termini comparativi, ai fini della definizione di un progetto che si possa concludere con la realizzazione reale del circuito.

Per lo sviluppo dei converter switching (SMPS) in configurazione DC/DC od anche AC/DC l'opera propone una manualistica per LTspice, l'applicativo gratuito che incorpora al suo interno la descrizione di oltre 1200 dispositivi dedicati alle funzioni di alimentazione per qualsiasi range di potenza. LTspice (ne viene inclusa copia) è realizzato per essere usato sia dal progettista con esperienza che ha bisogno di un programma che gli consenta di alterare rapidamente i parametri per trovare l’ottimizzazione quanto dal neofita che invece necessita di un approccio che garantisca dei progetti affidabili con degli input, cioè informazioni iniziali, numericamente ridotti. La documentazione raccolta permette ad entrambe le tipologie di utenti un utilizzo con profitto del software.

Dal lato pratico gli esempi e gli approfondimenti consentono di indirizzare il progetto di un alimentatore a commutazione in modo semplice, dalla scelta della tipologia allo schema elettrico ed infine alla rappresentazione grafica di tensioni e correnti fino ad ottenere in automatico un rapporto sull’efficienza di conversione. La visualizzazione multitraccia di LTspice che richiama le funzioni oscilloscopio ed analizzatore di spettro permettono poi l'osservazione particolareggiata delle forme d'onda in ogni punto del circuito. Naturalmente la documentazione in "Alimentatori Switching" illustra le impostazioni e gli accorgimenti per ottenere i migliori risultati da tali analisi.

Databook Induttori, comprendere le caratteristiche dei componenti

Tutti gli alimentatori a commutazione richiedono uno o più componenti dedicati ad immagazzinare l'energia, degli induttori nella gran parte delle tipologie switching. Il loro ruolo è centrale per il funzionamento del circuito e pertanto la scelta del componente più adatto va ponderata basandosi su una serie di criteri diversi. Dato che gli induttori per alimentatori vengono offerti in una gamma assai ampia da molti produttori scegliere il modello che maggiormente si conforma alle reali necessità può non essere semplice. Per questo abbiamo predisposto un fascicolo che riporta le caratteristiche di una nutrita serie di componenti magnetici discreti indicando la serie di valori disponibile, la tolleranza di fabbricazione, la massima corrente (Ia), la corrente di saturazione (Isat), la resistenza continua (Rdc), la frequenza di risonanza (Fres) ed infine il prezzo. Fattore quest'ultimo che pure subendo le variazioni del mercato è un indice che si rileva utile a livello pratico nel selezionare marca e modello in base alle finalità del proprio progetto.

Fascicolo con i dati caratteristici di induttori di varie marche

Figura 1: Fascicolo con i dati caratteristici degli induttori

Comprendere le caratteristiche degli induttori è importante, soprattutto in ogni contesto che vede trattare medie e grande potenze. Per rispondere ai quesiti che alcuni visitatori del sito ci hanno indirizzato definiamo di seguito il significato dei singoli parametri elettrici e come questi vanno ad incidere concretamente nel funzionamento dei circuiti.

IA, la massima corrente continua :

Un fattore basilare ma non per questo banale. Dal punto di vista formale indica il limite superiore di corrente continua (DC) che causa un aumento della temperatura sull'induttore di 40°C. Nel caso l'applicazione veda una corrente con parte alternata (AC) non trascurabile vi è in prima approssimazione una corrispondenza con il valore RMS. Come si vede il limite è di tipo termico e riguarda il riscaldamento del componente durante il ciclo di funzionamento. Il linea generale un tipico induttore è utilizzabile sino a temperature sull'ordine di 130°C, dato che il parametro viene misurato partendo da una temperatura ambiente sui 25°C è chiaro che in condizioni normali vi è un margine di sicurezza, ma se l'alimentatore opererà in un ambiente con scarsa ventilazione oppure si preferisce avere un circuito più freddo in ogni sua parte diviene d'obbligo selezionare un induttore con rating superiore.

