Errori comuni da evitare quando si utilizzano i moduli con regolatore c.c./c.c. con livelli di corrente moderati

I progettisti sono alla ricerca di componenti drop-in pronti per l'uso per fornire rail di uscita in c.c. a bassa tensione nell'intervallo di corrente moderato da 1 a 10 A, che soddisfino gli obiettivi prestazionali di base, nonché i requisiti di efficienza e normativi. Anche se sul mercato sono ora disponibili numerosi convertitori/regolatori c.c./c.c. di piccole dimensioni e adatti allo scopo non è prudente pensare che si tratti di semplici componenti "drop-in" di cui non darsi pensiero.

Perché? Nonostante la loro apparente semplicità, questi regolatori sono comunque fonti di alimentazione che erogano livelli moderati di corrente ai carichi. Trattandosi di moduli, i progettisti non devono far altro che aggiungere qualche componente passivo non critico esterno. La loro facilità d'uso, tuttavia, potrebbe indurre il progettista al compiacimento e a ignorare le nozioni fondamentali che riguardano tutte le fonti di alimentazione e i loro rail.

Nell'articolo che segue vengono identificate e trattate queste nozioni fondamentali. Vengono poi prese in considerazione una serie di soluzioni modulari di alimentazione, mostrando come applicare tali nozioni per trarre da ciascuna di esse i massimi benefici.

Individuazione delle criticità nella progettazione di dispositivi di alimentazione

Come prima cosa, qualche buona notizia. L'efficienza operativa di questi dispositivi è relativamente alta, generalmente tra l'80% e il 95%, a seconda del modello e del punto di lavoro. Anche se le correnti di uscita sono modeste, i progettisti devono comunque eseguire un'analisi termica e della dissipazione di base per accertarsi che i dispositivi non eccedano la loro capacità termica nominale e non aggravino eccessivamente il carico totale del raffreddamento del sistema.

Vi sono cinque punti critici principali:1) la caduta ohmica, 2) l'isolamento; 3) la regolazione dell'uscita; 4) il rumore di commutazione e 5) i percorsi di ritorno a bassa impedenza. Come prima cosa, da anteporre persino alla scelta di un regolatore c.c./c.c, un progettista dovrebbe verificare che la fonte c.c. non regolata sia in grado di erogare corrente sufficiente, tenendo presente che potrebbero esservi altri gruppi c.c./c.c. che vi si approvvigionano. Inoltre, occorre essere certi che le prestazioni dinamiche della sorgente siano in grado di gestire un fabbisogno di carico più alto per i transitori di corrente, specialmente se questi regolatori non hanno grandi condensatori bulk di uscita.

La caduta ohmica: un carico di troppo?

Nell'affrontare la disposizione nelle schede stampate, i progettisti si trovano spesso di fronte a requisiti di diversa natura e in conflitto tra loro che riguardano il posizionamento dei componenti, le porte I/O e le possibili fonti di calore. Da questo punto di vista, il regolatore di potenza può rappresentare una sfida. Teoricamente dovrebbe essere collocato vicino al carico per ridurre al minimo la caduta ohmica, il rumore e la necessità di piste più grandi e ingombranti sulla scheda per consentire il flusso di corrente.

La caduta ohmica è il fattore più facilmente trascurato anche se è il più facile da calcolare. Persino una caduta di qualche milliohm di resistenza tra l'uscita del regolatore c.c/c.c. e i suoi carichi può portare a una caduta di dieci o più millivolt della corrente erogata da tali unità. Se tale quantità sembra piccola, non lo è quando il valore nominale del rail c.c. è di soli pochi volt.

Perciò le piste della scheda stampata devono avere le giuste dimensioni oppure essere montate su una scheda a parte. Occorre poi prendere in considerazione le barre di distribuzione. Le barre di distribuzione possono sembrare una soluzione antiquata ma vi sono due ragioni che le rendono molto efficaci. In primo luogo riducono considerevolmente la caduta ohmica. In secondo luogo, per diminuire il costo della distinta base aggiuntiva, si può utilizzare una barra di distribuzione a 2 strati che offre un miglior percorso del ritorno di massa della corrente c.c.

