Come implementare rapidamente i convertitori buck per l'automazione di fabbrica, 5G e IoT

I convertitori buck c.c./c.c. sono ampiamente utilizzati in molti sistemi elettronici, come le stazioni base 5G, le apparecchiature per l'automazione di fabbrica e i dispositivi per Internet delle cose (IoT), per convertire in modo efficiente le alte tensioni. Ad esempio, una tensione di 12 V in corrente continua (V_c.c.) o di 48 V_c.c. proveniente da una batteria o da un bus di distribuzione dell'energia elettrica deve spesso essere convertita in una tensione più bassa per alimentare CI digitali, sensori analogici, sezioni a radiofrequenza (RF) e dispositivi di interfaccia.

Sebbene i progettisti possano implementare un convertitore buck discreto e ottimizzarlo per un progetto specifico in termini di caratteristiche prestazionali e layout della scheda, questo approccio presenta delle difficoltà. Tra queste, la selezione del MOSFET di potenza appropriato, la progettazione della rete di retroazione e di controllo e dell'induttore e la scelta tra una topologia asincrona o sincrona. Inoltre, il progetto deve includere numerose funzioni di protezione, garantire la massima efficienza e una dimensione compatta. Allo stesso tempo, i progettisti sono spinti a ridurre i tempi di progettazione e i costi, con la conseguente necessità di trovare alternative più adatte ai convertitori di potenza.

Invece della scelta discreta, i progettisti possono rivolgersi a CI di alimentazione che combinano i MOSFET con i necessari circuiti di retroazione e controllo, già ottimizzati per i convertitori buck ad alta efficienza.

Questo articolo esamina i compromessi prestazionali tra convertitori c.c./c.c. buck asincroni e sincroni e come si adattano alle esigenze di applicazioni specifiche. Il documento presenta un esempio di CI buck asincrono e di convertitore buck sincrono di ROHM Semiconductor e illustra le considerazioni sull'implementazione, tra cui la scelta dell'induttore e del condensatore di uscita e il layout della scheda. Le schede di valutazione sono incluse nella discussione per aiutare i progettisti a muovere i primi passi.

Perché utilizzare un convertitore buck?

Nelle applicazioni che richiedono pochi ampere di corrente, un convertitore buck rappresenta un'alternativa più efficiente rispetto a un regolatore lineare. Un regolatore lineare può avere un'efficienza del 60% circa, mentre un convertitore buck asincrono può avere un'efficienza superiore all'85%.

Un convertitore buck asincrono di base è costituito da un interruttore MOSFET, un diodo Schottky, un condensatore, un induttore e un circuito di controllo/pilotaggio (non mostrato) per attivare e disattivare il MOSFET (Figura 1). Un convertitore buck prende la tensione di ingresso c.c. (V_IN) e la converte in una corrente c.a. pulsante che viene raddrizzata dal diodo, quindi filtrata dall'induttore e dal condensatore per produrre una tensione di uscita c.c. regolata (V_O). Questa topologia prende il nome dal fatto che la tensione che attraversa l'induttore si oppone alla tensione di ingresso.

Figura 1: Topologia di un convertitore buck asincrono, esclusa la circuiteria del di controllo/pilotaggio MOSFET. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Il circuito di controllo/pilotaggio rileva la tensione di uscita e attiva e disattiva periodicamente il MOSFET per mantenere la tensione di uscita al livello desiderato. Al variare del carico, il circuito di controllo/pilotaggio varia il tempo in cui il MOSFET è attivo per fornire più o meno corrente all'uscita, come necessario per mantenere (regolare) la tensione di uscita. La percentuale di tempo in cui il MOSFET è attivo durante un ciclo completo di accensione/spegnimento è chiamata ciclo di lavoro. Pertanto, cicli di lavoro più elevati supportano correnti di carico superiori.

Buck sincroni

Nelle applicazioni che richiedono efficienze più elevate di quelle possibili con un buck asincrono, i progettisti possono ricorrere a un convertitore buck sincrono in cui il diodo Schottky è sostituito da un raddrizzatore MOSFET sincrono (Figura 2). Il MOSFET sincrono (S₂) ha una resistenza nello stato On significativamente inferiore alla resistenza del diodo Schottky, con conseguenti minori perdite e maggiore efficienza, ma con un costo più elevato.

Una sfida è data dal fatto che ora ci sono due MOSFET che devono essere attivati e disattivati in maniera coordinata. Se entrambi i MOSFET sono attivi contemporaneamente, si crea un cortocircuito che collega la tensione di ingresso direttamente a terra, danneggiando o distruggendo il convertitore. Impedire che ciò accada aumenta la complessità del circuito di controllo, facendo lievitare ulteriormente i costi e i tempi di progettazione rispetto a un progetto asincrono.

