DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE

Consigli pratici per gli utenti

DC/DC Book of Knowledge di RECOM è un'introduzione dettagliata alle varie topologie di convertitore c.c./c.c., agli anelli di retroazione (analogici e digitali), strumentazione di test e misurazione, protezione, filtraggio, sicurezza, affidabilità, driver a corrente costante e applicazioni c.c./c.c. Il livello è necessariamente tecnico, ma fruibile anche da parte di progettisti e studenti.

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Anni e anni di impegno

Quando abbiamo introdotto il nostro primo convertitore c.c./c.c. oltre 25 anni fa, non era ancora stato pubblicato molto materiale tecnico sul tema, né esistevano molte norme internazionali a cui rifarsi. Era ormai tempo di comunicare alcune informazioni pratiche sulle applicazioni ai nostri clienti che ci avevano sollecitato ad aggiungere semplici Note applicative in appendice al nostro primo catalogo prodotti pubblicato. Il contenuto di queste linee guida è cresciuto con gli anni, di pari passo con l'ampliarsi della nostra esperienza. Sebbene questi appunti siano sempre a carattere "rudimentale", sono stati ben accolti dai nostri clienti e oggi si presentano in un quaderno di 70 pagine di Note applicative scaricabile dal nostro sito.

Nel corso degli anni i progressi della tecnologia dei semiconduttori e la tendenza verso un'elettronica digitale altamente integrata hanno ridotto la base di conoscenza delle tecniche analogiche in molti laboratori di progettazione, università e scuole tecniche. I progetti dei circuiti analogici tradiscono spesso la mancanza di conoscenze pratiche, soprattutto relativamente alle tecniche applicate, ai test e alla misurazione oltre che alla comprensione del filtraggio e della soppressione del rumore. Pertanto, essendo degli esperti in materia, abbiamo avvertito l'esigenza di redigere un manuale tecnico più completo che potesse essere usato come riferimento sia dai progettisti hardware che dagli studenti.

Informazioni sull'autore

Steve Roberts, Technical Director di RECOM, ha un'esperienza pluriennale ed è attivo su più fronti: risponde alle domande dei clienti, aiuta nello sviluppo, tiene presentazioni nei seminari, scrive articoli e realizza anche video YouTube.

La funzione di qualsiasi modulo convertitore c.c./c.c. o c.a./c.c. è quella
di soddisfare uno o più dei seguenti requisiti:
  • Abbinare il carico secondario all'alimentazione primaria
  • Fornire isolamento tra il circuito primario e il secondario
  • Fornire protezione dagli effetti di guasti, cortocircuiti o surriscaldamento
  • Semplificare la conformità con le norme sulla sicurezza, le prestazioni e le emissioni elettromagnetiche

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 1

Introduzione alla regolazione della tensione

Introduzione alla regolazione della tensione

Figura 1.1: Regolatore lineare a 3 pin - Diagramma a blocchi e piedinatura

I moderni convertitori c.a/c.c. sono studiati per offrire una conversione efficiente dell'alimentazione al fine di produrre un'alimentazione c.c. controllata, sicura e ben regolata per numerosi strumenti, dispositivi e sistemi elettronici. Non è passato molto tempo da quando la tecnologia principale nella conversione dell'alimentazione era rappresentata da un trasformatore, un raddrizzatore e un regolatore lineare, ma così come il LED sta lentamente sostituendo la lampadina tradizionale, il convertitore c.c./c.c. sta gradualmente soppiantando il regolatore lineare e il controller di commutazione sul lato primario sta sostituendo il semplice trasformatore di rete a 50 Hz.