Questa scelta è importante quanto il rail c.c. high-side stesso per ridurre al minimo la caduta ohmica, avere una terra di sistema migliore e con minor resistenza e per abbassare le correnti parassite e l'impedenza non c.c. nella struttura della terra che può influire sulle prestazioni di frequenza più elevata. Naturalmente, a prescindere dal rail c.c. fisico e dalla terra, è importante disporre di condensatori di bypass a bassa impedenza e di valore contenuto collocati il più vicino possibile ai pin di alimentazione della tensione del CI o ai conduttori anche per ridurre al minimo i problemi di rumore sul rail di alimentazione.

In alcuni casi i valori di caduta ohmica non sono comunque accettabili ed è perciò utile adottare un'architettura specializzata del regolatore che includa il telerilevamento. In questo caso, il regolatore dispone dei due terminali convenzionali per l'erogazione e il ritorno della corrente ma anche di due terminali di rilevamento che si applicano al carico per la misurazione della tensione effettiva di quel carico. Il regolatore utilizza il valore rilevato come retroazione per correggere la propria tensione di uscita al fine di rifasare la caduta di tensione (Figura 1).

Figura 1: Il telerilevamento consente alla fonte di alimentazione c.c. di misurare direttamente la tensione effettiva del rail in corrispondenza del carico e di rifasare dinamicamente quando necessario per cadute ohmiche o altre variazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ad esempio, il regolatore µModule^® LTM4601 di Linear Technology Corp/Analog Devices può erogare correnti importanti sino a 12 A tra 0,6 e 5,0°V da un ingresso c.c. da 4,5 a 20 V. Con queste correnti così elevate, la perdita ohmica potrebbe compromettere le prestazioni del sistema e l'uniformità del funzionamento. Grazie al telerilevamento, il modulo è in grado di correggere perdite di tensione da caduta ohmica della scheda stampata tra V_OUT e V_LOAD, così come il percorso del ritorno di massa. Di conseguenza, LTM4601 assicura una precisione della tensione pari a ±2,0% o migliore in corrispondenza del carico, a prescindere dalla linea, dal carico e dalle variazioni termiche.

Il telerilevamento, comunque, non è manna dal cielo. Crea un grande anello di retroazione tra la fonte e il carico. Se si pensa al regolatore di potenza come a un tipo di amplificatore operazionale di potenza, come di fatto è, allora l'anello di retroazione espone la fonte a rumore e a interferenze elettromagnetiche e da radiofrequenza che potrebbero influire sulle prestazioni a loop chiuso. È persino possibile che la presenza di questo anello sia causa di instabilità e oscillazioni del regolatore. Perciò il telerilevamento deve essere implementato dopo avere riflettuto accuratamente sulla disposizione.

Un altro approccio che consente di ridurre al minimo gli effetti della resistenza di isolamento consiste nell'utilizzo di più regolatori di minori dimensioni collocati accanto ai loro carichi al posto di un gruppo più grande in un'unica posizione centrale. Ciò ci porta a una scelta in fatto di costi concreti che mette su un piatto l'uso di due o più gruppi di minori dimensioni e meno costosi e sull'altro un gruppo più grande e dispendioso. Se la differenza di costo della distinta base è quantificabile, dal punto di vista tecnico l'impatto della scelta di un dispositivo più grande oppure di un certo numero di dispositivi di minori dimensioni è più difficile da stabilire e richiede attività di analisi nonché capacità di valutazione ed esperienza.

Ad esempio, il modulo di alimentazione LMZM33602 di Texas Instruments abbina un convertitore step-down con MOSFET di potenza, un induttore schermato e componenti passivi in un unico pacchetto relativamente piccolo e con profilo ribassato in grado di erogare da 1 a 18 V a un massimo di 2 A (Figura 1). Necessita solo di quattro o cinque componenti passivi esterni non critici ed elimina gli aspetti legati alla compensazione dell'anello e ai componenti magnetici del progetto del regolatore.