Esempio di induttori E-Core

Figura 2: Esempio di induttori E-Core per alte correnti

ISAT, la corrente di saturazione :

Si tratta del valore di corrente continua (DC) che causa una diminuzione dell'induttanza per saturazione del nucleo ferro-magnetico nell'ordine, tipicamente, del 10%. Alcuni produttori considerano una percentuale diversa sebbene non troppo difforme dalla cifra indicata. Ricordiamo che il comportamento di ogni componente dipende dalle caratteristiche di saturazione del materiale che concentra il flusso magnetico. In termini pratici tutti gli induttori utilizzati nei converter DC/DC vedono l'impiego di tali nuclei, una volta selezionato dal progetto il valore coretto di una induttanza la scelta finale del prodotto deve prendere in esame come avviene il fenomeno della saturazione e cosa ciò può comportare sul funzionamento del circuito. A complicare lo scenario vi sono altri fattori che entrano in gioco con esigenze peculiari. Ad esempio volendo generalizzare i convertitori switching a più alta efficienza non possono permettersi di fare uso di nuclei in polvere di ferro, economici ma con perdite sostenute a carico del materiale, dando la preferenza alle più costose ferriti che assicurano migliori performance energetiche. Va aggiunto che le perdite nelle ferriti sono grossomodo inversamente proporzionali al valore di induttanza, ma valori elevati comportano anche un gran numero di spire in rame incrementando il peso delle perdite associate al conduttore. Vi sono dunque esigenze opposte e questo si traduce in un range ideale di valori in funzione del tipo specifico di ferrite, le sue misure, il tipo di avvolgimento. Se le ferriti mostrano una ben definita superiorità, specie a frequenze medio-alte, vi è nel contempo da osservare che la loro saturazione avviene bruscamente (hard) comportando una netta diminuzione nel valore effettivo dell'induttanza quando la corrente che vi circola supera una determinata soglia. I nuclei in polvere di ferro invece, poc'anzi posti in evidenza perché di minori prestazioni sotto il profilo energetico, consentono una maggiore libertà al progettista poiché possono venire costruiti con uno spazio di intersezione vuoto (gap) che permette di gestire elevati flussi magnetici con una saturazione graduale (soft) che determina una lenta diminuzione nel valore effettivo nell'induttanza quando la corrente che vi circola supera una determinata soglia. Come si vede ogni materiale presenta pro e contro. A prescindere dalle considerazioni su costi ed ingombri, legate non solo al progetto ma anche all'applicazione, è utile visualizzare concretamente le differenze tra materiali tramite un grafico.

Relazione tra induttanza e corrente per diversi materiali

Figura 3: Relazione tra induttanza e corrente per diversi materiali

Come si nota i nuclei in ferrite per usi generici hanno un rateo nella diminuzione dell'induttanza piuttosto accentuato. Le ferriti specifiche per circuiti DC/DC come ad esempio la molypermalloy d'altro canto offrono un compromesso tra resa energetica ed una contemporanea entrata soft nella regione di saturazione. I nuclei in polvere di ferro presentano comunque sempre prestazioni migliori per quanto concerne il fattore qui discusso. E' interessante porre in evidenza che in termini generali i componenti in ferrite realizzati specificatamente per i converter presentano un punto di saturazione a circa 1,4 volte il valore di corrente massima nominale. Solitamente si assume la corrente di saturazione Isat il livello che porta ad una riduzione nell'induttanza del 10%. Questa relazione è naturalmente di massima ma diviene utile quando si impiegano componenti che non presentano nei data-sheets i parametri in forma dettagliata, in tal modo un induttore di potenza per 2 Ampere max da 10 uH lo si può stimare per una corrente di 2,8 Ampere con un valore effettivo di 9 uH.

Il fenomeno della saturazione incide in modo diverso a seconda del valore istantaneo della corrente e della ripidità della sua variazione. Prendiamo ad esempio una forma d'ondà triangolare sovrapposta ad una componente continua come nella curva di colore nero nel grafico di figura 4. Se l'induttore fosse ideale la corrente andrebbe da un minimo di 4 a ad un massimo di 7 Ampere, od altri valori arbitrali naturalmente. Poiché l'induttanza diminuisce nel dispositivo reale all'orquando la corrente cresce la reattanza effettiva cala in proporzione, di riflesso la forma d'onda si distorce con l'apparire di un picco con ripida pendenza. La curva di colore blu nella medesima figura evidenzia il comportamento descritto.

Extracorrente nell'induttore a causa della saturazione nel nucleo

Figura 4: Extracorrente nell'induttore a causa della saturazione nel nucleo

In un progetto switching le sovracorrenti nell'induttore sono un inconveniente serio. Picchi di corrente portano ad una modifica delle dinamiche operative, ciò altera la stabilità del converter ed in alcuni casi porta le grandezze elettriche oltre i limiti di sicurezza. In tal caso sono possibili danni ai componenti od al circuito.

