Uso di regolatori a commutazione a basse EMI per ottimizzare i progetti di alimentazione ad alta efficienza

I progettisti che realizzano un sistema alimentato a batteria o ad alimentazione distribuita si trovano spesso a dover decidere se utilizzare un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) o a commutazione. I regolatori a commutazione offrono una maggiore efficienza, particolarmente apprezzata per i prodotti alimentati a batteria. Il compromesso principale riguarda le EMI dei transistor a commutazione rapida dell'alimentatore, un aspetto che può essere sempre più problematico in progetti altamente integrati e compatti.

I circuiti di filtraggio in ingresso e in uscita attenuano gli effetti delle EMI, ma aumentano i costi, l'ingombro e la complessità del circuito. Questi problemi vengono affrontati da una nuova generazione di regolatori a commutazione integrati e modulari che offrono varie tecniche per limitare le EMI senza compromettere le prestazioni o l'efficienza del regolatore.

Questo articolo descrive brevemente i vantaggi dei regolatori a commutazione nei progetti portatili e l'importanza dei circuiti di filtraggio. Presenta poi esempi di regolatori a commutazione con filtri EMI integrati di Allegro Microsystems, Analog Devices e Maxim Integrated e illustra come utilizzarli per semplificare la distribuzione dell'energia elettrica.

Perché utilizzare i regolatori a commutazione nei progetti portatili?

Alta efficienza, bassa dissipazione di potenza (che facilita le sfide della gestione termica) e alta densità di potenza sono le ragioni principali per scegliere un regolatore a commutazione invece di un LDO. L'efficienza dei moduli regolatori a commutazione in commercio - cioè la potenza di uscita/di ingresso x 100 - si aggira normalmente attorno al 90%-95% sulla maggior parte dell'intervallo di carico. È quindi decisamente migliore di quella di un LDO equivalente. Inoltre, i regolatori a commutazione sono più flessibili degli LDO perché sono in grado di aumentare, ridurre la tensione ("buck") e invertire le tensioni.

Il cuore di un regolatore a commutazione è un elemento di commutazione a modulazione della larghezza di impulso (PWM) composto da uno o due transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) abbinati a uno o due induttori per l'immagazzinaggio dell'energia. La frequenza operativa del regolatore determina il numero di cicli di commutazione per unità di tempo, mentre il ciclo di lavoro del segnale PWM (D) determina la tensione di uscita (da V_OUT = D × V_IN).

Anche se la loro elevata efficienza è un vantaggio nei progetti portatili, i regolatori a commutazione pongono il progettista di fronte a una serie di compromessi: costo, complessità, dimensioni, risposta lenta ai transitori di carico e scarsa efficienza a bassi carichi, anche se su quest'ultimo fronte sono in atto dei miglioramenti. L'altra grande sfida progettuale riguarda le EMI generate dalla commutazione dei transistor di potenza. La commutazione provoca una sovraelongazione della tensione e della corrente in altre parti del circuito, con conseguente ripple della tensione e della corrente in ingresso e in uscita e picchi di energia transitoria alla frequenza di commutazione (e suoi multipli). Il ripple di tensione raggiunge il picco alla fine del periodo "on" del PWM (Figura 1).

Figura 1: Una traccia del ripple della tensione di uscita di un regolatore della tensione a commutazione mostra i picchi transitori, una delle principali fonti di EMI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Gestire le EMI

Un modo consolidato per ridurre le EMI causate dalla commutazione del FET di potenza in un regolatore è quello di aggiungere circuiti soppressori resistore-condensatore (R-C) all'ingresso e alle uscite. Questi circuiti aiutano a filtrare i picchi di energia e ad attenuare il ripple di tensione e corrente e, di conseguenza, le EMI. Un buon obiettivo per un alimentatore a commutazione ben progettato con un'uscita da 2 a 5 V è un ripple di tensione picco-picco compreso tra 10 e 50 mV e picchi transitori minimi.