Figura 2: L'uso di più regolatori di corrente di dimensioni minori e per correnti inferiori come LMZM33602 di Texas Instruments può far aumentare la distinta base ma può anche semplificare la disposizione e migliorare le prestazioni rispetto alla caduta ohmica e al rumore. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Grazie alle sue dimensioni (9 × 7 × 4 mm in un contenitore QFN), LMZM33602 può essere collocato con facilità vicino al componente di carico o al sottocircuito. Questa misura riduce al minimo la caduta ohmica in due modi.

Prima di tutto, essendo vicino al carico, si riduce la resistenza del rail e il rumore. In secondo luogo, la corrente di uscita è di soli pochi ampere e anche questo riduce la caduta ohmica. Di conseguenza l'utilizzo di qualcuna di queste unità può offrire più flessibilità nella disposizione, una minor caduta ohmica, meno rumore, maggiore distribuzione della dissipazione termica e altri vantaggi a livello di sistema rispetto all'uso di un unico gruppo più grande da 10 A.

Isolamento: a volte facoltativo, spesso obbligatorio

La necessità di isolamento galvanico – l'assenza di qualsiasi percorso ohmico tra due componenti di un circuito – è un requisito che può rivelarsi vantaggioso oppure avere carattere di obbligatorietà. Potrebbe rivelarsi utile per eliminare i circuiti di massa del sistema in quanto necessario per l'interfacciamento con un trasduttore flottante (non collegato a massa) oppure essere obbligatorio per garantire la sicurezza tra una circuiteria a tensione più elevata e l'utilizzatore di strumenti medici. Spesso, per i progettisti, questo isolamento è sconosciuto oppure i suoi vantaggi e la sua necessità rappresentano in certa misura un mistero.

A prescindere dalle motivazioni, la realtà spesso trascurata è che un sottocircuito isolato necessita anche di un'alimentazione isolata, in genere a livelli bassi di corrente. In passato la necessità di alimentazione isolata, persino con correnti basse, portava con sé un ingombro significativo e i costi della distinta base erano spesso assolutamente sproporzionati rispetto ad altre funzioni. Imboccare la strada della costruzione piuttosto che quella dell'acquisto non rappresentava spesso un'opzione praticabile poiché un progetto isolato non è banale in termini di studio o di assemblaggio. Inoltre, in molte applicazioni il progetto di isolamento e la sua implementazione concreta richiederebbero collaudi e certificazioni per essere conformi alle norme del settore e legislative, un processo complesso e costoso.

Il problema può tuttavia essere superato agevolmente grazie alla disponibilità di moduli c.c./c.c isolati di piccole dimensioni ma pienamente conformi e in possesso delle necessarie approvazioni come LTM8047 di Analog Devices (Figura 3). Grazie all'utilizzo di una topologia flyback isolata offre un isolamento di 725°V_c.c..

Figura 3: Sebbene i progressi che riguardano i componenti, la topologia e l'assemblaggio consentano al modulo regolatore LTM8047 di Analog Devices di offrire un isolamento galvanico e di rispondere a tutti gli standard normativi pertinenti in relazione alla sua tensione nominale, esso appare all'utilizzatore come un dispositivo convenzionale e non isolato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

All'interno del compatto contenitore BGA, che misura 11,25 × 9 × 4,92 mm, si trovano il controller a commutazione, gli interruttori di alimentazione e tutti i componenti ausiliari, oltre al nucleo di un trasformatore di isolamento (Figura 4). Può fornire uscite da 2,5 a 12 V da un ampio intervallo di tensioni di ingresso comprese tra 3,1 e 32 V (sempre in buck). Sebbene la quantità di corrente che può erogare sia modesta – 440°milliampere (mA) a 2,5°V c.c. – è più che sufficiente ad alimentare molti sottocircuiti isolati e front-end per i trasduttori.

