Utilizzo in parallelo dei convertitori Dc-Dc

L’utilizzo di alimentatori in parallelo è una tecnica interessante la cui attuazione può permettere vantaggi nella gestione delle scorte di magazzino, nello stoccaggio, nella condivisione di prodotti, oltre a offrire corrente di uscita supplementare e ridondanza N+1. Tuttavia, deve essere realizzata avendo la comprensione delle possibili topologie di parallelo, e di come la regolazione ad anello chiuso dell’alimentazione verrà mantenuta attraverso più alimentatori.Il modo più ovvio e semplice per mettere alimentazioni in parallelo potrebbe essere semplicemente quello di unire le loro uscite. Generalmente, questo però non funzionerà, dato che ogni alimentatore ha la propria regolazione della tensione di uscita, e quindi non si tratterebbe solo di cercare di mantenere questa regolazione al variare del carico, ma anche di tentare la regolazione nonostante gli anelli chiusi degli altri alimentatori. Ciò vale anche per gli alimentatori che integrino un proprio tradizionale amplificatore di errore e riferimento interni, in cui le differenze parametriche tra alimentatore e alimentatore faranno si che sia sempre uno solo di loro a portare tutto il carico di corrente, mentre tutti i rimanenti alimentatori non porteranno carico alcuno, con la conseguente eccessiva sollecitazione del primo e il potenziale collasso dell’intero ramo di alimentazione. Un modo in cui questa topologia di connessione diretta può funzionare bene è quello in cui uno degli alimentatori venga impostato in modalità a tensione costante e gli altri vengano impostati in modalità a corrente costante ma a una tensione lievemente superiore, tenendo anche conto del fatto che non tutti gli alimentatori consentono la scelta delle modalità di uscita. Gli alimentatori impostati per una tensione di uscita più elevata forniranno una corrente costante in uscita, e ciascuna delle loro tensioni di uscita scenderà fino a coincidere con quella di uscita dell’alimentatore a Cv. Il carico deve assorbire sufficiente corrente per assicurare che gli alimentatori in modalità Cc rimangano in tale modalità. L’approccio a connessione diretta può risultare valido se l’alimentatore è specificamente progettato per supportare tale topologia, o se vi è un singolo amplificatore di errore per singolo anello chiuso che alimenta il segnale di errore di tutti gli altri alimentatori, in modo tale da condividere il carico. Tuttavia, quest’ultimo metodo richiede anche un “bus di ripartizione” per i segnali di controllo dal master agli slave. Un ulteriore approccio aggiunge piccole resistenze ballast in serie all’uscita di ogni alimentatore, per uniformare la distribuzione della corrente del carico tra gli alimentatori nella matrice. Le resistenze ballast creano una certa perdita nella regolazione del carico oltre che dissipare calore, il che degrada l’efficienza del sistema.

Diodi OR-ing

Una soluzione apparentemente semplice a questo problema nella connessione diretta consiste nell’utilizzare un diodo per ogni alimentazione che le colleghi al punto di ingresso comune sul carico: una tecnica comunemente indicata come “diodo OR-ing”. I diodi OR-Ing sono molto efficaci nell’evitare che un alimentatore possa sottrarre corrente dall’uscita condivisa, ma sono generalmente insufficienti per risolvere errori di condivisione tra alimentatori con amplificatori di errore indipendenti. I diodi OR-ing sono generalmente richiesti per alimentatori che agiscano indipendentemente e le cui uscite possano sia originare che sottrarre corrente (funzionamento a due quadranti). L’effetto del parallelizzare direttamente tali alimentatori, senza diodi OR-ing, è peggiorativo rispetto a quanto non accada con alimentatori a singolo quadrante, ed è probabile che si arrivi al sovraccarico immediato di uno o più alimentatori. Inoltre, se i diodi hanno un coefficiente di temperatura negativo per la loro soglia di conduzione, essi faciliteranno un extra-assorbimento di corrente nella matrice. Un modo per minimizzare il problema consiste nell’utilizzare un metodo di rettifica con coefficiente di temperatura positivo. In determinate circostanze, per esempio se uno degli alimentatori ha un Fet o condensatore di uscita in cortocircuito, l’OR-ing può ancora offrire una migliore affidabilità perché i diodi OR-ing disaccoppieranno rapidamente il cortocircuito dal bus di uscita, migliorando l’affidabilità e la robustezza del sistema.

