I convertitori c.c./c.c. avanzati semplificano la progettazione dei sistemi di alimentazione industriali, medicali e per i trasporti

Con l'aumento dell'uso dei dispositivi elettronici nelle applicazioni industriali, nei trasporti e nel settore medicale, i progettisti dei sottosistemi di alimentazione di supporto devono garantire prestazioni elevate in ambienti fisicamente ed elettricamente esigenti, soddisfacendo al contempo i severi requisiti normativi e di sicurezza. Inoltre, devono rimanere entro i limiti imposti da budget sempre più ristretti e dai vincoli di progettazione.

Il convertitore c.c./c.c. si è evoluto notevolmente nel tempo per soddisfare molte di queste esigenze. Le sue dimensioni sono diminuite per una maggiore densità di potenza, per risparmiare spazio, e offre ampi intervalli di ingresso per semplificare le scorte e ridurre i componenti in distinta base. Altri miglioramenti per rendere più facile il compito di un progettista includono uscite a basso rumore, una più rigida regolazione del carico, forti caratteristiche di protezione e sicurezza e grande attenzione alla gestione termica. Tuttavia, come è prevedibile, non tutti i convertitori c.c./c.c. sono uguali, e ciò richiede una selezione accurata per garantire il successo di un progetto e un'applicazione.

Questo articolo presenterà i convertitori c.c./c.c. di Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor e XP Power che sono compatti, assicurano un basso rumore di ripple e si adattano a tensioni di uscita singole e doppie. Evidenzierà e spiegherà anche le caratteristiche e i miglioramenti e come possono aiutare i progettisti ad aumentare le capacità di regolazione della potenza, ridurre il rumore, garantire l'autoprotezione e fornire una migliore gestione termica.

Come funzionano i convertitori c.c./c.c.

Come suggerisce il nome, un convertitore c.c./c.c. prende una tensione in ingresso da una sorgente c.c. e la converte in un'uscita ad un'altra tensione c.c. L'uscita può essere inferiore (convertitore buck) o superiore (convertitore boost) rispetto alla tensione di ingresso. I convertitori c.c./c.c. sono isolati o non isolati. Un convertitore c.c./c.c. isolato utilizza un trasformatore per eliminare il percorso c.c. tra ingresso e uscita (Figura 1).

Figura 1: Questo convertitore c.c./c.c. è isolato, come indicato dal trasformatore tra lo stadio di ingresso e quello di uscita. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Al contrario, i convertitori c.c./c.c. non isolati, spesso utilizzati quando la variazione di tensione è minima, hanno un percorso c.c. tra ingresso e uscita.

Considerazioni principali alla luce di prestazioni e fattori progettuali

Le caratteristiche chiave delle prestazioni dei convertitori c.c./c.c. includono efficienza, corrente nominale, tensione di ripple, regolazione, risposta ai transitori, tensione nominale, dimensioni e peso. Per ulteriori informazioni, vedere "Introduzione ai convertitori c.c./c.c.". I progettisti devono anche preoccuparsi della capacità di un convertitore di supportare un ampio intervallo di tensioni di ingresso nominali. Ciò consente a un convertitore di supportare molte applicazioni - riducendo le scorte e la logistica - supponendo che sia anche in grado di fornire la tensione di uscita e la corrente nominale necessarie per i carichi previsti.

A seconda dell'applicazione e della natura della fonte di alimentazione, anche la protezione da condizioni di sovratensione, sottotensione, inversione di polarità, cortocircuito e sovratemperatura è cruciale. Allo stesso modo, una buona conformità agli standard di compatibilità elettromagnetica (EMC) e di interferenze elettromagnetiche (EMI) sono fondamentali. Ciò è particolarmente importante dato che gli alimentatori a commutazione utilizzati nei convertitori c.c./c.c. possono introdurre rumore direttamente nel carico ed emettere rumore RF che può influenzare la stabilità e la precisione dei circuiti circostanti.

Infine, i progettisti dovrebbero esaminare attentamente le caratteristiche termiche del convertitore nel contesto della progettazione dell'applicazione e delle condizioni operative, in modo da poter applicare, se necessario, un'adeguata ventilazione e altre tecniche di gestione termica.

Più piccolo è meglio è per i convertitori c.c./c.c.

