Conversione di potenza robusta per ambienti difficili

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Gli ambienti presenti in autocarri, automobili e attrezzature pesanti sono molto difficili per qualsiasi tipo di dispositivo per la conversione di potenza: ampi intervalli delle tensioni di funzionamento, unitamente a transitori di grande intensità e notevoli escursioni della temperatura, rendono complesso il progetto di sistemi elettronici affidabili. Complicando ulteriormente i vari aspetti del progetto, alcune applicazioni richiedono che il dispositivo per la conversione di potenza sia installato sotto il cofano e che quindi tolleri temperature elevate. Al tempo stesso, mentre aumenta il numero di componenti elettronici, continua a diminuire lo spazio disponibile, per cui diventa cruciale che la conversione sia eseguita con elevata efficienza.
Ne consegue che per offrire affidabilità, i regolatori Cc/Cc a commutazione per autocarri devono funzionare in un’ampia gamma di tensioni d’ingresso. Una tensione d’ingresso nominale di 60 V assicura un buon margine per un impianto a 12 V nominali, che in genere impiega un circuito di clamping nell’intervallo fra 36 V e 40 V. Le applicazioni a doppia batteria, spesso presenti in ambienti sia di autocarri che di attrezzature pesanti, richiedono una tensione di funzionamento ancora più alta a causa della tensione nominale della batteria, ora uguale a 24 V. La maggior parte di queste impiegano un circuito di clamping a 58 V, per cui in genere una tensione nominale di 60 V è sufficiente. Il circuito di clamping contro le sovratensioni presente nelle automobili e negli autocarri è necessario per limitare la tensione transitoria causata dalla tensione di kickback induttivo generata dal motorino d’avviamento, che sarebbe molto più alta se non si ricorresse al clamping. Nel veicolo vi sono molti sistemi elettronici che richiedono di essere alimentati ininterrottamente anche quando il motore non è in funzione, come il sistema di aperture delle porte con telecomando, il Gps e l’antifurto. È essenziale che sistemi di questo tipo, “sempre accesi”, siano dotati di un convertitore Cc/Cc con bassa corrente di riposo per massimizzare l’autonomia della batteria quando si trovano in una modalità di sospensione. In tali circostanze, il regolatore funziona in una normale modalità di commutazione continua finché la corrente di uscita non scende sotto una soglia predeterminata di circa 30-50° ; sotto di questa, il regolatore deve passare a uno stato di funzionamento a corrente di riposo inferiore per ridurre la corrente assorbita a valori di decine di microampere, riducendo quindi la potenza assorbita dalla batteria, il che a sua volta ne prolunga l’autonomia.


Controller a commutazione
A causa della limitata disponibilità di convertitori Cc/Cc in grado di funzionare con ingresso a 60 V, alcuni progettisti hanno fatto ricorso a una topologia basata su trasformatore o a driver esterni ad alto livello per ottenere il funzionamento sino a 60 V, mentre altri hanno impiegato un convertitore a bus intermedio, che richiede un ulteriore stadio di alimentazione. Entrambe queste soluzioni aumentano la complessità del progetto e nella maggior parte dei casi riducono l’efficienza complessiva. Tuttavia, l’LTC3892 proposto da Linear Technology è l’ultimo componente di una famiglia sempre più ampia di controller a commutazione in discesa in grado di funzionare con ingresso di 60V e di far fronte a molti dei problemi fondamentali sollevati da applicazioni automotive e di autocarri già delineate. I modelli LTC3892/-1 sono controller CC/CC in discesa sincroni a doppia uscita e alta tensione che assorbono solo 29 o 34 µA quando, rispettivamente, una sola uscita o entrambe sono attivate e funzionando in modalità di regolazione. L’intervallo di tensioni di alimentazione da 4,5 a 60 V è concepito per proteggere contro transitori ad alta tensione, assicurando il funzionamento ininterrotto durante un avviamento del motore a freddo o lo scollegamento del carico e per accettare un’ampia gamma d’ingressi e di composizioni chimiche delle batterie. Ciascuna uscita può essere impostata da 0,8 V sino al 99% di VIN a correnti di uscita di oltre 20 ampere con efficienza altissima - fino al 96% - per cui i dispositivi sono adatti per applicazioni in autocarri, automobili e attrezzature pesanti a 12 o 24 V. L’LTC3892/-1 funziona a frequenza costante, selezionabile da 50 kHz a 900kHz, e può essere sincronizzato con un clock esterno nell’intervallo di frequenza da 75kHz a 850kHz. L’utente può scegliere tra il funzionamento continuo, a salto di impulsi e Burst Mode a basso ripple in presenza di carichi leggeri. Il funzionamento a due fasi dell’LTC3892/-1 riduce i requisiti di capacità e filtri in ingresso. La sua architettura in modalità di corrente offre agevole compensazione dell’anello, veloce risposta al transitorio, funzionamento a frequenza costante, eccellente regolazione di linea e facile condivisione della corrente con fasi inserite in parallelo per ottenere corrente più alta. La rilevazione della corrente di uscita viene ottenuta misurando la caduta di tensione ai capi della resistenza dell’induttore di uscita per ottenere la massima efficienza o utilizzando un resistore di rilevazione opzionale ai fini di una precisione elevata. L’LTC3892 è la versione completa e si distingue dall’LTC3892-1 offrendo due segnali indicatori della funzionalità dell’alimentazione, limite di corrente regolabile e scelta della tensione di uscita costante: 3,3V o 5V. È disponibile in un contenitore Qfn-32 di 5 x 5 mm, mentre l’LTC3892-1 è disponibile in un contenitore Tssop-28. Vengono proposte quattro versioni per il funzionamento a diversi intervalli di temperatura: da –40 a +125°C per applicazioni industriali ed “extended”, da –40 a +150°C per il settore automotive e da –55°C a +150°C per impieghi militari.

