Generazione di alta tensione di uscita in corrente continua da una bassa alimentazione di ingresso

Spinta dalle applicazioni portatili e indossabili, la tendenza nei nuovi progetti si orienta inesorabilmente nella direzione di tensioni di alimentazione di 3,6 V o inferiori. Tuttavia, molti dispositivi portatili hanno funzioni specifiche che richiedono tensioni più elevate, che richiedono ai progettisti di convertire verso l'alto i livelli richiesti, nel modo più efficiente possibile attraverso l'implementazione ottimale di convertitori c.c./c.c. boost.

Questo articolo analizzerà lo scopo dei regolatori boost c.c./c.c. e ne descriverà la topologia. Presenterà quindi dispositivi di esempio e discuterà le tecniche di progettazione e i compromessi richiesti per sviluppare il progetto ottimale per un'applicazione portatile o indossabile.

Il ruolo dei convertitori boost c.c./c.c.

Un tipico dispositivo indossabile o portatile utilizza una cella agli ioni di litio con un'uscita nominale di 3,6 V c.c. Per la loro tensione di alimentazione primaria, la maggior parte delle applicazioni alimentate a batteria si basano su una o più celle agli ioni di litio collegate in serie. Anche se per molte applicazioni questo è sufficiente, laptop, tablet e altri dispositivi mobili hanno funzioni specifiche che richiedono tensioni molto più elevate.

Ne sono degli esempi driver per retroilluminazioni a diodi a emissione di luce bianca (LED), transceiver RF, circuiti analogici di precisione e circuiti di polarizzazione per i fotodiodi a valanga (APD) presenti nei ricevitori ottici. Un regolatore c.c./c.c. step-up o boost soddisfa queste esigenze applicative trasformando una bassa tensione d'ingresso in una tensione d'uscita più alta.

Tipica topologia di un convertitore boost

I componenti base di un regolatore boost sono un induttore, un interruttore a semiconduttore, più comunemente un MOSFET di potenza, un diodo raddrizzatore, un blocco di controllo a circuito integrato (CI) e condensatori di ingresso e di uscita (Figura 1).

Figura 1: La configurazione di base del regolatore boost, che mostra la direzione del flusso di corrente quando l'interruttore è aperto e chiuso (Immagine per gentile concessione di DigiKey, sulla base del materiale originale di Texas Instruments)

Con V_IN applicata e l'interruttore di alimentazione chiuso, la corrente passa attraverso l'induttore lungo il percorso blu verso terra. L'induttore immagazzina energia nel suo campo magnetico. Il diodo viene polarizzato in senso inverso e la tensione attraverso il condensatore di uscita diminuisce man mano che l'energia immagazzinata alimenta il carico.

Per contro, quando l'interruttore di alimentazione è aperto, la corrente scorre lungo il percorso rosso mentre il campo magnetico che collassa genera una tensione positiva e trasferisce l'energia dell'induttore attraverso il diodo polarizzato in avanti per caricare il condensatore di uscita e alimentare il carico.

Variando il ciclo di lavoro dell'interruttore di alimentazione, il blocco di controllo mantiene una tensione di uscita costante in risposta alle variazioni della tensione di ingresso e del carico. Un divisore resistivo all'uscita può fornire al blocco di controllo un feedback di tensione per regolare il ciclo di lavoro e mantenere il valore della tensione di uscita desiderato.

Oltre a queste funzioni di base, i progetti integrati includono anche una serie di funzioni di protezione contro sovratemperatura, cortocircuito in uscita, condizione di carico aperto, sovracorrente in ingresso e altro ancora.

Un diffuso miglioramento al circuito di base vede la sostituzione del diodo con un secondo MOSFET. Il secondo MOSFET funziona come raddrizzatore sincrono, che si accende quando l'interruttore di alimentazione si spegne. La sua caduta di tensione più bassa riduce la dissipazione di potenza, aumentando l'efficienza del regolatore.