La selezione dei componenti per i circuiti di filtraggio, specie dei condensatori a effetto di massa di ingresso e di uscita, è difficile e comporta dei compromessi in termini di dimensioni e costo dei componenti (e impatto sulla risposta ai transitori del regolatore e sulla compensazione dell'anello) contro il ripple di corrente e tensione picco-picco e l'attenuazione delle interferenze elettromagnetiche.

Un buon punto di partenza è ricorrere ad alcune tecniche consolidate basate su equazioni chiave. Il ripple della tensione di ingresso comprende ΔV_Q (generato dalla scarica del condensatore di ingresso ) e ΔV_ESR (generato dalla resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore di ingresso). Per un ripple della tensione picco-picco massimo specificato in ingresso, è possibile stimare la capacità di ingresso richiesta (C_IN) e l'ESR del condensatore a effetto di massa rispettivamente con l'Equazione 1 e l'Equazione 2:

Equazione 1

E:

Equazione 2

Dove:

I_LOAD(MAX) è la corrente di uscita massima

ΔI_p-p è la corrente dell'induttore picco-picco

V_IN è la tensione di alimentazione in ingresso

V_OUT è la tensione di uscita del regolatore

f_SW è la frequenza di commutazione

Analogamente, per uno specifico ripple di tensione picco-picco massimo all'uscita, è possibile stabilire la capacità e l'ESR del condensatore a effetto di massa rispettivamente con l'Equazione 3 e l'Equazione 4:

Equazione 3

E:

 Equazione 4

È importante notare che ΔV_ESR e ΔV_Q non si sommano direttamente, in quanto sono fuori fase tra loro. Se un progettista sceglie dei condensatori ceramici (che in genere hanno una bassa ESR), prevale ΔV_Q. Se invece sceglie dei condensatori elettrolitici, prevale ΔV_ESR.

I valori selezionati della capacità di uscita e dell'ESR sono influenzati anche dalla deviazione accettabile della tensione di uscita rispetto a quella desiderata durante i transitori di carico rapidi. Nello specifico, il condensatore di uscita deve essere in grado di supportare la corrente di carico durante il transitorio fino a quando il controller del regolatore non risponde aumentando il ciclo di lavoro del PWM. Per calcolare la capacità di uscita richiesta e l'ESR per una deviazione di uscita minima durante una fase di carico, utilizzare rispettivamente l'Equazione 5 e l'Equazione 6:

Equazione 5

E:

Equazione 6

Dove:

I_STEP è la fase di carico

t_RESPONSE è il tempo di risposta del controller

Anche se questi calcoli aiutano ad affinare la selezione dei componenti appropriati per gestire i ripple di tensione e corrente e i picchi transitori, il progettista deve considerare anche la dissipazione di potenza nel condensatore (P_CAP). La si può calcolare tramite:

Dove I_RMS è la corrente di ripple in ingresso RMS.

Questa equazione mostra che per una data ESR l'aumento della temperatura interna è proporzionale al quadrato della corrente di ripple. Se il dispositivo viene usato per attenuare una grande corrente di ripple, potrebbe riscaldarsi molto e, se non si riesce a dissipare rapidamente questo calore, l'elettrolita del condensatore evaporerà gradualmente e le sue prestazioni diminuiranno fino all'avaria. Per evitare ciò, l'ingegnere deve scegliere un dispositivo più grande e più costoso con una superficie maggiore per favorire la dissipazione del calore rispetto a quanto sarebbe altrimenti richiesto.

Opzioni di regolatori a basse EMI

Anche se il filtraggio in ingresso e in uscita può attenuare il ripple di tensione e corrente, è buona pratica progettuale scegliere un regolatore a commutazione che soddisfi le specifiche, riducendo al minimo l'altezza del ripple picco-picco. In questo modo è possibile ridurre lo stress sui condensatori di filtraggio dovuto alla dissipazione di potenza e usare dispositivi più piccoli e meno costosi.

