I raddrizzatori sincroni migliorano l'efficienza dell'alimentazione elettrica, se controllati in modo efficace

Sappiamo tutti che i moderni dispositivi elettronici con processori più veloci, più memoria e maggiore larghezza di banda richiedono più energia. Al contempo, il mercato esige alimentatori più piccoli. Per fornire più potenza in contenitori più piccoli è necessario incrementare l'efficienza energetica. Tale incremento richiede a sua volta una riduzione delle perdite di potenza, il che significa ripensare i fondamenti della progettazione stessa.

Vediamo dove si verificano le perdite e cosa si può fare per contenerle. Utilizzeremo come esempio un alimentatore flyback (Figura 1). Il convertitore flyback attiva e disattiva un transistor a effetto di campo (FET).

Figura 1: Un convertitore flyback di base attiva e disattiva un FET. In figura, sono mostrate le relative forme d'onda di corrente e tensione. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Quando il FET è acceso, la corrente (I_P) scorre nel primario dell'induttore accoppiato. In questo modo si crea il campo magnetico nell'induttore. Quando il FET è spento, a causa del collasso del campo nell'induttore, la corrente secondaria (I_O) scorre nel secondario, attraverso il diodo, fino al filtro di uscita e al carico. Oltre alla potenza persa nel circuito di clamp, vengono riscontrate perdite nell'induttore accoppiato, nella commutazione dinamica e nella conduzione nel FET e nel diodo di uscita. Tutte queste perdite devono essere valutate, ma in questo articolo ci concentreremo su quelle di conduzione nel diodo di uscita.

Quando il diodo di uscita è in conduzione, presenta una caduta di tensione diretta (V_F) che varia con il livello di corrente e con la temperatura (Figura 2).

Figura 2: La caduta di tensione diretta di un tipico diodo Schottky varia con la temperatura e la corrente. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

La caduta di tensione diretta di questo diodo aumenta con l'aumentare della corrente e diminuisce con l'aumentare della temperatura. Per una corrente diretta di 10 A a 25 °C, la caduta di tensione diretta è di circa 420 mV, il che significa che il diodo dissipa 4,2 W. Un modo per ovviare a questa perdita è quello di sostituire il diodo con un FET che viene attivato in momenti appropriati durante il ciclo di commutazione dell'alimentatore. Si tratta di un raddrizzatore sincrono (SR), detto anche raddrizzatore attivo. Quando il FET è attivo, la sua impedenza diretta è principalmente la resistenza (RDSon) del canale FET. CSD18532KCS di Texas Instruments è un FET a canale N con una RDSon di circa 5 mΩ. Confrontando questo FET con il diodo, possiamo vedere i vantaggi dell'approccio SR (Figura 3).

Figura 3: Confronto delle cadute di tensione diretta di CSD18532KCS con un diodo Schottky. I modelli di circuito equivalente illustrano le differenze. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La caduta di tensione diretta del FET a 25 °C è di soli 60 mV con una corrente diretta di 10 A, rispetto alla caduta di 420 mV del diodo. La perdita di potenza è di 0,6 W contro i 4,2 W del diodo, il che rappresenta una riduzione significativa della perdita di potenza e un miglioramento dell'efficienza energetica dell'alimentatore.

Texas Instruments ha fatto un confronto utilizzando la sua scheda di valutazione con uscita isolata da 10 W UCC28740EVM-525. Si tratta di un modulo di alimentazione offline da 10 W che fornisce una regolazione di uscita di tensione e di corrente costanti. Si basa su un convertitore flyback in modalità di conduzione discontinua (DCM). Nel test, sono state misurate la caduta di tensione diretta e la corrente utilizzando raddrizzatori a superbarriera e con SR tramite CSD19531Q5A, un MOSFET a canale N di Texas Instruments (Figura 4).

Figura 4: Confronto delle cadute di tensione diretta e della corrente nello stesso alimentatore utilizzando diodi e raddrizzamento sincrono MOSFET. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Vedere la differenza nelle cadute di tensione diretta dei raddrizzatori è facile. La tensione diretta del raddrizzatore a diodo corrisponde a buona parte di un volt, mentre per l'SR è molto più piccola. I piccoli impulsi rettangolari all'inizio e alla fine della fase di conduzione SR sono dovuti alla conduzione del body diode nel FET. Questi impulsi aumentano le perdite di conduzione ma, data la loro breve durata, hanno un effetto limitato sull'efficienza dell'alimentatore.

L'efficienza dell'alimentatore su un intervallo di correnti di carico mostra il vantaggio del raddrizzatore sincrono rispetto a quelli a diodo più convenzionali (Figura 5).

Figura 5: Confrontando l'efficienza dell'alimentatore su un intervallo di correnti di carico e tensioni di alimentazione, si nota un miglioramento dell'efficienza del 2-3%. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'efficienza del raddrizzatore sincrono è superiore del 2-3% rispetto a quella del raddrizzatore a diodo su un ampio intervallo di correnti di carico. La maggiore complessità dell'implementazione SR può valere il costo.

Implementazione del raddrizzamento sincrono

Il raddrizzamento sincrono ha però uno svantaggio: il FET deve essere pilotato in modo sincrono con le operazioni di commutazione dell'alimentatore. Esistono fondamentalmente due approcci al controllo dei FET utilizzati per SR. Il primo è il controllo autonomo. Questo metodo controlla l'SR utilizzando la tensione secondaria dell'induttore accoppiato, direttamente o tramite un avvolgimento separato. Grazie alla sua semplicità e al numero ridotto di componenti, si tratta di un approccio molto interessante. Tuttavia, questa tecnica non funziona per tutte le topologie di circuito e dipende dal processo di reset dell'induttore accoppiato.

Il secondo è un approccio guidato dal controllo in cui l'SR è controllato dai segnali di pilotaggio del gate del commutatore principale utilizzando un controller del raddrizzatore sincrono, ad esempio UCC24612-1DBVR di Texas Instruments. Questo dispositivo funziona con un'ampia gamma di topologie flyback, quali clamp attivo, quasi risonante (QR), modalità di conduzione discontinua (DCM), modalità di conduzione continua (CCM) e conversione flyback risonante LLC. Utilizza il rilevamento della tensione V_DS per impostare l'intervallo di conduzione del MOSFET mirato a ridurre al minimo la perdita di conduzione. UCC24612-1DBVR funziona con controller in flyback per implementare un maggiore controllo e altre operazioni che migliorano l'efficienza, come i clamp attivi e la commutazione a zero-crossing di tensione.

Conclusione

I raddrizzatori sincroni fanno parte di una serie di tecniche di miglioramento dell'efficienza supportate da dispositivi hardware facilmente reperibili, come UCC24612-1DBVR, che offrono progetti semplici ed economici per risolvere l'esigenza di densità di potenza più elevate.