Una progettazione sincrona è un vantaggio in un dispositivo a batteria, in cui una maggiore efficienza equivale a una maggiore durata della batteria. Inoltre, i dispositivi portatili e indossabili in genere hanno vincoli di spazio, per cui i convertitori boost per queste applicazioni spesso presentano un alto livello di integrazione. L'inclusione di componenti di potenza nel contenitore limita la corrente che può essere erogata, ma questo è accettabile in una soluzione alimentata a batteria. Molte di queste applicazioni trascorrono periodi prolungati in modalità di spegnimento, facendo diventare un fattore critico il bassissimo consumo di corrente di quiescenza.

TPS610993YFFT di Texas Instruments è un esempio di regolatore boost a basso consumo (Figura 2). È un dispositivo sincrono che consuma un solo microampere (µA) di corrente di quiescenza, ma può erogare fino a 800 milliampere (mA) e genera una tensione di uscita di 3,0 V con una tensione di ingresso di soli 0,7 V. Il dispositivo è studiato per massimizzare l'efficienza operativa in presenza di carichi leggeri. Può funzionare sia con una batteria alcalina che con una di tipo ricaricabile, come ad esempio NiMH o Li-ion.

Figura 2: La famiglia TPS61099x può erogare fino a 5,5 V da una tensione di ingresso di 0,7 V. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

TPS610993 integra sia l'interruttore di alimentazione che il raddrizzatore sincrono in un contenitore WCSP a 6 sfere di soli 1,23 x 0,88 mm. Le sue dimensioni ridotte lo rendono adatto per monitor ottici della frequenza cardiaca, driver di polarizzazione per display a cristalli liquidi (LCD) con memoria e applicazioni con vincoli di spazio. Il dispositivo fa parte della famiglia di prodotti TPS61099x, con tensioni di uscita comprese tra 1,8 e 5,5 V.

Per produrre una tensione più elevata per i circuiti flash delle fotocamere degli smartphone o per le luci a LED alimentate a batteria, MCP1665 di Microchip Technology adotta un approccio diverso: integra un interruttore di alimentazione NMOS a 36 V e 100 milliohm (mΩ), ma utilizza un diodo esterno in una topologia non sincrona.

Figura 3: MCP1665 di Microchip può produrre fino a 32 V da una batteria agli ioni di litio, NiMH o NiCd. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Questo dispositivo può fornire fino a 1000 mA da un'alimentazione di 5 V e include caratteristiche quali la tensione di avvio controllata, una scelta di modalità operative e una frequenza di commutazione di 500 kHz; l'architettura della modalità di corrente di picco raggiunge un'elevata efficienza su un ampio intervallo di carico.

In alcune applicazioni boost, il mantenimento della tensione di uscita a un valore impostato non è l'obiettivo primario di progettazione. In un driver di retroilluminazione a LED, la luminosità desiderata del LED dipende dalla corrente che attraversa la stringa di LED. Quindi la corrente che scorre attraverso un resistore di shunt forma la tensione di retroazione al controller e determina la tensione di boost. AP3019AKTR-G1 di Diodes Incorporated è un esempio di convertitore boost ottimizzato per pilotare una stringa di un massimo di otto LED per applicazioni di retroilluminazione (Figura 4).

Figura 4: Funzionando con una frequenza di commutazione tipica di 1,2 MHz, il driver AP3019A include caratteristiche specifiche per controllare la luminosità di una stringa di retroilluminazione a LED. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Ottimizzato per applicazioni con vincoli di spazio, il dispositivo include internamente sia l'interruttore di alimentazione che il diodo, e una frequenza di commutazione di 1,2 MHz consente l'utilizzo di minuscoli componenti esterni. AP3019A è in grado di alimentare fino a 550 mA in un contenitore SOT-23-6.

Il pin CTRL è un ingresso di messa fuori servizio e dimmeraggio speciale: il collegamento del pin a 1,8 V o più abilita il dispositivo; il collegamento a 0,5 V o meno disattiva il dispositivo e l'applicazione di un segnale PWM (modulazione della larghezza di impulso) consente l'implementazione del controllo della luminosità dei LED.

Per ottimizzare l'efficienza, seguire questi suggerimenti di progettazione

In alcuni dei dispositivi già discussi, il produttore ha già fissato alcuni dei parametri internamente, ma un progettista in genere può avvalersi di diversi compromessi per ottimizzare l'efficienza di conversione. Inoltre, occorre scegliere attentamente i componenti esterni corretti in base alle linee guida che seguono.

