Uso dei convertitori a montaggio superficiale per soddisfare i requisiti dell'alimentazione c.a./c.c. e c.c./c.c. isolata e non isolata

Un moderno sistema di distribuzione dell'energia elettrica richiede spesso una sofisticata combinazione di convertitori di potenza c.a./c.c. e c.c./c.c. isolati e non isolati. I convertitori isolati sono necessari principalmente per la protezione dei sistemi e degli utenti in caso di guasti singoli o multipli; sono inoltre necessari per alimentare sottofunzioni isolate per mantenere l'integrità del segnale.

In linea di principio, è possibile progettare agevolmente un convertitore di potenza da bassa a moderata (fino a circa 1000 W) utilizzando circuiti integrati sofisticati, con diverse architetture che offrono vari compromessi in termini di prestazioni. Tuttavia, la realtà dello sviluppo e della convalida di questi convertitori è molto diversa. È necessario soddisfare almeno una serie di requisiti funzionali e prestazionali di base, quali valori nominali di tensione e corrente di uscita, efficienza, risposta ai transitori, dimensioni fisiche e protezione dai guasti di linea, carico e alimentazione.

La sfida progettuale non si limita però ai requisiti base. Esistono elenchi di obblighi normativi che riguardano, tra le altre cose, la sicurezza, l'efficienza a diversi livelli di carico, le prestazioni di spegnimento, le prestazioni termiche, nonché le emissioni e la suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche. Questi attributi devono essere verificati da un laboratorio di test certificato, il che allunga in modo significativo i tempi di progettazione. La semplice opzione fai-da-te diventa velocemente molto rischiosa e ci si rende presto conto che acquistare è nettamente più conveniente rispetto a creare.

Basti pensare, ad esempio, che il convertitore deve essere dotato anche di isolamento galvanico. Si tratta di un requisito comune per quasi tutti i convertitori c.a./c.c. ed è necessario anche per alcuni convertitori c.c./c.c.. Questa esigenza introduce nuovi obblighi normativi, di sicurezza e di certificazione, spostando ulteriormente l'ago della bilancia verso la decisione di acquistare piuttosto che creare, indipendentemente dalle dimensioni della fornitura.

La buona notizia è che i convertitori di potenza isolati e non isolati per montaggio su scheda sono disponibili in un'ampia gamma di tensioni e correnti nominali. Questi dispositivi semplificano notevolmente la progettazione e l'implementazione di prodotti per applicazioni nei settori della difesa, delle comunicazioni, di test e misurazione (modelli isolati) e della robotica mobile (modelli non isolati) e possono essere utilizzati in combinazione per la distribuzione di energia.

In quanto componenti drop-in, possono essere posizionati sulla scheda a circuiti stampati principale in una posizione ottimizzata per i rail di distribuzione dell'alimentazione. Inoltre, non necessitano di supporti o staffe discreti. In sintesi, forniscono alimentazione come una soluzione completa a telaio chiuso pronta all'uso.

Principi base dell'isolamento

L'isolamento galvanico è una barriera elettrica che impedisce la formazione di un percorso conduttivo ("ohmico") tra due lati di un percorso di segnale o di alimentazione. Tuttavia, questo isolamento deve comunque consentire il passaggio di energia e potenza utilizzando altri metodi di trasferimento. A seconda del progetto, potrebbe essere necessario l'isolamento per i segnali, per l'alimentazione o per entrambi. Le tecniche utilizzate per implementare l'isolamento dipendono dalle caratteristiche specifiche del flusso di corrente che si desidera isolare.

L'isolamento potrebbe essere necessario per diversi motivi. Per quanto riguarda i segnali, l'isolamento può migliorare l'integrità dei sensori, eliminare gli anelli di massa o proteggere gli utenti e i circuiti nel caso di guasti che consentano il passaggio di corrente nei percorsi del segnale.

Per quanto riguarda invece l'alimentazione, l'isolamento è necessario principalmente per garantire la sicurezza degli utenti e prevenire scosse elettriche derivanti dal contatto accidentale con linee di alimentazione c.a. o con alimentazione c.c. ad alta tensione. Supporta inoltre le esigenze dei circuiti "flottanti" (nessuna collegamento alla messa a terra) utilizzati per segnali non di potenza.

In generale, l'isolamento è un metodo per instradare il flusso di corrente secondo la legge delle correnti di Kirchhoff. Perché possa fluire una corrente, deve esserci un percorso di ritorno alla sorgente e il ruolo dell'isolamento è proprio quello di interrompere questo percorso. In uno scenario di potenziale folgorazione, l'intero percorso della corrente di guasto attraverso l'utente e di ritorno a terra (Figura 1, a sinistra) viene interrotto dal trasformatore di isolamento nella fonte di alimentazione (Figura 1, a destra).

Figura 1: Per prevenire la folgorazione, il percorso della corrente di guasto attraverso l'utente e di ritorno a terra (a sinistra) viene interrotto dal trasformatore di isolamento nella fonte di alimentazione (a destra). (Immagine per gentile concessione di Lumen Learning)

Prendiamo ad esempio uno scenario comune di potenziale folgorazione: a causa dell'isolamento logoro, un cavo di alimentazione sotto tensione entra in contatto diretto con l'involucro metallico dell'elettrodomestico. Anche se l'apparecchio può ancora funzionare come previsto, l'utente potrebbe subire una scossa elettrica se il collegamento a massa si interrompe (come spesso accade) e la corrente di guasto scorre verso terra attraverso l'utente anziché in modo sicuro attraverso il filo di messa a terra.

