Utilizzare moduli di alimentazione programmabili per accelerare la progettazione di regolatori c.c./c.c.

I regolatori di tensione c.c./c.c. a commutazione portano l'alta efficienza agli alimentatori. Sebbene sia disponibile un'ampia varietà di regolatori monolitici di buona qualità, ciascuno è progettato per soddisfare le esigenze di applicazioni particolari, piuttosto che le specifiche uniche di un progetto. In alternativa, l'ottimizzazione dell'alimentazione per una particolare applicazione richiede lunghe e costose iterazioni progettuali.

Ciò di cui i progettisti hanno bisogno è un'interfaccia basata sul web con un fornitore di alimentatori che permetta loro di configurare il progetto di alimentazione con i parametri prestazionali necessari e quindi di farselo spedito una volta che il progetto è approvato.

Questo articolo descrive uno di questi processi di progettazione quando si utilizzano moduli di alimentazione configurabili. In particolare, l'articolo descriverà come si possono utilizzare il kit di valutazione (EK) e il software basato sul web di MPS per accelerare il processo di progettazione di un convertitore c.c./c.c. semplice o più avanzato.

Primi passi nella progettazione di convertitori c.c./c.c.

È del tutto possibile progettare un regolatore di tensione a commutazione step-down (buck) partendo da zero e con un numero relativamente basso di componenti. Ad esempio, un progetto di base comprende un transistor - usato essenzialmente come diodo di commutazione - un diodo, un induttore, un condensatore attraverso l'uscita e un altro attraverso l'ingresso. Tuttavia, per una soluzione pratica, saranno probabilmente necessari diversi elementi aggiuntivi, tra cui un riferimento di tensione, un amplificatore di errore, un comparatore, un oscillatore e un driver di commutazione. Ma pochi ingegneri scelgono questa strada che parte dai componenti discreti, perché è disponibile una gamma così ampia di regolatori di tensione in c.c./c.c. monolitici altamente integrati, collaudati ed economici.

Spesso è più facile selezionare un regolatore da un fornitore affermato in base ai requisiti della specifica, come la tensione di ingresso e di uscita, la massima corrente di carico e il massimo ripple di tensione, con fattori come l'efficienza, la risposta ai transitori e la risposta in frequenza che entrano in gioco per i progetti avanzati. Anche se i produttori di chip offrono una gamma impressionante di soluzioni che soddisfano la maggior parte delle specifiche, è impossibile che riescano a fornire un dispositivo perfettamente adatto ad ogni eventualità. Questo lascia un po' di lavoro al progettista.

La quantità di lavoro dipende dal grado di integrazione della soluzione monolitica, ma un tipico punto di partenza per un progetto a bassa corrente (sotto i 10 A) è un chip che integra il controller a modulazione della larghezza di impulso (PWM), gli elementi di commutazione (transistor di potenza MOSFET) e i diodi di bypass, lasciando al progettista il compito di specificare l'induttore esterno, i condensatori di bypass e altri componenti passivi necessari per i circuiti di filtraggio di ingresso ed uscita.

Anche se vi sono molte informazioni su come procedere nella progettazione di un alimentatore basato su un regolatore monolitico, rese disponibili dai produttori e da altre fonti (comprese le letture consigliate di seguito), si tratta comunque di un processo complicato e noioso che comporta calcoli e diversi cicli di prototipazione hardware per capire il comportamento pratico del circuito teorico, per poi regolarlo in modo da soddisfare con precisione le specifiche.

Con i suoi moduli di alimentazione configurabili, MPS offre un percorso alternativo a questo processo di progettazione dell'alimentatore, oneroso in termini di tempo.

Introduzione ai moduli di alimentazione configurabili

Al centro del modulo di alimentazione configurabile mEZDPD3603A di MPS vi è un convertitore buck ad alta frequenza, sincrono, raddrizzato, con un'interfaccia di controllo I²C, memoria ROM multipagina programmabile una sola volta (OTP) e 3 A di corrente di uscita continua. Il convertitore integra MOSFET di potenza high-side e low-side, reti di compensazione e un divisore di feedback. Il livello della tensione di uscita, la velocità di variazione della tensione, la frequenza di commutazione, l'abilitazione e le modalità di risparmio energetico sono programmabili tramite un'interfaccia I²C, che consente al progettista di ottimizzare ogni uscita.

Il funzionamento in modalità di corrente offre risposta veloce ai transitori e semplifica la stabilizzazione dell'anello. La protezione completa comprende blocco di sottotensione (UVLO), protezione da sovracorrente (OVP), protezione da sovratensione (OCP) e protezione da sovratemperatura (OTP).

Il modulo mEZDPD3603A aggiunge a questo convertitore buck quasi tutti i componenti periferici necessari per un progetto funzionante (Figura 1).