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Indice
  • 1.1 Regolatori lineari
  • 1.2 Regolatori a commutazione

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 2

Anelli di retroazione

Anelli di retroazione

Figura 2.9: Forma d'onda di instabilità subarmonica

Alcuni dei criteri di progettazione più importanti nel progetto di conversione di potenza c.c./c.c. sono i calcoli e le metodologie che entrano in gioco nella compensazione dell'anello di retroazione. Se i parametri dell'anello di retroazione non sono calcolati correttamente, il convertitore può presentare instabilità e problemi di regolazione. La funzione dell'anello di retroazione in un convertitore c.c./c.c. è quella di mantenere l'uscita a un valore fisso rispetto unicamente a un valore di riferimento, ossia indipendentemente dalle variazioni del carico, della tensione d'ingresso o delle condizioni ambientali.

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Indice
  • 2.1 Introduzione
  • 2.2 Progetto a circuito aperto
  • 2.3 Progetto a circuito chiuso
  • 2.4 Compensazione dell'anello di retroazione
  • 2.5 Compensazione della pendenza
  • 2.6 Analisi della stabilità del circuito in sistemi a retroazione digitale e analogica

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 3

Comprendere i parametri della scheda tecnica

Comprendere i parametri della scheda tecnica

Figura 3.1: Metodi di misurazione

Ogni produttore che si rispetti fornisce una scheda tecnica a corredo del proprio prodotto, in cui sono riportati quanto meno i parametri operativi di base, le dimensioni generali e la piedinatura, ma per confrontare un convertitore c.c./c.c. con un altro facendo affidamento unicamente alle informazioni contenute nella scheda tecnica spesso è richiesta una capacità interpretativa e non un semplice confronto dei numeri.

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Indice
  • 3.1 Metodi di misurazione - Caratteristiche c.c.
  • 3.2 Metodi di misurazione - Caratteristiche c.a.
  • 3.3 Comprensione dei parametri termici

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 4

Protezione del convertitore c.c./c.c.

Protezione del convertitore c.c./c.c.

Figura 4.2: Protezione dall'inversione di polarità con diodo in serie

Come ricordato nella prefazione, una delle funzioni di un convertitore c.c./c.c. è quella di proteggere l'applicazione. Al livello più semplice, questa protezione consiste nell'abbinare il carico all'alimentazione primaria e nello stabilizzare la tensione di uscita rispetto alle sovratensioni e sottotensioni in ingresso, ma un convertitore c.c./c.c. è anche un elemento importante per la protezione del sistema dai guasti. Ad esempio, la protezione da cortocircuito e la limitazione del sovraccarico sull'uscita non si limita ad arrestare il convertitore.

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Indice
  • 4.1 Introduzione
  • 4.2 Protezione dall'inversione di polarità
  • 4.3 Fusibile in ingresso
  • 4.4 Protezione da sovratensione sull'uscita
  • 4.5 Protezione da sovratensione sull'ingresso
  • 4.6 Cali e interruzioni di tensione
  • 4.7 Limitazione della corrente di inserzione
  • 4.8 Limitazione del carico
  • 4.9 Blocco di sottotensione

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 5

Filtraggio di ingresso e uscita

Filtraggio di ingresso e uscita

Figura 5.1: Schema delle interferenze generate dai convertitori c.c./c.c.

Tutti i convertitori c.c./c.c. presentano tensione di ripple di uscita a causa della carica e della scarica del condensatore di uscita in concomitanza con gli impulsi di energia dall'oscillatore interno. Il ripple sull'uscita ha una frequenza pari o doppia rispetto alla frequenza di oscillazione principale, in base alla topologia, ed è tipicamente tra 100 e 200 kHz. Sovrapposti a questa tensione di ripple troviamo picchi di tensione di commutazione con frequenza più alta nell'ordine dei MHz.

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Indice
  • 5.1 Introduzione
  • 5.2 Corrente di ripple riflessa
  • 5.3 Filtraggio dell'uscita
  • 5.4 Filtraggio totale

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 6

Sicurezza

Sicurezza

Figura 6.4: Distanza minima in aria e distanza di isolamento

Gli obiettivi principali delle varie norme e regolamentazioni sulla sicurezza sono di impedire incidenti con lesioni anche mortali o danni alla proprietà tramite la definizione dei livelli di protezione contro i seguenti possibili pericoli: elettrocuzione (detta anche folgorazione o scossa elettrica), trasferimento di energia pericolosa, fumo e incendio, lesioni fisiche, pericoli da radiazioni o chimici. I termini "pericolo" e "rischio" vengono spesso utilizzati come sinonimi.