Per gestire questo rischio, la funzione di isolamento nell'alimentatore interrompe il percorso della corrente tra la sorgente di tensione originale e il dispositivo. In questo modo si evita che si formi un circuito tra di essi, eliminando così il rischio di scosse elettriche nonostante il guasto del cablaggio.

Si noti che le tensioni rischiose includono sia la tensione di linea c.a. sia tensioni c.c. comparabili, come quelle delle batterie multicella. La maggior parte degli standard normativi definisce pericolose le tensioni superiori a circa 60 V, a seconda della situazione e del tipo di tensione.

L'isolamento dell'alimentazione viene quasi sempre realizzato ricorrendo all'accoppiamento magnetico tramite un trasformatore. L'accoppiamento magnetico è elettricamente efficiente, tecnicamente efficace, molto flessibile, altamente affidabile e facilmente adattabile per soddisfare sia i requisiti normativi che quelli dei circuiti.

Le ragioni di tante buone scelte

Nella pianificazione della distribuzione dell'energia elettrica non mancano certo le opzioni architetturali, poiché i sistemi moderni utilizzano numerosi rail di alimentazione. Tuttavia, la scelta del convertitore di potenza giusto può essere difficile quando alcune parti di un circuito devono essere isolate mentre altre parti non richiedono l'isolamento o non devono averlo.

Ci sono casi in cui un rail di alimentazione c.a./c.c. o c.c./c.c. ad alta tensione non necessita di isolamento, ma l'isolamento è necessario più avanti nella catena di distribuzione dell'energia. Tra le decisioni che i progettisti devono prendere c'è se utilizzare un'unica alimentazione isolata più grande o molteplici alimentazioni più piccole, e se utilizzare un'alimentazione isolata solo dove necessario e alimentazioni non isolate altrove (Figura 2).

Figura 2: Un sistema completo di distribuzione dell'energia a livello di sistema richiede spesso una combinazione di convertitori di potenza c.a./c.c. e c.c./c.c. isolati e non isolati. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

Per soddisfare questi requisiti, TDK-Lambda offre un'ampia gamma di convertitori di potenza step-down/step-up (buck/boost) isolati e non isolati per montaggio su scheda a copertura di molti valori nominali di tensione e corrente di ingresso/uscita. Ecco alcuni esempi:

C.a./c.c. isolato: PFE500F-28/T è un convertitore a uscita singola da 28 V/18 A per ingresso da 85 a 265 V c.a.. È dotato di isolamento da ingresso a uscita da 3000 V c.a. in un modulo full-brick a telaio chiuso di 122 × 70 × 12,7 mm per l'uso in ambienti in cui il raffreddamento a convezione o ad aria forzata non è attuabile.

C.a./c.c. non isolato: PF1500B-360, anche questo un modulo full-brick a telaio chiuso, converte l'ingresso c.a. in un'uscita regolata a 360 V c.c. per l'uso in sistemi di distribuzione dell'energia elettrica che utilizzano convertitori c.c./c.c. ad alta tensione isolati oppure carichi che richiedono una sorgente ad alta tensione. I limiti di impiego sono 1512 W con ingresso da 170 a 265 V c.a. e 1008 W con ingresso da 85 a 265 V c.a.. Il modulo ha un fattore di potenza di 0,98 e un'efficienza fino al 96,5%.

C.c./c.c. isolato: il convertitore c.c./c.c. isolato GQA2W024A050V-007-R fornisce 120 W in un ingombro compatto quarter-brick e ad alte prestazioni, con un isolamento da ingresso a uscita fino a 3000 V c.c.. Funziona su un intervallo di ingresso da 9 a 36 V e fornisce 5 V a 24 A. È disponibile in più configurazioni meccaniche: con piastra base, a telaio chiuso e incapsulato (Figura 3), supportando il raffreddamento a convezione e a conduzione tramite una piastra fredda esterna o un dissipatore di calore.

Figura 3: Per offrire ai progettisti la massima flessibilità per il contenitore complessivo e il raffreddamento del convertitore, il dispositivo GQA2W024A050V-007-R è disponibile in più configurazioni di contenitore. (Immagine per gentile concessione di TDK-Lambda)

C.c./c.c. non isolato: il convertitore c.c./c.c. a punto di carico (PoL) non isolato I6A24014A033V-003-R è particolarmente adatto per la creazione di rail di tensione di uscita ad alta corrente da un alimentatore da 12 o 24 V c.c.. Ha un intervallo di ingresso da 9 a 40 V, eroga fino a 14 A e offre un ampio intervallo di regolazione dell'uscita da 3,3 a 24 V in un contenitore compatto sixteenth-brick.

Conclusione

TDK Lambda offre convertitori per montaggio su scheda isolati e non isolati per una varietà di topologie e di specifiche di tensione di ingresso e di uscita. Il risultato è un set ottimizzato di convertitori di serie ad alte prestazioni in grado di soddisfare un'ampia gamma di configurazioni di potenza.