Figura 1: Schema interno del modulo mEZDPD3603A di MPS. Al progettista non resta che specificare i valori dei condensatori di ingresso (C_IN) e di uscita (C_OUT). (Immagine per gentile concessione di MPS)

Per completare un progetto di alimentatore con regolatore buck c.c./c.c. completamente funzionante, al progettista basta aggiungere i condensatori di ingresso (C_IN) e di uscita (C_OUT). Quando si progetta da zero, il calcolo del valore di questi condensatori non è semplice e viene influenzato dalla tensione di uscita, dal carico, dal ciclo di lavoro e dal ripple di tensione (vedere l'articolo tecnico DigiKey "La selezione del condensatore è fondamentale per la buona progettazione di un regolatore di tensione"). Ma nel caso del modulo di MPS, il produttore ha calcolato i valori per il progettista. La selezione finale è influenzata solo dalla tensione di uscita (Figura 2 e Tabella 1).

Figura 2: In un circuito applicativo tipico mEZDPD3603A di MPS, R2 è utilizzato per impostare l'indirizzo I²C per consentire l'identificazione di più moduli in un sistema. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Tabella 1: I valori consigliati sono mostrati per il circuito applicativo della Figura 2 per varie tensioni di uscita. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Se l'alimentatore deve essere impiegato in un prodotto soggetto a severe normative sulle interferenze elettromagnetiche (EMI), il condensatore di ingresso può essere sostituito con un circuito di filtraggio L-C composto da tre condensatori e un induttore. (Per ulteriori informazioni sulla progettazione di circuiti di filtraggio di ingresso e uscita, vedere l'articolo tecnico DigiKey "Uso di regolatori a commutazione a basse EMI per ottimizzare i progetti di alimentazione ad alta efficienza"). Il valore di questi componenti dipende ancora una volta dalla tensione di uscita, e ancora una volta il produttore ha fornito le risposte. (Figura 3 e Tabella 2)

Figura 3: Il circuito applicativo mEZDPDD3603A di MPS con filtraggio EMI per la norma EN55022 Classe B. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Tabella 2: Valori dei componenti consigliati per il circuito applicativo sopra per le varie tensioni di uscita. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Il modulo ha un intervallo della tensione di ingresso tra 4,5 e 36V e un'uscita tra 0,6 e 12 V. La precisione della tensione è ±1% e la regolazione della linea e del carico (V_IN = 24 V, V_OUT = 5 V) è ±1%. La corrente massima è fino a 3 A e il ripple della tensione di uscita (V_IN = 24 V, V_OUT = 5 V, a pieno carico) è di 30 mV. La Tabella 3 riassume i dati relativi alle prestazioni e all'efficienza del modulo, mentre V_OUT per vari valori di efficienza e corrente di carico è mostrata in Figura 4.

Tabella 3: Parametri prestazionali mEZDPDD3603A di MPS (Immagine per gentile concessione di MPS)

Figura 4: Valori di efficienza di mEZDPDD3603A di MPS, V_IN = 24 V e V_OUT = 3,3 V, 5 V e 12 V. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Kit di valutazione del modulo di alimentazione configurabile

Poiché il modulo di MPS include un circuito logico digitale, le sue prestazioni operative possono essere modificate modificando i parametri software. L'accesso ai parametri avviene tramite l'interfaccia I²C del modulo, da dove è possibile interrogare e modificare le impostazioni nella RAM del dispositivo. Una volta raggiunta l'impostazione ottimale desiderata, la memoria ROM OTP consente di memorizzare permanentemente le impostazioni.

MPS fornisce strumenti hardware e software per supportare la progettazione con i moduli di alimentazione configurabili. Lo strumento principale è il kit di valutazione hardware PKT-MEZDPD3603A. Questo kit di 64 x 64 mm comprende condensatori di ingresso e di uscita (e un filtro EMI opzionale), più un connettore nel quale è inserito il modulo di alimentazione configurabile. Una volta collegato il modulo, è necessario collegare al kit un carico appropriato e un alimentatore che fornisca la tensione di ingresso desiderata (tra 4,5 e 36 V) (Figura 5).

Figura 5: Il kit di valutazione configurabile del modulo di alimentazione comprende una presa per il modulo e richiede un'alimentazione e un carico esterni. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Il kit richiede anche il collegamento a un PC per consentire la configurazione dal software Virtual Bench V3.0 di MPS. L'azienda fornisce un dongle da USB (PC) a I²C (kit) per questo scopo. Un cavo USB collega il dongle al PC e un cavo a nastro da 10 pin lo collega al kit sull'altro capo. L'interfaccia I²C del kit si collega direttamente ai pin I²C del modulo e consente la configurazione dal PC (Figura 6).

Figura 6: Il kit del modulo di alimentazione configurabile richiede un alimentatore, un carico e un collegamento a un PC tramite dongle USB-I²C. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Programmazione del modulo di alimentazione

Una volta collegato l'hardware al PC (con Windows XP, 7 o versione successiva) e installato Virtual Bench V3.0 sul computer, lo sviluppatore ha due opzioni: "Simulation & Program" (che permette di eseguire la configurazione su un simulatore software piuttosto che sull'hardware del kit) e "Direct Programming Mode". La discussione seguente si concentra sull'opzione di programmazione diretta perché permette allo sviluppatore di configurare direttamente il modulo al centro dell'hardware del kit.