Frequenza di commutazione: sebbene la frequenza di commutazione non influisca direttamente sulla tensione di uscita, ha un effetto significativo sulla progettazione dell'alimentatore. In genere, una frequenza di commutazione più alta consente al progettista di utilizzare induttore e condensatori più piccoli per una determinata applicazione. Le dimensioni dell'induttore sono determinate principalmente dalla quantità di corrente di ripple consentita. Per una data induttanza, la corrente di ripple diminuisce con l'aumentare della frequenza di commutazione: potendo scegliere fra diversi dispositivi, un progettista può bilanciare l'aumento della frequenza di commutazione con un induttore più piccolo mantenendo la stessa quantità di corrente di ripple.

Un funzionamento a una frequenza più elevata offre al regolatore a commutazione una maggiore larghezza di banda, riducendo il tempo di risposta ai transitori. L'induttore più piccolo riduce anche le dimensioni e il costo dell'alimentatore.

Scelta dell'induttore: l'induttore, un componente chiave di ogni regolatore boost, immagazzina l'energia durante il tempo di servizio dell'interruttore di alimentazione e la trasferisce all'uscita attraverso il raddrizzatore di uscita durante il tempo di disattivazione.

Il progettista deve trovare un compromesso tra bassa corrente di ripple dell'induttore e alta efficienza. Un valore minore dell'induttore ha una corrente di saturazione maggiore e una minore resistenza in serie a seconda della dimensione fisica. Tuttavia a una minore induttanza corrispondono correnti di picco più elevate che possono portare a una riduzione dell'efficienza, a un ripple maggiore e a un aumento del rumore.

Al momento di scegliere un induttore idoneo, la sua corrente di saturazione nominale deve essere maggiore della sua corrente di picco e la sua portata di corrente efficace (RMS) nominale deve essere maggiore della corrente di ingresso c.c. massima del regolatore.

La maggior parte delle schede tecniche dei regolatori boost includono raccomandazioni di induttori per diverse correnti e tensioni di carico: la scheda tecnica per MCP1665 di Microchip, discusso in precedenza, consiglia l'induttore da 4,7 microhenry (µH) ELL-8TP4R7NB di Panasonic Electronic Components per tensioni di uscita inferiori a 15 V. Per tensioni di uscita superiori invece, suggerisce l'induttore da 10 µH 7447714100 di Wurth Electronics.

Scelta del diodo

In una progettazione non sincrona, per ridurre le perdite si dovrebbe usare un diodo Schottky, con la sua tensione diretta più bassa. La corrente nominale diretta media del diodo deve essere uguale o superiore alla corrente di uscita massima. La corrente nominale diretta ripetitiva di picco del diodo deve essere uguale o superiore alla corrente di picco dell'induttore e la tensione di rottura inversa del diodo deve essere superiore alla tensione nominale dell'interruttore di alimentazione interno.

MCP1665, ad esempio, ha un interruttore interno da 36 V e può erogare fino a 1 A. Microchip consiglia pertanto il diodo Schottky STPS2L40VU di STMicroelectronics, un dispositivo con una tensione di rottura inversa di 40 V e una corrente diretta di 2 A.

Ad alte temperature, la corrente di dispersione del diodo può anche avere un effetto significativo sull'efficienza operativa del convertitore. Per correnti e temperature ambiente elevate, utilizzare un diodo con buone caratteristiche termiche.

Condensatori di ingresso e di uscita: nella topologia boost, l'induttore agisce per attenuare le richieste transitorie sul circuito di potenza che alimenta il circuito del regolatore, riducendo il filtraggio in ingresso richiesto. Un condensatore ceramico con una capacità nominale X5R è spesso sufficiente per una temperatura di funzionamento di +85 °C, ma per operare a +125 °C possono essere necessari condensatori X7R a bassa ESR.

Se l'impedenza della fonte di alimentazione è troppo elevata per mantenere la tensione di ingresso al di sopra della soglia di blocco per sottotensione a livelli di carico elevati, potrebbe essere necessario anche un condensatore supplementare elettrolitico o al tantalio.