Diverse applicazioni richiedono convertitori c.c./c.c. in fattori di forma compatti per risparmiare spazio e semplificare l'installazione. Per tali applicazioni, Bellnix ha progettato la serie di convertitori c.c./c.c. OHV serie da 1,5 W a media e alta tensione, specificamente per ridurre l'area di montaggio richiesta del 60% circa, rispetto ai moduli disponibili al momento dello sviluppo. Un dispositivo di esempio è OHV12-1.0K1500P, un System-in-Package (SiP) che misura 44 x 16 x 30 mm e che genera 1000 V a 1,5 mA (Figura 2). Bellnix ha anche progettato la serie per mantenere il rumore di ripple fino a 5 mV picco-picco (_P-P).

Figura 2: Il convertitore ultracompatto OHV12-1.0K500P di Bellnix misura 44 x 16 x 30 mm ed eroga 1000 V a 1,5 mA. (Immagine per gentile concessione di Bellnix)

La serie funziona con un ingresso da 11 a 13 V a 0,28 A. Da questo ingresso può generare tra zero e ±1000 V (da 0 a 1,5 mA), 1500 V (da 0 a 1,0 mA) e 2000 V (da 0 a 0,7 mA), a seconda del modello.

Il basso rumore di ripple dei dispositivi a 5 mV_P-P è importante per applicazioni come la strumentazione, dove qualsiasi instabilità nell'alimentazione ad alta tensione può indurre rumore e influenzare la precisione dell'apparecchiatura. Bellnix ha sviluppato una propria tecnologia circuitale per mantenere al minimo il rumore e, mentre i dispositivi sono autonomi - non richiedono componenti esterni - i progettisti possono aggiungere altri componenti per ridurre ulteriormente il rumore e anche l'impedenza di ingresso (Figura 3).

Figura 3: Per ridurre l'impedenza di ingresso dovuta alla lunghezza del cavo tra l'alimentazione e il convertitore, i progettisti possono aggiungere un condensatore C1 sul lato terminale. Per ridurre ulteriormente il rumore, è possibile aggiungere C2 su tutto il carico. (Immagine per gentile concessione di Bellnix)

Ad esempio, per ridurre l'impedenza di ingresso causata dalla distanza estesa tra il convertitore e l'alimentatore, si può aggiungere un condensatore C1 all'ingresso. Questo condensatore deve essere posizionato sul lato terminale del convertitore per ridurre l'induttanza dei conduttori. Per ridurre il rumore, un condensatore (C2) può essere posizionato con attenzione vicino al carico in modo da avere un minimo cablaggio ingresso-uscita, con particolare attenzione all'isolamento superficiale e alle distanze spaziali.

Tutti i dispositivi della linea sono dotati di protezione integrata contro i cortocircuiti e le sovracorrenti e aumentano ulteriormente l'affidabilità dell'alimentatore con un involucro metallico a cinque lati che utilizza una schermatura aggiuntiva per salvaguardare il dispositivo dal calore e dalla temperatura eccessivi. La tensione di uscita sulla serie OHV può essere controllata da 0 a 2000 V mediante una tensione esterna o un resistore di tensione esterno.

Per i progettisti di dispositivi alimentati a batteria, la serie nHV di HVM Technology offre una potenza regolata di precisione di 100 mW fino a 1 kV in un contenitore di 11,4 x 8,9 mm, con un'altezza di 9,4 mm. In particolare, la regolazione del carico è dello 0,2% (tipico) da vuoto a pieno carico.

La serie nHV accetta un ingresso a 5 V (4,5 V ±0,5 V). A seconda del modello, la tensione di uscita varia tra -1200 V (NHV0512N) e 1200 V (NHV0512) a 83 µA, tra -100 V (NHV0501N) e 100 V (NHV0501) a 1 mA.

La serie impiega un ingresso di programmazione ad alta impedenza (100 kΩ) per rendere facilitare l'installazione dei dispositivi ed eliminare la necessità di una tensione di alimentazione regolabile a bassa impedenza. La tensione di uscita è indipendente dalla tensione di ingresso ed è invece proporzionale alla tensione di programmazione per garantire una linearità robusta.

Ampio intervallo di ingresso

Come la serie nHV, anche i convertitori c.c./c.c. serie DTJ15 e DTJ20 da 15 W e 20 W di XP Power sono miniaturizzati per una facile installazione e un funzionamento efficiente in termini di potenza, ma con un qualcosa in più: possono essere installati su un telaio o su una guida DIN e collegati tramite morsetti a vite (Figura 4).

