L’elettronica installata nei veicoli moderni richiede un’alimentazione stabile e affidabile, in grado di operare in una vasta gamma di temperature (nel settore automotive in genere sono comprese tra -40 °C e +125 °C). Occorre pertanto ridurre la tensione della batteria ai consueti valori di 1,2, 1,5V, 1,8 , 2,5 , 3,3 o 5 V. A causa della dipendenza dei dispositivi discreti dai valori di tensione e temperatura, non sempre una soluzione a discreti consente di raggiungere risultati soddisfacenti. Per questo motivo solitamente si utilizzano regolatori switching Dc/Dc o Ldo. I regolatori Ldo (Low Drop Out) sono adatti soprattutto per le applicazioni in cui si deve compensare una piccola differenza tra la tensione di ingresso e di uscita.
Cosa fanno i regolatori Ldo
Gli Ldo fanno parte della famiglia dei controllori lineari (regolatori con una funzione lineare tra ingresso e uscita) e convertono una tensione di ingresso Dc in una tensione di uscita Dc inferiore predefinita. La tensione di uscita rimane stabile anche in presenza di tensioni di ingresso variabili purché la tensione di ingresso sia maggiore di quella di uscita. Rispetto ai regolatori switching Dc/Dc, gli Ldo hanno circuiti più semplici e comportano costi inferiori e livelli di rumore più bassi. Ogni regolatore di tensione lineare forma un circuito costituito da una tensione di riferimento interna (amplificatore di errore), un partitore di tensione di feedback e un pass transistor. In questo caso la corrente di uscita viene fornita attraverso un ‘pass element’ controllato dall’amplificatore di errore che confronta la tensione di riferimento e la tensione di feedback dell’uscita. Quando la tensione di feedback è inferiore al riferimento, l’amplificatore di errore aumenta la regolazione in modo da aumentare la tensione di uscita. Se la tensione di feedback è maggiore della tensione di riferimento, l’amplificatore di errore riduce la corrente che passa attraverso il transistor per diminuire la tensione di uscita. Per impostare la tensione di uscita sul valore nominale, i regolatori lineari richiedono una tensione di ingresso minima che corrisponde alla tensione di uscita nominale più la minima caduta di tensione. La potenza persa causata dalla caduta di tensione deve essere dispersa per via termica attraverso il package. Per questo motivo gli Ldo vengono usati solo per basse correnti e con differenze di tensione limitate tra ingresso e uscita, corrispondenti a tensioni di caduta altrettanto limitate. La dissipazione di potenza consentita dipende sia dal package sia dal circuito stampato quindi, nella fase di progettazione del circuito, è essenziale calcolare con precisione la perdita di potenza, tenendo conto della perdita di potenza ammessa, della temperatura ambiente e delle caratteristiche della scheda (dimensioni, area del foglio di rame, ecc.).
Aspetti importanti del progetto
Un altro importante aspetto del progetto è la capacità di operare con tensioni di alimentazione basse. Se la tensione di ingresso è inferiore al valore minimo richiesto, il regolatore lineare non riesce più a regolare la tensione di uscita al valore di riferimento. In questo contesto l’avviamento a freddo è uno dei problemi posti dalle auto moderne: nel momento in cui si avvia il motore si verifica una caduta di tensione nel sistema che comunque non deve causare alcuna anomalia. Una terza importante caratteristica di cui tener conto in fase di sviluppo del progetto, oltre ad una ridotta potenza dissipata e alla tensione di alimentazione minima, è la velocità di commutazione. Come spiegato in precedenza, ogni regolatore di tensione lineare è dotato di un circuito di controllo integrato che però impiega un determinato tempo per adattarsi ad eventuali variazioni del carico. Durante l’accensione e quando la tensione aumenta, il regolatore lineare cerca di fornire la corrente di uscita massima al condensatore di uscita per portare la tensione di uscita sul valore target. Una volta raggiunta la tensione di uscita nominale, il circuito del regolatore impiega qualche microsecondo per reagire. Durante questo tempo il condensatore continua a essere caricato, per cui la tensione di uscita aumenta. In presenza di variazioni del carico si verificano inevitabilmente delle variazioni di tensione o overshoot che, tuttavia, vanno ridotti il più possibile con la commutazione del regolatore: questo fenomeno è definito "High Speed Load Response". L’importanza di questo aspetto diventa evidente esaminando la potenza richiesta da dispositivi elettronici sofisticati come le Mcu. A seconda delle condizioni operative, si evidenziano notevoli differenze: si va da meno di 1 mA in standby a più di 100 mA durante il funzionamento. Nonostante queste variazioni di carico, non dovrebbero verificarsi fluttuazioni significative della tensione che potrebbero provocare anomalie quali accensioni o spegnimenti imprevisti dei dispositivi. Per compensare tali fluttuazioni ed evitare qualsiasi rischio si può optare per un aumento della capacità di uscita. Il condensatore di uscita diventa quindi indispensabile per la stabilità del regolatore lineare. La capacità dei condensatori ceramici può diminuire a causa delle variazioni di temperatura o della polarizzazione Dc. Quindi è molto importante scegliere il condensatore adatto: in fase di sviluppo i progettisti devono assicurarsi di determinare correttamente il valore e il tipo di condensatore di ingresso e uscita. Infine le prestazioni degli Ldo dipendono in gran parte anche dal layout del circuito stampato. Un buon progetto può migliorare le prestazioni, ma un progetto scadente può influire sulla stabilità di funzionamento del regolatore e provocare diversi problemi. Il condensatore di uscita va posizionato il più possibile vicino all’uscita del regolatore e sullo stesso lato. Il condensatore di ingresso deve essere abbastanza vicino all’ingresso del regolatore. Dal layout della scheda, ne consegue anche il comportamento termico. Oltre a buon collegamento termico occorre prevedere un’adeguata area di raffreddamento in base alla potenza dissipata. Altre fonti di calore dovrebbero essere collocate il più lontano possibile dal regolatore.