Sono due le configurazioni disponibili da Virtual Bench V3.0: Basic e Advanced. Nella configurazione di base, lo sviluppatore può leggere le impostazioni esistenti per la tensione di uscita (V), il valore dell'induttore (in µH), la frequenza di commutazione (in kHz) e la modalità operativa (es., corrente di picco). Lo sviluppatore può quindi apportare modifiche a queste impostazioni, programmare la RAM del modulo con i valori rivisti e accendere il modulo per verificare l'impatto delle modifiche sulle sue prestazioni.

Allo stesso modo, nella scheda Advanced, il progettista può interrogare e modificare le impostazioni per parametri prestazionali più dettagliati, sotto i seguenti raggruppamenti:

• Light-Load mode: le modalità disponibili sono Advanced Asynchronous Modulation (AAM) e Forced Continuous Current Mode (CCM). AAM ottimizza l'efficienza del convertitore in condizioni di basso carico o a vuoto, mentre CCM forzato mantiene costante la frequenza di commutazione con un minor ripple di uscita (ma è meno efficiente di AAM a basso carico).
• Compensation: queste impostazioni modificano la risposta in frequenza del regolatore che determina la risposta ai transitori , la precisione e la stabilità del dispositivo e, a sua volta, la sua capacità di mantenere una tensione di uscita impostata al variare della tensione di ingresso, del carico e del ciclo di lavoro. Una buona compensazione porta a un'alimentazione stabile su un ampio campo di frequenze, ma non è sovracompensata e quindi la sua risposta dinamica è scadente.
• Switching: queste impostazioni modificano la velocità di salita e discesa della tensione mentre il regolatore commuta, così come il tempo e l'ampiezza del dithering della frequenza. La velocità di variazione e il dithering sono entrambi importanti per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche.
• VIN/EN Threshold: queste impostazioni determinano i limiti di soglia (e l'isteresi) della tensione di ingresso UVLO e del funzionamento EN.
• Power Good: queste impostazioni determinano le soglie in salita superiore e inferiore e l'isteresi di "Power Good".
• SS Time: impostazione per l'avvio graduale. L'avvio graduale impedisce al regolatore di sovraccaricare l'ingresso quando si attiva l'uscita.
• Protection: queste impostazioni permettono al progettista di implementare le modalità di protezione e le soglie come corrente di picco, OVP e OTP (Figura 7).

Figura 7: L'interfaccia grafica di Virtual Bench di MPS include la programmazione avanzata del modulo configurabile per ottimizzarne le prestazioni in base alle specifiche del progettista. (Immagine per gentile concessione di MPS)

Dopo che il progettista ha selezionato le impostazioni migliori per l'applicazione, le informazioni vengono scritte nella RAM incorporata del modulo. Lo sviluppatore può quindi eseguire il kit sotto vari carichi per verificarne le prestazioni. È semplice modificare le impostazioni e riscriverle in RAM per ottimizzare le prestazioni dell'alimentatore.

Poiché la RAM è volatile, una volta spento il modulo, le impostazioni vanno perse. Al riavvio, il modulo si avvia con le impostazioni di fabbrica. È possibile esportare le informazioni in RAM su Virtual Bench prima di spegnere il modulo per riferimento futuro.

Una volta determinate le impostazioni ottimali, il progettista può poi programmarle nella ROM OTP in modo che vengano mantenute allo spegnimento e utilizzate all'avvio successivo. Il kit permette di sperimentare ulteriormente le impostazioni tramite l'interfaccia I²C e la RAM, ma dopo il primo utilizzo della ROM non è possibile salvare altre impostazioni.

Conclusione

Mentre è disponibile un'ampia gamma di eccellenti regolatori di tensione monolitici, il progettista deve ancora fare molto lavoro per sviluppare e testare i circuiti periferici che ottimizzano le prestazioni del progetto per una particolare applicazione. Combinando un progetto hardware completo in un modulo con logica digitale programmabile, i moduli programmabili configurabili di MPS facilitano e accelerano questo ciclo di progettazione.

Come mostrato, un kit di valutazione combinato con un'interfaccia grafica basata su PC semplifica la configurazione e il progettista può scegliere impostazioni di base come la tensione o la corrente di uscita e lasciare il resto ai valori predefiniti in fabbrica oppure impegnarsi nella progettazione più avanzata del convertitore di commutazione per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche e la risposta ai transitori, massimizzando al contempo la stabilità e l'efficienza.

Una volta approvato il progetto finale, le quantità di produzione del modulo possono essere fornite non programmate per la configurazione da parte del cliente a partire dai dati del prototipo, oppure, se le informazioni di configurazione sono fornite a MPS, i moduli possono essere programmati in fabbrica e forniti pronti per l'uso.

Letture consigliate

1. La selezione del condensatore è fondamentale per la buona progettazione di un regolatore di tensione.
2. Uso di regolatori a commutazione a basse EMI per ottimizzare i progetti di alimentazione ad alta efficienza.
3. Capire la risposta dell'anello di controllo di un regolatore a commutazione.
4. Progettare reti di compensatori per migliorare la risposta in frequenza dei regolatori a commutazione.
5. La differenza tra le modalità continua e discontinua di un regolatore a commutazione e perché è importante.