Una tecnica per ridurre al minimo il ripple di tensione e corrente è quella di utilizzare uno schema di controllo della modalità di tensione. In questo schema, il segnale PWM viene generato applicando una tensione di controllo a un ingresso del comparatore e all'altro una tensione a dente di sega (o "rampa PWM") di frequenza fissa, generata dal clock. Questa tecnica è più idonea per ridurre al minimo le EMI rispetto allo schema alternativo di controllo della modalità di corrente, che tende ad esacerbare le EMI perché il rumore proveniente dallo stadio di potenza riesce in genere a farsi strada nell'anello di retroazione di controllo. (Vedere l'articolo della libreria DigiKey Controllo della modalità di corrente e di tensione per la generazione di segnali PWM nei regolatori a commutazione c.c./c.c.)

Oltre a considerare il controllo della modalità di tensione, diversi fornitori di chip offrono una serie di approcci per aiutare a ridurre internamente l'ampiezza del ripple di tensione e corrente. Un esempio è il convertitore buck sincrono A8660 di Allegro Microsystems. Si tratta di un dispositivo di fascia alta con qualifica AEC-Q100 automotive. Il regolatore opera da un ingresso (V_IN) tra 0,3 e 50 V e offre un intervallo della tensione di uscita regolabile tra 3 e 45 V. Il dispositivo ha una frequenza di base programmabile (f_OSC) tra 200 kHz e 2,2 MHz. A8660 offre anche una serie di caratteristiche di protezione, tra cui un recupero graduale da una diseccitazione per eliminare una sovraelongazione di V_OUT e un picco transitorio indesiderato della tensione.

Perché il regolatore sia in grado di ridurre al minimo le EMI esiste una tecnica fondamentale chiamata dithering della frequenza di base PWM. Una volta attivato, uno "sweep di dithering" impostato internamente cambia sistematicamente f_OSC di ±10%, distribuendo l'energia attorno alla frequenza di commutazione. La frequenza di modulazione del dithering (f_MOD) si diffonde su un modello triangolare che opera a 12 kHz.

Nella Figura 2 vengono mostrate le emissioni condotte e irradiate di A8660 con il dithering abilitato e disabilitato. I componenti esterni e il layout della scheda delle due impostazioni di test sono identici.

Figura 2: Confronto tra le emissioni irradiate da un regolatore a commutazione che utilizza una frequenza di base fissa (rosso) e quelle di un regolatore che utilizza il dithering della frequenza (blu). Parametri operativi: f_OSC = 2,2 MHz, V_IN = 12 V, V_OUT = 3,3 V, carico = 3 A. (Immagine per gentile concessione di Allegro Microsystems)

Per i progetti che utilizzano una frequenza operativa al di sotto della banda radio AM (f_OSC <520 kHz), l'ingresso di sincronizzazione di A8660 può essere usato per spostare f_OSC e le sue armoniche al fine di ridurre ulteriormente le EMI. Per questo, collegare un clock esterno al pin SYNC_IN e aumentare la frequenza di base di A8660 da 1,2 a 1,5 × f_OSC.

Anche il controller buck/boost sincrono LT8210IFE di Analog Devices presenta uno schema di modulazione della frequenza triangolare. In questo caso LT8210IFE distribuisce lentamente f_SW tra la frequenza nominale impostata al 112,5% di quel valore e di nuovo indietro.

Inoltre, il dispositivo offre un "pass-thru" che sospende la commutazione, contribuendo così ad abbassare le EMI e a incrementare l'efficienza eliminando le perdite di commutazione. Il regolatore ha un intervallo di ingresso tra 2,8 e 100 V e un'uscita tra 1 e 100 V. La precisione della tensione di uscita è di ±1,25% e ha una protezione dalla tensione di ingresso inversa fino a -40 V.

Quando la modalità pass-thru è attivata, gli anelli di regolazione buck e boost del regolatore funzionano in modo indipendente. Per creare la finestra pass-thru vengono usati amplificatori di errore separati impostando la tensione di uscita programmata per la regolazione buck, V_OUT(BUCK), su un valore superiore alla tensione di uscita programmata per l'incremento, V_OUT(BOOST). Viene mostrato l'impatto della modalità pass-thru sul ripple della tensione di uscita (Figura 3).