Figura 4: Per le leggi della fisica e gli obblighi normativi associati, l'isolamento richiede uno spazio di separazione fisica tra ingresso e uscita; la dimensione di LTM8047 di Analog Devices supporta l'isolamento a 750 V, che è sufficiente in molte situazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Possibilità di regolazione: caratteristica utile ma con cautela

Questi regolatori c.c./c.c. facilmente reperibili raramente erogano una tensione prestabilita, fissa. Al contrario, l'utilizzatore può impostare la tensione con una coppia di resistori in una configurazione a divisore di tensione. Così facendo si ottengono numerosi vantaggi: lo stesso regolatore può essere utilizzato in molti luoghi, semplificando così la distinta base; la tensione di uscita può essere regolata verso l'alto di qualche mV per rifasare la caduta ohmica (è una pratica sconsigliabile in molti casi ma spesso applicata) e la tensione di uscita può essere regolata verso l'alto per le impostazioni desiderate nei circuiti analogici, specialmente quelli RF, dove la scelta è tra prestazioni specificate e dissipazione (tensioni più elevate restituiscono un miglior rapporto segnale/rumore e una larghezza di banda più ampia ma aumentando la dissipazione).

Tuttavia, gli utilizzatori devono riconoscere che la stabilità e il coefficiente di temperatura (tempco) dei resistori per l'impostazione della tensione, insieme all'ambiente operativo termico, devono essere presi in considerazione in qualsiasi calcolo della tensione c.c. di uscita nominale del regolatore. È possibile che a temperature più elevate il rail c.c. si allontanerà dalle specifiche per il carico. Di conseguenza, potrebbe essere prudente o necessario scegliere resistori per l' impostazione della tensione con tempco basso per questa funzione al posto di dispositivi per uso generale che possono fungere da dispositivi pull-up per altre funzioni non critiche.

Un'altra impostazione offerta da alcuni regolatori c.c./c.c. è la selezione di frequenze di commutazione (tutti questi regolatori si servono della topologia di commutazione; nessuno di essi è un regolatore a bassa caduta di tensione – un LDO – per motivi di efficienza e di dimensioni). Ad esempio, attraverso un unico resistore è possibile impostare il funzionamento di MAX17536 di Maxim Integrated in qualsiasi punto dell'ampio intervallo che va da 100 kHz a 2,2 MHz (Figura 5). In questo modo può essere regolato in modo da evitare l'impatto del suo rumore di commutazione sulla circuiteria circostante che ha frequenze sovrapposte, come la banda radio AM da 550 a 1600 kHz, oppure per evitare una banda stretta specifica che contiene un segnale di interesse.

Figura 5: Un unico resistore stabilisce la frequenza di commutazione del regolatore MAX17536 di Maxim in un'ampia banda compresa tra100 kHz e 2,2 MHz offrendo così la flessibilità necessaria per ridurre al minimo l'interferenza del circuito o del segnale. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Si noti che la relazione tra il resistore e la frequenza di commutazione non è lineare e presenta una certa imprecisione. Per questa e altre ragioni, MAX17536 può al contrario essere impostato per sincronizzarsi a una fonte esterna invece di funzionare a una frequenza stabilita dal suo resistore. In questo modo si evita anche il prodursi di una miscela indesiderata delle frequenze con altri generatori di segnali di clock del sistema e le conseguenti frequenze di battimento che possono produrre problemi di difficile individuazione e diagnosi.

Conclusione

Con questi piccoli e completi convertitori c.c./c.c è possibile ridurre gran parte dei rischi e dei problemi che si presentano nella progettazione di fonti di alimentazione a bassa tensione e media corrente che erogano da 1 (o meno) a 10 A. Tuttavia, come accade per tutti i componenti, vi sono alcune regole fondamentali che devono essere prese in debita considerazione e seguite per la riuscita dell'installazione, per sfruttare al massimo il loro potenziale e per evitare spiacevoli problemi.