L’isolamento nei convertitori Dc/Dc è un requisito legato principalmente a ragioni di sicurezza e si traduce nella necessità di interrompere la continuità elettrica tra la sorgente di energia e il carico. Scopo primario è evitare che la persona fisica, ad esempio l’operatore di un macchinario, o il paziente collegato a un sistema medicale, venga a contatto con un potenziale che possa metterne a rischio l’incolumità. Un secondo motivo per cui ricorrere all’isolamento riguarda l’integrità dei segnali. L’isolamento è molto diffuso in applicazioni industriali quali il controllo di processo o i sistemi di acquisizione dati, in cui un’unità di controllo è connessa a vari sensori e attuatori remoti e a un’interfaccia utente. In questi casi l’interruzione di ground loop consente di mantenere sotto controllo i disturbi di modo comune e quindi preservare la qualità dei segnali in gioco, e questo è particolarmente importante quando si hanno circuiti di elaborazione analogica ad elevata sensibilità. Inoltre esistono sistemi i cui riferimenti si trovano a potenziali diversi e pertanto una connessione diretta farebbe fluire una corrente incontrollata con possibile danneggiamento dei circuiti. Altri esempi sono forniti da sistemi di potenza ad alta tensione in cui la parte di controllo a bassa tensione viene protetta mediante l’isolamento galvanico.
Convertitori Isolati
In un convertitore Dc/Dc isolato generalmente si utilizza un trasformatore di tensione per trasferire la potenza tra le due sezioni isolate. Mutuando la terminologia dal trasformatore parleremo di primario per intendere la sezione cui è connessa la sorgente e di secondario per quella connessa al carico. Un convertitore Dc/Dc è fondamentalmente uno stabilizzatore di tensione e pertanto è necessario disporre di una qualche forma di controllo che attraversi la barriera di isolamento. A seconda di come viene realizzato il feedback si identificano due diverse architetture, quella con controllo a primario e quella con controllo a secondario. In Fig. 1 vengono schematizzate le due architetture, quella tradizionale, in cui il controllore Pwm si trova sul primario, l’altra con il Pwm sul secondario. Ci sono pro e contro per le due architetture, e presenteremo un’architettura mista che, preservando il meglio delle due, tende ad eliminare i problemi di ciascuna. Il controllo a primario deve la sua grande popolarità principalmente alla semplicità della configurazione. Come si può osservare in Fig. 1, l’architettura prevede sul primario una cella di potenza per il pilotaggio del trasformatore e un controllore Pwm; passando al secondario abbiamo una cella che realizza la rettificazione della tensione Ac in uscita al trasformatore ed un filtro per estrarre la componente Dc. La rete di reazione prevede l’impiego di una tensione di riferimento e di un amplificatore d’errore, e per chiuder il loop si utilizza un foto accoppiatore, che trasmette il segnale analogico attraverso la barriera d’isolamento. Questa configurazione, nella sua semplicità ed economicità, presenta due problemi. Il primo è legato all’utilizzo dell’accoppiatore ottico, un dispositivo con banda limitata, bassa precisione, e soggetto a degrado delle caratteristiche elettriche col tempo. È noto infatti che il Ctr (Current transfer ratio) presenta notevoli variazioni al variare delle condizioni ambientali e col tempo, andando così a modificare il guadagno d’anello del convertitore e con esso alcuni parametri fondamentali del convertitore. Uno dei parametri maggiormente condizionati da un dispositivo a banda limitata è la capacità di risposta ai transitori, come possono essere variazioni improvvise della tensione di ingresso o del valore del carico. Il secondo problema è legato al fatto che le funzioni legate all’uscita del convertitore, che devono comunicare con il controllore Pwm, devono anch’esse superare la barriera d’isolamento. Molte di queste funzioni sono di fatto requisiti imprescindibili per i convertitori Dc/Dc moderni, e includono: protezione di overvoltage, limitazione della corrente al carico, pilotaggio di rettificatori sincroni, sincronizzazione della frequenza di switching con clock provenienti dal carico, sequenze di accensione delle varie alimentazioni, tracking, shutdown da remoto lato secondario e connessione parallela delle tensioni e condivisione del carico. Dovendo gestire un numero così elevato di funzioni attraverso la barriera d’isolamento, il controllo a primario diventa inadeguato, ed è pertanto necessario ricorrere a una nuova architettura.Spostare il controllore Pwm a secondario consente di risolvere molti di questi problemi. Questa architettura presenta ancora la cella di potenza per il pilotaggio del trasformatore sul primario, dove si trova anche un driver per gli switch che riceve i segnali di pilotaggio dalla parte secondaria. Sul secondario abbiamo il blocco di rettificazione, che adesso può essere di tipo sincrono, il filtro e il controllore Pwm, a diretto contatto con il carico e con i circuiti analogici rappresentati dall’amplificatore d’errore e dal riferimento di tensione. Il loop di reazione si chiude trasmettendo attraverso la barriera d’isolamento il segnale modulato in durata. Non abbiamo più quindi un optocoupler, con tutte le sue limitazioni, ma un trasformatore. La tensione ausiliaria serve per alimentare il controllore Pwm per il tempo necessario alla salita della tensione secondaria. Una cosa che balza immediatamente all’occhio è l’aumentata complessità del circuito. Un’architettura di questo tipo può ancora andar bene per un alimentatore stand alone, come quelli da rack. Tuttavia, con i livelli di integrazione attuali l’alimentazione viene vista come un unico sistema con il carico, e spesso risiede sulla stessa scheda. Da qui nasce la necessità di disporre di soluzioni integrate, che riducano gli ingombri, e che allo stesso tempo abbiano un’elevata efficienza per minimizzare le problematiche termiche.