Figura 3: In modalità pass-thru, il regolatore LT8210 offre un ripple della tensione di uscita ridotto (traccia blu) da una sorgente di ingresso rumorosa (traccia rossa). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando V_IN è tra V_OUT(BOOST) e V_OUT(BUCK), la tensione di uscita insegue l'ingresso. Una volta che V_OUT si stabilizza vicino a V_IN, LT8210 entra in uno stato a bassa potenza (pass-thru) in cui gli interruttori A e D sono sempre attivi e quelli B e C sono inattivi. Se V_OUT supera V_IN di una percentuale stabilita, gli interruttori A, C e D si disattivano e l'uscita viene ricollegata solo una volta che si è scaricata fino a corrispondere quasi a V_IN. Se si verifica un transitorio di linea positivo durante la finestra pass-thru (in assenza di commutazione), per cui V_IN supera V_OUT di una percentuale stabilita, la commutazione riprenderà per evitare una sovraoscillazione di grande ampiezza nella corrente dell'induttore. L'uscita sarà condotta alla tensione di ingresso in modo simile a un avvio graduale e gli interruttori A e D si riattiveranno in modo continuo dopo che V_OUT si stabilizza su un valore vicino a V_IN. La Figura 4 mostra la topologia di commutazione.

Figura 4: Interruttore del regolatore LT8210. In modalità pass-thru gli interruttori A e D sono sempre attivi e quelli B e C sono inattivi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per ridurre le EMI, Maxim Integrated offre il regolatore a commutazione buck MAX15021ATI+T. Funziona da un ingresso tra 2,5 e 5,5 V e ha due uscite, ognuna regolabile a partire da 0,6 V fino alla grandezza dell'alimentazione in ingresso. La frequenza di base del regolatore può essere regolata tra 500 kHz e 4 MHz utilizzando un solo resistore.

Oltre a supportare uno schema di controllo della modalità di tensione per aiutare a limitare il ripple della tensione, MAX15021 consente il funzionamento dei regolatori utilizzando un clock fuori fase di 180° (Figura 5). Abbinata all'opzione di commutazione a frequenze fino a 4 MHz, questa capacità riduce in modo significativo la corrente di ripple dell'ingresso RMS. La conseguente riduzione della corrente di ingresso di picco (e l'aumento della frequenza di ripple) riduce la quantità di capacità di bypass richiesta in ingresso e quindi le dimensioni del condensatore necessario.

Figura 5: I doppi regolatori di MAX15021 funzionano fuori fase di 180° per limitare le EMI. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Conclusione

I regolatori a commutazione modulari sono una valida opzione per regolare la tensione quando l'efficienza elevata è fondamentale. Tuttavia, i compromessi rispetto a soluzioni alternative come gli LDO includono il ripple della tensione e della corrente e i picchi di tensione transitori generati dagli elementi di commutazione nel regolatore. Se non viene filtrato, questo rumore può provocare EMI che possono disturbare i chip sensibili vicino al regolatore.

Tecniche di progettazione consolidate, come l'uso di circuiti di filtraggio in ingresso e in uscita, possono attenuare le EMI ma richiedono condensatori di grandi dimensioni per gestire grandi picchi e ripple transitori. Possono anche dissipare molta energia, il che può portare al surriscaldamento dei componenti.

Ora, però, gli ingegneri hanno accesso a una nuova generazione di regolatori a commutazione modulari con capacità incorporate per ridurre il ripple di tensione e corrente e i picchi transitori e limitare le EMI anche prima che vengano aggiunti i circuiti di filtraggio. Utilizzando questi regolatori, gli ingegneri possono ridurre le dimensioni dei condensatori a effetto di massa in ingresso e in uscita e ridurre le dimensioni e il costo dei circuiti di filtraggio.