Funzionamento in modalità di burst
L’LTC3892/-1 può essere abilitato per il funzionamento in varie modalità: Burst Mode ad alta efficienza, a salto di impulsi a frequenza costante o conduzione continua a basse correnti di carico. Quando è configurato per il funzionamento in modalità di burst e durante una condizione di carico leggero, il convertitore genera per un tempo brevissimo alcuni impulsi per mantenere costante la tensione di carica sul condensatore di uscita; successivamente si disinserisce e passa a una modalità di sospensione, nella quale la maggior parte dei suoi circuiti interni è inattiva. Il condensatore di uscita fornisce la corrente di carico e quando la tensione ai suoi capi scende a un livello programmato, il convertitore si reinserisce generando la corrente necessaria per ripristinare la tensione di carica; il disinserimento della maggior parte dei suoi circuiti interni riduce notevolmente la corrente di riposo, contribuendo a prolungare l’autonomia della batteria in un sistema “sempre acceso” quando il sistema non è in funzione. Nella modalità di burst il ripple di uscita è indipendente dal carico, per cui varia solo la durata degli intervalli di sospensione. Nella modalità di sospensione, molti dei circuiti interni sono disinseriti eccetto quelli cruciali, necessari per una risposta veloce, riducendo ulteriormente la corrente di riposo. Quando la tensione di uscita si riduce sufficientemente, il segnale di sospensione va a livello basso e il controller ritorna al normale funzionamento in modalità di burst portando allo stato On il Mosfet esterno superiore. Alternativamente, vi sono casi in cui l’utente desidera il funzionamento in modalità di conduzione continua o a salto di impulsi a frequenza costante a basse correnti di carico. Entrambe queste modalità sono configurabili agevolmente ma presentano corrente di riposo maggiore e ripple di uscita picco-picco inferiore. Inoltre, durante il funzionamento in conduzione continua o sincronizzato con una sorgente di clock esterna, la corrente dell’induttore può invertirsi a carichi leggeri o a transitori di notevole intensità. Il funzionamento in conduzione continua ha il vantaggio di un ripple di tensione in uscita inferiore ma comporta una corrente di riposo maggiore.

Protezione e sicurezza
Ciascun canale ha un comparatore di sovratensione che protegge sia da eccessive tensioni transitorie sia da altre condizioni più gravi che potrebbero causare sovratensioni all’uscita. Quando la tensione al pin VFB1, 2 aumenta più del 10% oltre il punto di regolazione di 0,800 V il Mosfet superiore e quello inferiore vengono portati, rispettivamente, allo stato On e allo stato Off finché la condizione di sovratensione non è stata eliminata. La protezione veloce e precisa contro il limite di sovracorrente è essenziale in un alimentatore ad alta tensione. Quando la tensione di uscita scende a meno del 70% del valore nominale, si inserisce il limitatore di corrente con foldback, riducendo gradualmente il limite della corrente di picco proporzionalmente alla gravità della condizione di sovracorrente o cortocircuito.

Efficienza e driver del Mosfet
L’LTC3892/-1 è dotato di efficienti driver di gate del Mosfet a canale N incorporato da 1,1Ω che riducono al minimo i tempi di transizione e le perdite di commutazione. La tensione di comando del gate può essere programmata da 5V a 10V per consentire l’uso di Mosfet a canale N a livelli standard o logici per massimizzare l’efficienza. Grazie all’elevata corrente di pilotaggio disponibile, è possibile comandare più Mosfet in parallelo per applicazioni a correnti maggiori. L’uscita di 8,5 V produce un’efficienza altissima – sino al 98%; anche alla tensione di 3,3 V l’efficienza è superiore al 90%. Inoltre, grazie al funzionamento Burst Mode questo progetto assicura ancora un’efficienza superiore al 75% per ciascuna uscita con un carico di 1 mA.

Risposta al transitorio rapida
L’LTC3892 impiega un veloce amplificatore operazionale – la larghezza di banda è pari a 25 MHz – per la retroazione di tensione. Unitamente alle elevate frequenze di commutazione e alle basse induttanze, quest’ampia larghezza di banda consente un’altissima frequenza di crossover del guadagno e quindi è possibile ottimizzare la rete di compensazione per ottenere una risposta al transitorio del carico rapidissima.

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