Sul lato del carico, il condensatore di uscita riduce il ripple del carico e contribuisce a fornire una tensione di uscita stabile durante i transitori di carico. Per il condensatore di uscita si consiglia un condensatore X7R ceramico; altri tipi possono avere una ESR elevata che riduce l'efficienza del convertitore.

Il valore nominale c.c. del condensatore deve essere abbondantemente superiore alla tensione di uscita massima V_OUT poiché i condensatori ceramici perdono efficienza quando operano quasi alla loro tensione massima. Consultare la scheda tecnica per le raccomandazioni sulla scelta del condensatore.

Considerazioni sul layout del regolatore boost: Grazie alle sue caratteristiche di commutazione ad alta velocità, le prestazioni del regolatore boost sono molto sensibili al layout della PCB: capacità e induttanza parassite possono causare ripple di uscita elevati, scarsa regolazione dell'uscita, interferenze elettromagnetiche (EMI) eccessive e persino guasti a causa di un picco di alta tensione.

Il progettista dovrebbe quindi prestare molta attenzione al layout della PCB seguendo questi suggerimenti:

1. I condensatori di uscita devono essere posizionati vicino al dispositivo e collegati con tracce corte e larghe per ridurre al minimo l'induttanza parassita che può causare oscillazioni e picchi di tensione. Piste multiple aiutano a ridurre la capacità parassita.
2. Dopo aver piazzato il condensatore di uscita, posizionare l'induttore vicino al circuito integrato per ridurre l'EMI irradiata. Dato che il nodo SW (Figure 2, 3, 4) è elettricamente rumoroso, instradare il segnale di retroazione (FB) e altre tracce sensibili lontano da questo nodo.
3. Il nodo di terra del condensatore di ingresso dovrebbe inoltre essere vicino al pin di messa a terra dell'alimentazione CI per ridurre al minimo l'area del loop.
4. Per ottenere le migliori prestazioni termiche, il layout deve includere piste termiche dal foglio termoconduttivo del dispositivo (se applicabile) fino al piano di massa; queste migliorano la dissipazione del calore e riducono il rischio di arresto termico.
5. La terra dell'alimentazione, la terra del segnale e il foglio termoconduttivo devono essere collegati insieme in un unico punto di messa a terra a bassa impedenza.

Strumenti di progettazione online accelerano il processo di progettazione

La progettazione di un alimentatore efficiente richiede esperienza in diverse aree, tra cui valutazione e selezione dei componenti, componenti elettromagnetici, progettazione di circuiti di compensazione, ottimizzazione, analisi termica, layout e altro ancora.

Consapevoli di questa complessità, diversi fornitori di semiconduttori di alimentazione mettono a disposizione utili strumenti online che guidano gli ingegneri attraverso le fasi necessarie per una progettazione di successo.

Texas Instruments offre diversi strumenti. Power Stage Designer™, ad esempio, aiuta nella progettazione degli alimentatori a commutazione utilizzati più comunemente. Per i convertitori boost, è possibile scegliere tra topologie boost, buck/boost e SEPIC. Dopo aver scelto una topologia proposta, il programma aiuta il progettista a confrontare le prestazioni dei diversi FET di potenza, scegliere un condensatore sfuso, determinare la rete di compensazione, oltre a svolgere altre funzioni di progettazione.

ADI offre ADIsimPower™, un set di strumenti di progettazione che aiuta a realizzare l'intero schema e la distinta base, oltre a calcolare le prestazioni del circuito. ADIsimPower può ottimizzare i progetti in termini di costo, area, efficienza e numero di componenti, tenendo conto delle condizioni operative e delle limitazioni del circuito integrato e dei componenti esterni.

Conclusione

Consentendo l'uso di funzioni di circuito a tensione superiore, il regolatore boost svolge un ruolo prezioso nelle progettazioni di soluzioni portatili e indossabili alimentate a batteria. Tuttavia, i progettisti devono scegliere un dispositivo idoneo per l'applicazione boost richiesta e prestare attenzione a una serie di compromessi chiave di progettazione e di best practice.