Strategia di controllo

Gli alimentatori generalmente devono essere progettati specificamente per il funzionamento in parallelo al fine di operare in modo affidabile e prevedibile in un array. In un array di alimentatori in parallelo, per poter fornire maggiori livelli di corrente utilizzabili dal carico, è necessario un qualche tipo di strategia di control-loop che si aggiunga nell’uso dell’array. Una diffusa strategia di controllo è quella di raggruppare gli alimentatori con un singolo segnale di controllo in ingresso, controllato a sua volta da un singolo amplificatore di errore, il cui singolo segnale di feedback viene poi distribuito a tutti gli alimentatori nel sistema. Questa strategia offre una eccellente regolazione della tensione di uscita e riduce gli errori di condivisione, ma l’utilizzo di un singolo amplificatore di errore ed un singolo bus di controllo cablato rappresenta un preciso punto di errore, che può costituire un problema per alcuni tipi di sistemi ad alta affidabilità. Inoltre, gli errori parametrici sul guadagno del modulatore possono essere difficili da controllare. Per un approccio a singolo anello di controllo, gli errori di condivisione vengono minimizzati se gli alimentatori sono caratterizzati da una ridotta tolleranza sui loro nodi di controllo di ingresso. Se gli errori di condivisione sono rilevanti, allora la potenza della matrice deve essere ridotta per evitare un sovraccarico di ogni singolo alimentatore nella matrice stessa a causa di squilibri di condivisione, oppure dovranno essere messe in atto contromisure specifiche. Le tecniche per la condivisione di errori risultanti da variazioni part-to-part del control-node includono una regolazione in produzione, per calibrare gli errori, o l’aggiunta di un loop di corrente di controllo locale per ognuno degli alimentatori nella matrice. Il rilevamento della corrente per questi loop locali in genere comporta l’aggiunta di una resistenza di shunt all’alimentatore. Un ulteriore problema per gli alimentatori isolati che hanno i nodo di controllo riferiti al lato primario del convertitore Dc-Dc deriva dal trasmettere l’uscita dell’amplificatore di errore attraverso il limite dell’isolamento da primario a secondario. Le tecniche di isolamento spesso aggiungono costi, richiedono costose schede, e possono avere effetti negativi sull’affidabilità. Una strategia alternativa di anello di controllo che permette ad alimentazioni separate di essere disposte in una matrice parallela, utilizza una linea di carico per emulare il percorso di resistenza del metodo a resistenza ballast. Attuando il cosiddetto metodo “droop share” di condivisione del carico, ogni alimentatore ha un riferimento separato e integra l’amplificatore di errore, ma il riferimento è deliberatamente e linearmente ridotto di una quantità nominale quando la corrente di carico dell’alimentatore aumenta. La parallelizzazione degli alimentatori può avere conseguenze negative sulla risposta ai transienti e sulla regolazione del carico, in particolare per i droop-share array. Tuttavia, può essere utilizzato un loop di controllo esterno attorno alla matrice droop-share per annullare efficacemente il termine di regolazione negativo. L’errore di regolazione statica risultante è identico a quello del caso dell’amplificatore di errore tradizionale, dato che il loop esterno è di per sé un integratore di errore.

La progettazione degli alimentatori

I fornitori di alimentatori possono adottare misure per facilitare la sfida della parallelizzazione. Ad esempio, i convertitori Dc-Dc DCM di Vicor alloggiati in ChiP (Converter housed in Package) sono caratterizzati da una linea di carico a pendenza negativa integrata; quindi, non appena il carico aumenta, il regolatore interno del DCM riduce leggermente la tensione di uscita. Questo agisce efficacemente come nell’approccio con la piccola resistenza ballast ma senza resistenze reali (Fig. 3) e con alcune differenze aggiuntive fondamentali: in particolare la mancanza di calore dissipato nel caso di resistori reali e la risposta dinamica migliorata a causa della mancanza di effetti parassiti derivanti dall’alta frequenza. Ne risulta che qualsiasi variazione istantanea di tensione attraverso i resistori si traduce immediatamente in una corrispondente variazione di corrente. Nel caso dei convertitori DCM, la linea di carico è implementata attraverso una discrete time modulation del convertitore digitale/analogico che crea il riferimento per l’amplificatore di errore. Come risultato, la resistenza che la linea di carico DCM emula, agisce come se avesse un condensatore di rilevante capacità in parallelo. Questa caratteristica uscita di linea di carico consente a più uscite DCM di essere poste direttamente in parallelo, ciascuna con il proprio control-loop dell’amplificatore di errore ancora attivo. La distribuzione della corrente di carico sui DCM nella matrice è idealmente uniforme, in modo tale che DCM paralleli si comportino quindi come un unico DCM ma con una corrente di uscita superiore (Fig. 4). Se uno degli alimentatori subisce un carico superiore, anche la sua temperatura salirà rispetto a quella degli altri, che a sua volta farà sì che la tensione di uscita diminuisca. Dal momento che le tensioni di uscita degli altri DCM paralleli corrisponde a quello dei DCM con carico, le loro uscite seguono le loro linee di carico, aumentando la loro quota di corrente di carico e riportando il circuito in equilibrio. Considerazioni analoghe possono essere applicate anche per i circuiti integrati degli alimentatori che siano destinati a carichi molto piccoli. Ad esempio, l’LT3083, un regolatore lineare low-dropout da 3 A di Linear Technology, supporta il funzionamento in parallelo mediante una resistenza ballast da 10 milliohm posta tra ogni alimentatore e il rail di uscita comune.

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