Questo circuito di controllo in un buck sincrono incorpora un "tempo morto" tra le transizioni di commutazione, in cui entrambi gli interruttori sono disattivati per un periodo molto breve per evitare la conduzione simultanea. Fortunatamente per i progettisti, sono disponibili CI di alimentazione che integrano i MOSFET di potenza e i circuiti di controllo necessari per produrre i convertitori buck.

Figura 2: Topologia di un convertitore buck sincrono che mostra la sostituzione del diodo Schottky con un MOSFET a raddrizzamento sincrono (S₂). (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Convertitori buck integrati in CI

Esempi di convertitori buck in CI altamente integrati sono i dispositivi BD9G500EFJ-LA (asincrono) e BD9F500QUZ (sincrono) di ROHM, disponibili rispettivamente in un contenitore HTSOP-J8 e VMMP16LZ3030 (Figura 3). BD9G500EFJ-LA ha una tensione di tenuta di 80 V ed è destinato all'uso con bus di alimentazione da 48 V presenti in stazioni base 5G, server e applicazioni simili. È adatto anche per sistemi con bus di alimentazione a 60 V, come biciclette elettriche, utensili elettrici, automazione di fabbrica e dispositivi IoT. Può erogare fino a 5 A di corrente di uscita e ha un'efficienza di conversione dell'85% su un intervallo della corrente di uscita tra 2 e 5 A. Le funzioni integrate comprendono l'avvio graduale, la protezione da sovratensione, sovracorrente, arresto termico e blocco di sottotensione.

Figura 3: Il convertitore buck asincrono in CI BD9G500EFJ-LA è disponibile in un contenitore HTSOP-J8, mentre il convertitore buck sincrono in CI BD9F500QUZ è disponibile in un contenitore VMMP16LZ3030. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Poiché il CI di alimentazione buck sincrono BD9F500QUZ ha una tensione di rottura di 39 V, i progettisti di sistemi con bus di alimentazione a 24 V possono utilizzarlo per ridurre i costi del sistema riducendo l'area di montaggio e il numero di componenti nei sistemi di automazione di fabbrica, come i controller a logica programmabile (PLC) e gli inverter. BD9F500QUZ riduce le dimensioni della soluzione del 60% circa e la frequenza di commutazione massima di 2,2 MHz consente di utilizzare un piccolo induttore da 1,5 μH. Questo buck sincrono funziona con un'efficienza fino al 90% e con una corrente di uscita di 3 A.

La combinazione di un'elevata efficienza e di un confezionamento dall'efficienza termica fa sì che la sua temperatura di funzionamento si aggiri intorno ai 60 °C senza ricorrere a un dissipatore, risparmiando così spazio, migliorando l'affidabilità e riducendo i costi. Le funzioni integrate comprendono la funzione di scarica del condensatore di uscita, la protezione da sovratensione, sovracorrente, cortocircuito, arresto termico e blocco di sottotensione.

Selezione dell'induttore e del condensatore

Sebbene i modelli BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ integrino i MOSFET di potenza, i progettisti devono comunque selezionare l'induttore e il condensatore di uscita ottimali, tra loro correlati. Ad esempio, il valore ottimale dell'induttanza è importante per ottenere le dimensioni complessive più piccole per l'induttore e il condensatore di uscita, nonché un ripple della tensione di uscita sufficientemente basso. Anche i requisiti di transitorietà sono importanti e variano da sistema a sistema. L'ampiezza del transitorio di carico, i limiti di deviazione della tensione e l'impedenza del condensatore influiscono sulle prestazioni del transitorio e sulla scelta del condensatore.

I progettisti hanno a disposizione diverse tecnologie di condensatori, ognuna delle quali offre una serie di compromessi in termini di costi e prestazioni. Di solito, per la capacità di uscita nei convertitori buck si utilizzano condensatori ceramici multistrato (MLCC), ma alcuni progetti possono trarre vantaggio dall'uso di condensatori elettrolitici in alluminio o di condensatori elettrolitici ibridi a polimeri conduttivi.