RDC, la resistenza dell'avvolgimento :

Si tratta della massima resistenza in continua dell'induttore misurata, tipicamente, alla temperatura ambiente di +20°C. Questa resistenza causa una dissipazione di potenza indesiderata sul componente, una condizione che va minimizzata per quanto possibile. Per questa ragione si preferisce, compatibilmente con le richieste del progetto, scegliere un induttore con la più bassa resistenza possibile. Ma bassa resistenza implica una maggiore sezione del filo in rame degli avvolgimenti, dunque un peso ed ingombro maggiore così come il costo. La resistenza varia con la temperatura essendo legata alle caratteristiche del conduttore ovvero del rame che ne è il materiale primario. Il coefficiente termico vale circa lo 0.4% per ogni grado, un aspetto da considerare se il circuito verrà sottoposto a significative escursioni termiche. Poniamo in tabella un semplice esempio con Rdc nominale di 0.05 Ω.

Rdc @ 20°CRdc @ 40°CRdc @ 60°CRdc @ 80°C
0.05 Ω0.054 Ω0.058 Ω0.062 Ω

Le variazioni in termini assoluti non sembrano significative ma a ben guardare il cambiamento in percentuale non è trascurabile, se il progetto che state sviluppando è ottimizzato per un'alta efficienza domestica si richiederà una attenta valutazione di questo parametro.

FRES, la frequenza di auto-risonanza :

Ogni componente magnetico presenta un comportamento all'innalzarsi della frequenza che si discosta da quello di una pura reattanza induttiva. Nella continua infatti è predominante, per definizione, la resistenza Rdc. Dal lato opposto la presenza di una parte capacitiva parassita distribuita lungo l'avvolgimento porta a fenomeni di risonanza parallelo con l'innalzarsi dell'impedenza come vista ai terminali dell'induttore. Nei circuiti switching la reale natura del componente andrebbe sempre considerata, ciò trova maggiore rilevanza negli alimentatori che funzionano ad elevate frequenze di commutazione o nei quali la massimizzazione del rendimento è un obiettivo primario nel progetto. Nei sistemi che gestiscono grandi potenze e/o correnti selezionare il componente ideale è talvolta un passo delicato. Oltre alla capacità intrinseca all'induttore va inoltre rammentato che il layout di montaggio, le connessioni, le tracce sullo stampato, aggiungono ulteriore capacità parassita che abbassa la risonanza. Prendiamo ad esempio un componente da 100 uH realizzato specificamente per reti switching ad alta frequenza presentando una risonanza garantita > 5 MHz, dalle equazioni (in Alimentatori Switching, ndr) ricaviamo che la capacità parallelo è pertanto di circa 10 pF. Qualora male posizionato in una scheda, per seguire altre priorità come la riduzione dell'ingombro complessivo, vengono ad aggiungersi poniamo altri 25 pF che portano la risonanza nell'ordine di 2,6 MHz. Una perdita di prestazioni da non sottovalutare e che pone degli inconvenienti in applicazioni dove la frequenza di commutazione supera il MHz.

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Progettare le protezioni per gli alimentatori

L'opera Alimentatori Switching illustra nel dettaglio come utilizzare LTspice per sviluppare i circuiti. Converter a commutazione (Switching Mode Power Supply) in primis naturalmente, ma le potenzialità del software vanno ben oltre. In una recente occasione ci è stato chiesto quale funzione ausiliaria può rendere maggiormente affidabile un alimentatore. Diamo seguito a questa domanda proponendo un esempio concreto. Poiché diversi sistemi ed apparati presentano picchi di assorbimento molto brevi nasce l'esigenza di predisporre un controllo che intervenga nel proteggere il circuito da sovracorrenti istantanee, dato lo scopo divulgativo di questa nota è utile inoltre che tale protezione risulti di applicazione flessibile in modo da adattarsi ad ogni regolatore di tensione. Impiegare uno dei molti circuiti integrati per alimentazione garantiti da eccessi termici, inversione della polarità, eccetera, non è automaticamente la soluzione ideale a questo problema. Se ci si sofferma solo ai termini tecnici le caratteristiche di questi dispositivi (molti dei quali presenti nelle librerie del software) sono senz'altro notevoli. In generale infatti la funzione di limitazione della corrente massima è uno standard, perché dunque sviluppare un circuito specifico per la medesima necessità?