Figura 4: I convertitori c.c./c.c. serie DTJ15 e DTJ20 sono ottimizzati per le dimensioni compatte, possono essere installati facilmente utilizzando una guida DIN e sono caratterizzati da un ampio intervallo di tensione in ingresso. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Oltre alla facilità di installazione, ciò che è importante di questi convertitori di potenza è la loro capacità di coprire un ampio intervallo di tensione in ingresso c.c., che va da 9 V a 36 V e da 18 V a 75 V. Svariate fonti di ingresso, comprese le tensioni nominali multiple della batteria e gli alimentatori per veicoli, consentono a questi convertitori di servire una vasta gamma di applicazioni industriali, commerciali e di comunicazione.

Insieme, i controller c.c./c.c. serie DTJ15 e DTJ20 offrono un totale di 14 varianti con dispositivi a uscita singola che forniscono tensioni di 3,3 V, 5,0 V, 12,0 V e 15,0 V e dispositivi a doppia uscita che forniscono rispettivamente ±5,0 V, ±12,0 V e ±15,0 V (Figura 5).

Figura 5: I convertitori c.c./c.c. serie DTJ15 e DTJ20 si distinguono per il loro ampio intervallo della tensione di ingresso, così come per il loro intervallo di uscita, che si riflette in un totale di 14 varianti. L'immagine mostra l'uscita per DTJ15, il convertitore da 15 W. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Una funzione ON/OFF remota permette di controllare i convertitori c.c./c.c. tramite software, il che è utile per controllare il consumo energetico complessivo, permettendo alle installazioni remote di funzionare in modo efficiente.

Un'altra importante caratteristica dei convertitori c.c./c.c. serie DTJ15 e DTJ20 è l'avvio graduale che aumenta la tensione di uscita modulando il riferimento interno dell'amplificatore di errore. Questo fa sì che la tensione di uscita si avvicini ad una rampa lineare, che termina quando la tensione raggiunge la tensione di uscita nominale. Altre caratteristiche di protezione offerte dai controller serie DTJ15 e DTJ20 includono la protezione dai cortocircuiti e la protezione dall'inversione di polarità degli ingressi.

Portafoglio delle caratteristiche di protezione

I progetti di sistemi di alimentazione per applicazioni ferroviarie, industriali e dei trasporti richiedono tempi di assestamento rapidi per i carichi transitori a gradini. Altri eventi transitori come le oscillazioni della tensione di ingresso e di uscita rendono le caratteristiche di autoprotezione cruciali per il funzionamento sicuro ed affidabile dei convertitori c.c./c.c.

Nella limitazione della corrente, anche detta limitazione di potenza, non appena la corrente di uscita aumenta fino a circa il 130% del suo valore nominale, il convertitore c.c./c.c. entra in modalità di limitazione della corrente. Di conseguenza, la tensione di uscita inizierà a diminuire proporzionalmente per mantenere una dissipazione di potenza piuttosto costante.

Se le condizioni ambientali fanno aumentare la temperatura del convertitore c.c./c.c. al di sopra della temperatura di funzionamento prevista, un sensore di temperatura di precisione spegne l'unità. Una volta che la temperatura interna scende al di sotto della soglia del sensore di temperatura, il convertitore c.c./c.c. si avvierà automaticamente.

I convertitori c.c./c.c. isolati serie IRE-Q12 di Murata sono dotati di caratteristiche di autoprotezione per garantire l'assenza di effetti negativi da carichi capacitivi più elevati (Figura 6). Ad esempio, IRE-12/10-Q12PF-C incorpora tutte le caratteristiche di autoprotezione rilevanti, pur soddisfacendo i requisiti EN50155 per facilitare le tensioni di batteria nominali durante un'interruzione temporanea dell'energia elettrica e altre condizioni transitorie.

Figura 6: I convertitori serie IRE-Q12 sono sottoposti a test rigorosi per garantire che possano resistere alle difficili condizioni ambientali tipiche delle applicazioni ferroviarie e industriali. (Immagine per gentile concessione di Murata)

I convertitori serie IRE-Q12 forniscono una singola uscita isolata da 120 W da un intervallo della tensione di ingresso da 9 V a 36 V in un contenitore e un formato eighth-brick standard. Fornisce anche due opzioni per la piastra base, una per il minimo consumo di spazio della scheda, l'altra una flangia scanalata per il fissaggio meccanico su un dissipatore di calore.