Controllori Pwm Isolati
L’ADP1074 è un controllore Pwm isolato di tipo Forward con rettificazione sincrona e Active Clamp. Appartiene a una famiglia di controllori Pwm isolati recentemente annunciati da Analog Devices, che comprende anche l’ADP1071 e l’ADP1072, entrambi per topologie Flyback. La novità di questa famiglia è che integra la tecnologia iCoupler per la trasmissione dei segnali attraverso la barriera d’isolamento, consentendo di eliminare i problemi tipici dell’isolamento ottico, ovvero degrado del Ctr con la temperatura e nel tempo e banda passante limitata. Il rating di isolamento è pari a 5kV come da specifica UL1577. Uno degli obiettivi che si è voluti raggiungere con questi dispositivi è la compattezza, raggiungibile mediante l’integrazione. La struttura è un multi-die, con una sezione di ingresso, una sezione dedicata all’isolamento, ed una sezione d’uscita. Tutti i circuiti fondamentali sono contenuti all’interno del dispositivo, per cui il progetto, oltre a beneficiare della riduzione degli ingombri, risulta semplificato. A beneficiarne è anche l’affidabilità; due sono i fattori che concorrono all’aumento dell’affidabilità, il numero ridotto di componenti e l’utilizzo della tecnologia iCoupler. Il range della tensione di ingresso va da 4,7 a 60 V, la tensione di uscita può andare da 4,5 a 36 V. La potenza di uscita è stata pensata per un range che va da 30 a 150 W. Ciò lo rende indicato per generare bus di tensione a livelli intermedi in applicazioni industriali e per telecomunicazioni.
Tra le caratteristiche principali c’è l’attenzione al rendimento. L’Active Clamp è una tecnica che consente di recuperare l’energia immagazzinata nel primario del trasformatore, e contemporaneamente realizzare una sorta di soft switching, in cui il Mosfet sul primario viene acceso con tensione prossima allo zero, andando così a ridurre le perdite di commutazione. Un altro vantaggio riguarda le emissioni elettromagnetiche, che risultano ridotte rispetto a una configurazione hard switching. La rettificazione sincrona, sul lato secondario, consente di eliminare le perdite dovute alla caduta diretta dei diodi, andando così a ridurre le perdite per conduzione. Uno dei parametri critici della rettificazione sincrona è la sincronizzazione delle aperture e chiusure degli switch. Per evitare cortocircuiti si introduce un tempo morto nel comando. La scelta del tempo morto dipende da molti fattori, non ultimo dai parassitismi introdotti dagli elementi del circuito e dal Pcb. Questo parametro, nell’ADP1074, è programmabile tramite una resistenza, così da fornire al progettista la massima flessibilità. Sempre nell’ottica di massimizzare l’efficienza il dispositivo dispone di una funzione Llm (Light load mode) programmabile. È possibile controllare il Dc/Dc converter in current mode. Il current mode, per una topologia Forward, ha una serie di benefici. Innanzitutto la cella di potenza ha una risposta dinamica non più del secondo ordine ma del primo; diventa così più semplice il dimensionamento della rete di feedback per la stabilità del sistema. Il sistema diventa inoltre intrinsecamente limitato in corrente, in quanto il picco della corrente viene tenuto sotto controllo ad ogni ciclo. Infine si evita la saturazione del trasformatore, che porterebbe a transitori nella tensione di uscita o interventi della protezione di over current. Le fasi di accensione sono regolate tramite dei soft start. Il soft start è programmabile sia in ingresso che in uscita. In uscita è compatibile con carichi che presentino già una tensione ai propri capi. È possibile anche prevedere il tracking della tensione di uscita con altre tensioni secondarie. Sul lato protezione, abbiamo già detto del controllo ad ogni ciclo del picco di corrente, dovuto al current mode. Il dispositivo fornisce anche una protezione contro il corto circuito. Altri circuiti di protezione comprendono l’undervoltage, con isteresi, sia in ingresso che in uscita, la protezione di overvoltage in uscita e una protezione contro il surriscaldamento. L’undervoltage in ingresso può essere utilizzato come enable di precisione. È inoltre possibile programmare il duty cycle massimo. La frequenza di funzionamento è compresa nel range da 50 a 600 kHz, ed è possibile sincronizzare questa frequenza con altre presenti nel sistema. Completano il dispositivo altre funzioni come un’uscita Power Good, lo shutdown o il reset da remoto. Il dispositivo integra anche un voltage reference di elevata precisione, migliore dell’1% nel range di temperatura da -40 a +85 °C. L’ADP1074 consente di realizzare una struttura mista tra le due architetture con controllo a primario e controllo a secondario, preservandone le caratteristiche principali e ovviando ad alcuni dei problemi tipici delle due architetture. La struttura del Dc/Dc converter è molto semplificata, con pochi componenti esterni. Con questo dispositivo si è voluti venire incontro alle esigenze dei progettisti che devono ricorrere a soluzioni compatte e allo stesso tempo semplici da realizzare, senza dover venire a compromesso sulle prestazioni.