Il fattore discriminante è la velocità, fatta salva la risposta del converter e/o regolatore alle piccole e medie variazioni di carico quando si tratta di grandi escursioni di corrente taluni dispositivi agiscono con relativa lentezza sia per ragioni strutturali che per considerazioni di impiego. Ciò significa che la funzione di limitazione di un alimentatore standard si dimostra attiva su tempi scala relativamente lunghi ma fallisce durante i picchi ed i primi istanti di superamento della soglia di intervento. Non è sempre così naturalmente, si deve però tenere conto che i produttori dei dispositivi di potenza vengono incontro alle tipiche esigenze applicative dove solitamente un picco di carico molto breve viene considerato accettabile, allo stesso tempo nei sistemi di alimentazione si pone all'uscita condensatori di grande valore che agiscono riducendo il gradiente di variazione della corrente. La situazione cambia radicalmente quando ad un alimentatore viene richiesta contemporaneamente un rapida regolazione della tensione in uscita per carichi non eccessivi ed allo stesso modo un immediato intervento di limitazione quando la corrente supera un prefissato valore. Ritroviamo queste necessità ogni qual volta si debba alimentare un circuito cui garantire l'integrità indipendentemente dalle condizioni di lavoro, magari perché sono presenti componenti sensibili, oppure si abbia il bisogno di fornire una robusta alimentazione a sistemi composti da più circuiti che possono commutare o variare il carico in modo non prevedibile. In quest'ultima categoria rientrano sia i circuiti di pilotaggio industriale che alcune schede a microprocessore, accomunate da un comportamento dinamico per certi versi simile.

Vi proponiamo di valutare su LTspice un circuito particolarmente semplice che presenta il non piccolo vantaggio di adattarsi a qualsiasi stadio di alimentazione che operi nell'intervallo di tensione di ingresso sui 10-25 Volt e per potenze fino a 100 Watt. Ovvero correnti anche maggiori di 5 A. Lo Schema elettrico del circuito è visibile in figura 1.

Schema elettrico del circuito di protezione per alimentatore

Figura 1: Schema elettrico del circuito di protezione

Come si osserva la protezione va inserita a monte del convertitore DC/DC o del regolatore di tensione, qui genericamente proposto nell'area grigia. La protezione è realizzata come si vede attorno ad un comune transistor ed un MOSFET di potenza. L'operazione è dunque ridotta al minimo. Il cuore del circuito si basa sul MOSFET Q2, un dispositivo serie IFRxxxx da 10 Ampere. Nella normale operatività le resistenze R1 ed R2 agendo quale partitore polarizzano il gate del dispositivo a circa la metà della tensione Vin. In tali condizioni Q2 è in piena conduzione presentando una resistenza tra il terminale source e drain molto bassa tipicamente sull'ordine delle decine di milliohm. Nella pratica quasi un corto-circuito. Questa situazione di riposo è dipendente dalla corrente che attraversa R3, quando il carico richiede una maggiore corrente tale che sulla resistenza viene a determinarsi una differenza di potenziale superiore a circa 0.7 Volt per mezzo di R4 la base del transistor Q1 (un 2N3906 od uno qualsiasi dei suoi equivalenti) viene polarizzata direttamente, questo porta in conduzione il transistor che è posto in parallelo alla R1. Per conseguenza la tensione tra gate e source di Q2 viene a ridursi portando il MOSFET fuori dallo stato di conduzione. La sua resistenza interna aumenta limitando la corrente che può essere erogata al successivo stadio di regolazione.

Il meccanismo opera vincolando la massima corrente che attraversa Q2 alla tensione che viene a crearsi ai capi di R3. Scegliendo opportunamente il valore di questa resistenza si determina pertanto il punto di intervento della protezione ovvero il valore della corrente di soglia oltre la quale il circuito entra in azione. Per semplicità i valori iniziali di R3, ovvero i punti di partenza per effettuare le simulazioni tramite software, sono riassunti nella tabella che segue per diverse correnti di intervento.

Corrente di limitazioneR3Note
100 mA6 Ω1/4 Watt
300 mA2 Ω1/2 Watt
1000 mA0.6 Ω1 Watt
5000 mA0.12 Ω4 Watt

E' interessante osservare che il circuito proposto, capace di operare con correnti di più Ampere, è allo stesso tempo adatto a controllare valori anche bassi a partire da pochi mA. Oltre che protezione, nel senso più comune del termine, questo schema può risultare utile nell'aggiungere ad un alimentatore un sistema di regolazione indipendente per tensione e corrente. Lo schema come avete osservato richiede pochi componenti, l'ideale per integrare i progetti che eseguite con LTspice acquisendo nel contempo esperienza con questo ambiente di sviluppo.

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Ulteriori informazioni

Estratti demo per osservare alcune parti dell'opera

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