L'uscita di questi convertitori c.c./c.c. può essere regolata di ±10% per garantire tempi di assestamento rapidi ai carichi transitori a gradino. Inoltre, tutti i convertitori sono testati e specificati per la corrente di ripple riflessa in ingresso, la corrente di ripple dei terminali di ingresso e il rumore di uscita.

Modalità standalone e alimentazione in array

DCM2322 di Vicor è una serie di convertitori c.c./c.c. isolati funzionante da ingressi c.c. non regolati da 9 V a 50 V per generare un'uscita isolata a 28 V (Figura 7). Si basa sulla topologia di commutazione a tensione zero (DC-ZVS) a doppio clamping che consente di ottenere un'elevata efficienza del 93% su tutto l'intervallo della tensione di ingresso.

Figura 7: La topologia DC-ZVS permette ai convertitori DCM2322 di raggiungere fino al 93% di efficienza. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Le unità del modulo convertitore c.c./c.c. (DCM), ad esempio DCM2322T50T3160T60, sfruttano i vantaggi termici e di densità della tecnologia di incapsulamento ChiP di Vicor che distribuisce il calore generato internamente in modo uniforme sulla superficie del contenitore. La tecnologia ChiP consente inoltre ai convertitori DCM di offrire opzioni flessibili di gestione termica con impedenze termiche molto basse sul lato superiore e inferiore.

L'efficiente distribuzione termica consente alle unità DCM di disporre di connettività da una varietà di fonti di alimentazione non regolate al punto di carico. Queste forniscono sia la protezione dai guasti di sovratensione in ingresso e in uscita che altri meccanismi di gestione dei guasti che spengono i convertitori quando in presenza di un guasto (Figura 8).

Figura 8: I convertitori DCM facilitano le capacità di gestione e monitoraggio dei guasti, così come le caratteristiche di sicurezza che includono la limitazione della corrente e il controllo di avvio graduale. (Immagine per gentile concessione di Vicor)

Queste caratteristiche consentono ai convertitori DCM di fornire una tensione di uscita regolata attorno a una linea di carico nominale e coefficienti di temperatura definiti. Se la temperatura interna del convertitore supera il suo limite, viene registrato un errore di temperatura e il gruppo propulsore cessa immediatamente di commutare. Il convertitore attende che la temperatura interna ritorni nella soglia indicata e poi si riavvia.

Inoltre, questi convertitori c.c./c.c. integrano il filtraggio EMI, una rigida regolazione della tensione di uscita e un'interfaccia di controllo secondaria di riferimento, pur mantenendo i fondamentali vantaggi progettuali della convenzionale architettura brick.

Nelle applicazioni che richiedono più potenza di quella che può fornire un singolo convertitore c.c./c.c., come i data center e i dispositivi di telecomunicazione, è possibile utilizzare più dispositivi in parallelo. Più convertitori DCM possono essere messi in parallelo in modalità array attraverso la condivisione del carico per una maggiore capacità di potenza, anche quando sono in funzione con alimentazioni a tensione di ingresso diverse. Vicor dispone di array qualificati di un massimo di otto convertitori c.c./c.c. per una capacità di 480 W.

Conclusione

Per i progettisti di alimentatori a supporto di sistemi elettronici per applicazioni industriali, medicali, dei trasporti e della strumentazione, le complessità e i costi associati sono molteplici, dalla necessità di ampi intervalli di tensione in ingresso alla gestione termica e alla condivisione del carico. Tuttavia, come mostrato, i convertitori c.c./c.c. si sono evoluti in alimentatori sempre più piccoli, facili da installare e autonomi, che eliminano molte di queste complessità.

I progettisti alla ricerca di prestazioni superiori possono sempre aggiungere altri componenti. Inoltre, laddove è richiesta una maggiore flessibilità, sono sempre più disponibili funzioni remote e programmabili per eseguire la compensazione dell'impedenza e facilitare una varietà di funzioni di protezione per evitare l'arresto per surriscaldamento, rispondere a condizioni transitorie e ridurre il consumo energetico complessivo del sistema.

Ulteriori letture

1. Introduzione ai convertitori c.c./c.c.