Le principali funzioni di protezione
Certamente, nonostante l’implementazione di accorgimenti volti a minimizzare potenziali malfunzionamenti, delle anomalie possono comunque verificarsi, per questo è importante che il circuito preveda anche alcune funzioni di protezione. Se necessario, un limitatore di corrente deve ridurre la corrente di uscita. In caso di cortocircuito o di condizioni di carico estremo, il regolatore viene forzato a fornire rapidamente una corrente di uscita molto elevata. Per proteggere da eventuali danni sia l’applicazione sia il regolatore, il circuito limita la corrente di uscita su un valore massimo consentito mediante una limitazione costante oppure mediante un cosiddetto limitatore di corrente con "foldback". Lo svantaggio di quest’ultimo è che, una volta risolto il problema, sull’uscita non si riesce a raggiungere la tensione originale. Grazie a questo accorgimento, insieme alla funzione di spegnimento del regolatore in caso di surriscaldamento (funzione normalmente integrata e attiva se la temperatura supera i 125 °C, che causa lo spegnimento del dispositivo e la sua riaccensione quando il sistema si è raffreddato), nella maggior parte dei casi è possibile prevenire eventuali danni all’IC e ai circuiti periferici. Un’altra fonte di pericolo è rappresentata dai picchi elevati di tensione che vengono generati dai carichi induttivi (ad es. avvolgimenti del motore o cablaggi lunghi). Per garantire una protezione adeguata nell’ambiente automotive, Rohm Semiconductor utilizza transistor robusti e diodi di protezione. Un ulteriore condensatore di ingresso può assorbire un eventuale aumento di tensione sul pin di ingresso. Se la tensione di ingresso supera un determinato valore, il regolatore provvede a ridurre la massima corrente di uscita; d’altro canto però, in presenza di una tensione di ingresso molto elevata, il regolatore non riesce più a fornire tutte la corrente di uscita. Un altro problema è dovuto alle tensioni inverse che si verificano durante lo spegnimento. In genere per bloccare tali tensioni si utilizzano diodi esterni che, però, rendono la soluzione più grande e più complessa. Alcune funzioni di scarica intelligenti e integrate possono contribuire a ridurre al minimo le tensioni inverse e a garantire un funzionamento stabile anche in fase di accensione e di spegnimento. Anche per questo i nuovi Ldo DMOS di Rohm Semiconductor utilizzano un amplificatore ad alte prestazioni insieme a una compensazione di fase ottimizzata per ottenere un’efficace soppressione della tensione (anche oltre i 70dB).
Diverse opzioni di package
Esaminando le funzioni sopra citate è evidente che, alla fine, occorre sempre trovare un compromesso quando si parla di applicazioni destinate al settore automotive. La scelta del modello di Ldo dipende dal grado di priorità che si intende dare a diversi fattori, tra cui tempi di risposta rapidi, bassi consumi, un progetto robusto con circuiti di protezione ad ampio raggio e costi contenuti. Per questo è necessaria una gamma di dispositivi Ldo sufficientemente vasta e pin-to-pin compatibile. Inoltre, per le applicazioni automotive occorre anche un’ampia disponibilità di package: per gli ambienti difficili servono package robusti, in grado di garantire prestazioni elevate, mentre per le applicazioni con elevata densità di montaggio sono più adatti i package compatti. La nuova linea Rohm di 16 Ldo qualificati Aec-Q100 (BD4xxMx e BD7xxLx) soddisfa tutte queste esigenze ed è ottimizzata per le applicazioni automotive. I dispositivi sono realizzati con innovativi processi BiC-Dmos da 0,35-micron e si basano su tecniche di progettazione analogica specifiche che consentono di dimezzare il consumo di corrente di riposo in assenza di carico rispetto ad altri prodotti standard . Il basso consumo di corrente sul carico garantisce una perdita di potenza inferiore e buoni risultati in termini di risparmio energetico. Inoltre l’amplificatore di potenza con circuito di compensazione di fase integrato e ottimizzato offre una migliore soppressione del rumore (fino a 70 dB), eliminando la necessità di un condensatore per filtraggio. Anche il Mosfet a canale P nello stadio di uscita contribuisce a ridurre il consumo rispetto ai dispositivi bipolari tradizionali. Tenendo sotto costante controllo la corrente di uscita, una funzione di risparmio energetico è in grado di passare da una condizione di risposta rapida a una di bassa Iq (corrente di riposo), creando una combinazione tra commutazione ad alta velocità e basso consumo. Il design ottimizzato di questi dispositivi comporta anche che sia necessaria unicamente una capacità esterna compresa tra 1 e 10 uF per fornire una tensione di uscita stabile, senza fluttuazioni e oscillazioni. Al posto di grandi condensatori elettrolitici esterni si possono utilizzare piccoli condensatori ceramici che occupano poco spazio e costano meno. I circuiti di protezione integrati assicurano la completa affidabilità dei dispositivi. La protezione contro le sovracorrenti e la funzione di spegnimento termico integrata riducono al minimo la corrente erogata in presenza di anomalie (es. cortocircuiti), proteggendo l’IC e i circuiti periferici. La funzione integrata di scarica rende superfluo l’uso di diodi di blocco esterni, evita la generazione di tensioni inverse in fase di spegnimento e viene garantita la stabilità di funzionamento all’avvio. Infine la stabilità della tensione fornita è garantita anche in presenza di notevoli variazioni di carico o di tensioni di ingresso con ampie fluttuazioni.