ROHM ha semplificato il processo di selezione di induttori e condensatori offrendo ai progettisti circuiti completi di esempio applicativo nelle schede tecniche di questi CI di alimentazione, tra cui:

• Tensione di ingresso, tensione di uscita, frequenza di commutazione e corrente di uscita
• Schema circuitale
• Distinta base suggerita con valori, codici componente e produttori
• Forme d'onda operative

Tre circuiti applicativi dettagliati per BD9G500EFJ-LA, tutti con una frequenza di commutazione di 200 kHz:

• Ingresso da 7 a 48 V_c.c. con una uscita di 5,0 V_c.c. a 5 A
• Ingresso da 7 a 36 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 5 A
• Ingresso da 18 a 60 V_c.c. con una uscita di 12 V_c.c. e 5 A

Sette circuiti applicativi dettagliati per BD9F500QUZ:

• Ingresso da 12 a 24 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 1 MHz
• Ingresso da 12 a 24 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 600 kHz
• Ingresso a 5 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 1 MHz
• Ingresso a 5 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 600 kHz
• Ingresso a 12 V_c.c. con una uscita di 1,0 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 1 MHz
• Ingresso a 12 V_c.c. con una uscita di 1,0 V_c.c. e 5 A, con una frequenza di commutazione di 600 kHz
• Ingresso a 12 V_c.c. con una uscita di 3,3 V_c.c. e 3 A, con una frequenza di commutazione di 2,2 MHz

Inoltre, ROHM offre ai progettisti una nota applicativa sui "Tipi di condensatori utilizzati per il livellamento dell'uscita dei regolatori a commutazione e relative precauzioni".

Le schede di valutazione accelerano il processo di progettazione

Per accelerare ulteriormente la progettazione, ROHM offre le schede di valutazione BD9G500EFJ-EVK-001 e BD9F500QUZ-EVK-001 rispettivamente per i modelli BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ (Figura 4).

Figura 4: Le schede di valutazione BD9G500EFJ-EVK-001 (a sinistra) e BD9F500QUZ-EVK-001 (a destra) rispettivamente per i CI convertitore buck BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ aiutano i progettisti a verificare rapidamente che i dispositivi soddisfino i loro requisiti. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Il modello BD9G500EFJ-EVK-001 produce una uscita a 5 V_c.c. da un ingresso a 48 V_c.c.. L'intervallo della tensione di ingresso BD9G500EFJ-LA è compreso tra 7 e 76 V_c.c., mentre la tensione di uscita è configurabile da 1 V_c.c. a 0,97 x V_IN con resistori esterni. È inoltre possibile utilizzare un resistore esterno per impostare la frequenza operativa tra 100 e 650 kHz.

La scheda di valutazione BD9F500QUZ-EVK-001 produce un'uscita di 1 V_c.c. da un ingresso di 12 V_c.c.. L'intervallo della tensione di ingresso BD9F500QUZ è compreso tra 4,5 e 36 V_c.c., mentre la tensione di uscita è configurabile da 0,6 a 14 V_c.c. con resistori esterni. Questo CI di alimentazione ha tre frequenze di commutazione selezionabili: 600 kHz, 1 MHz e 2,2 MHz.

Considerazioni sul layout della scheda

Le considerazioni generali sul layout della scheda CS quando si utilizzano i modelli BD9G500EFJ-LA e BD9F500QUZ includono:

1. Il diodo a ruota libera e il condensatore di ingresso devono trovarsi sullo stesso strato della scheda CS del terminale CI e il più vicino possibile al CI.
2. Per migliorare la dissipazione del calore, è opportuno inserire, ove possibile, fori di via termici.
3. Posizionare l'induttore e il condensatore di uscita il più vicino possibile al CI.
4. Tenere le tracce del circuito di ritorno lontane dalle fonti di rumore, come l'induttore e il diodo.

Per dettagli più specifici sul layout si rimanda alle schede tecniche dei rispettivi dispositivi e alla nota applicativa di ROHM "Tecniche di layout PCB per un convertitore buck".

Conclusione

Come mostrato, i convertitori buck asincroni e sincroni possono essere utilizzati per fornire efficienze di conversione più elevate rispetto ai regolatori lineari in una serie di applicazioni di automazione di fabbrica, IoT e 5G. Sebbene sia possibile progettare convertitori buck personalizzati per un determinato scopo, si tratta di un'operazione complessa e dispendiosa.

I progettisti possono invece optare per CI di alimentazione che integrano il MOSFET di potenza ai circuiti di controllo e pilotaggio per produrre soluzioni compatte ed economiche. Inoltre, per accelerare il time-to-market, i progettisti hanno a disposizione una serie di strumenti, tra cui note applicative sulla selezione dei condensatori e sul layout delle schede CS, circuiti di esempio applicativo dettagliati e schede di valutazione.

Letture consigliate

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