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Indice
  • 6.1 Elettrocuzione (scossa elettrica)
  • 6.2 Trasferimento di energia pericolosa
  • 6.3 Sicurezza "inerente"
  • 6.4 Sicurezza intrinseca
  • 6.5 Rischio di lesioni
  • 6.6 Progettazione mirata alla sicurezza
  • 6.7 Sicurezza nelle apparecchiature medicali

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 7

Affidabilità

Affidabilità

Equazione 7.1: Calcolo del tasso di guasti

Quasi fin dall'avvento dell'elettronica, per l'utente si è rivelato essenziale sapere per quanto tempo questi dispositivi avrebbero funzionato correttamente. Dato che nessuno conosce il futuro, sono stati sviluppati dei metodi statistici per prevedere l'affidabilità di componenti, assiemi e dispositivi.

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Indice
  • 7.1 Previsione dell'affidabilità
  • 7.2 Fattore di stress ambientale
  • 7.3 Utilizzo dei valori MTBF
  • 7.4 MTBF dimostrato
  • 7.5 MTBF e temperatura
  • 7.6 Progettazione mirata all'affidabilità
  • 7.7 Considerazioni sull'affidabilità del layout della PCB
  • 7.8 Affidabilità dei condensatori
  • 7.9 Affidabilità dei semiconduttori
  • 7.10 ESD
  • 7.11 Induttori

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 8

Caratteristiche del LED

Caratteristiche del LED

Figura 8.4: Stringa di LED

La prima regola in guerra è: "Impara a conoscere il tuo nemico". Lo stesso principio vale per i dispositivi di illuminazione allo stato solido (SSL): se non siamo in grado di capire il comportamento dei LED, non dobbiamo sorprenderci se la nostra applicazione non funzionerà. I LED sono dispositivi non lineari. Se si applica una bassa tensione a un LED non si ha conduzione.

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Indice
  • 8.1 Pilotaggio dei LED con corrente costante
  • 8.2 Alcune fonti di correnti costanti c.c.
  • 8.3 Collegamento di LED in stringa
  • 8.4 Collegamento di stringhe di LED in parallelo
  • 8.5 Bilanciamento della corrente dei LED in stringhe in parallelo
  • 8.6 Stringhe in parallelo o matrici in griglia: qual è la soluzione migliore?
  • 8.7 Dimmeraggio dei LED
  • 8.8 Riduzione della potenza termica
  • 8.9 Riduzione della potenza in funzione della temperatura
  • 8.10 Compensazione della luminosità
  • 8.11 Alcuni spunti per circuiti che utilizzano driver RCD

DC/DC Book of Knowledge: Capitolo 9

Idee per applicazioni c.c./c.c.

Idee per applicazioni c.c./c.c.

Figura 9.5: Convertitori in cascata utilizzati per il monitoraggio delle condizioni delle batterie

Molte applicazioni richiedono l'impiego di convertitori c.c./c.c. Sono così tante che si ritiene che il mercato mondiale supererà i 35 miliardi di dollari entro il 2020. Tuttavia per molti progettisti di circuiti, i convertitori c.c./c.c. sono come una "scatola nera", un componente atto solo a prestare una data funzione come qualsiasi altro componente, tipo un induttore o un transistor.

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Indice
  • 9.1 Introduzione
  • 9.2 Inversione di polarità
  • 9.3 Duplicatore di potenza
  • 9.4 Combinazione di regolatori a commutazione e convertitori c.c./c.c.
  • 9.5 Collegamento di convertitori
  • 9.6 Aumento dell'isolamento
  • 9.7 Pulizia del rail di alimentazione a 5 V
  • 9.8 Utilizzo del pin CTRL
  • 9.9 Utilizzo del pin Vadj.

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