Raddrizzamento sincrono in sicurezza

I progettisti di alimentatori flyback in genere hanno utilizzato il raddrizzamento con diodo Schottky nello stadio di uscita in virtù della semplicità e del basso costo di questa soluzione. E fino a ieri i progetti con raddrizzatore a diodo si sono dimostrati adeguati nel rispondere alle esigenze di efficienza, particolarmente per uscite a bassa corrente.

Un nuovo requisito del mercato
Tuttavia, mentre i regolatori mirano all’efficienza di funzionamento degli alimentatori compatti impiegati in adattatori/caricabatteria autonomi e come alimentatori polarizzati per applicazioni ad alta potenza, le notevoli prestazioni del raddrizzamento sincrono diventano molto interessanti. Gli smartphone con schermi più grandi e prestazioni molto più alte offrono un esempio eccellente di un dispositivo che richiede un aumento della potenza e specifiche più rigorose sull’efficienza, mentre la sua popolarità cresce in modo esponenziale. La capacità della batteria di uno smartphone è aumentata di oltre il 300% da un valore tipico di 700-900 mA·h, appena alcuni anni fa, a circa 3000 mA·h oggi, mentre per i phablet e i tablet è ancora più alta, andando da 6000 a 10.000 mA·h. Ne sta conseguendo un aumento della corrente nominale dell’alimentatore – fino al 400% in alcuni casi – da USB a 5 watt (5 V, 1 A) per gli adattatori tradizionali sino a 10-20 watt (5 V, 2-4 A) per i dispositivi a carica rapida. Oltre alla corrente e alla potenza maggiori, nuove rigorose norme sull’efficienza, come quella statunitense Doe-6 e quella europea CoC V5 Tier 2 hanno ora creato un’esigenza pressante di efficienza molto più elevata. Questa combinazione di requisiti - potenza e prestazioni superiori, dimensioni ridotte e bassa temperatura al tatto sulle superfici esterne, mentre occorre pure soddisfare le nuove norme sull’efficienza - ha complicato le implementazioni dei raddrizzatori con diodo Schottky sia in termini di prestazioni che in termini di costo.

Il diodo Schottky rispetto al raddrizzatore sincrono
I diodi Schottky in genere hanno una caduta di tensione diretta compresa fra 0,4 e 0,5 V per cui in un’uscita standard di 5 V il solo diodo Schottky può causare un’attenuazione della potenza sino al 10%. Si può utilizzare il raddrizzamento sincrono per aumentare l’efficienza e ridurre il calore generato eliminando i diodi Schottky, che hanno perdite, e sostituendoli con un Mosfet controllato attivamente, grazie alla bassissima resistenza RDS(on) - minore di 10 mΩ - del Mosfet in conduzione. Quindi la caduta di tensione diretta in un Mosfet per raddrizzamento sincrono può essere di appena 20-40 mV per una corrente di uscita di 2-4 A. In applicazioni ad alta corrente, questo rappresenta una drastica riduzione dell’attenuazione di potenza, da 10% per un diodo Schottky a meno di 1 % per un Fet per raddrizzamento sincrono, ossia un miglioramento di un decuplo. Quindi, una tecnica di raddrizzamento sincrono, insieme alla regolazione sul secondario, consente di ottenere miglioramenti delle prestazioni termiche e dell’efficienza. Tuttavia, la complessità e il costo del tradizionale raddrizzamento sincrono ne hanno impedito una diffusione più ampia, limitandolo a progetti complessi e a potenze superiori.

Limitazioni delle tradizionali alternative al raddrizzatore sincrono
La complessità dell’architettura del tradizionale raddrizzatore sincrono è dovuta al fatto che il controllo del sincronismo in tale architettura a Fet è molto difficile. Quando si confrontano raddrizzatori sincroni e asincroni, è importante tenere presente che il Mosfet per raddrizzamento sincrono non è un semplice sostituto del tradizionale diodo Schottky; sono necessari anche complessi circuiti di controllo per rilevare la corrente e quindi comandare il Mosfet all’istante giusto affinché la corrente circoli solo nella corretta direzione. Ogni volta che il Fet del primario va allo stato On prima che il Fet del secondario vada allo stato Off, causa conduzione simultanea sia nel circuito primario che in quello secondario. Questo effettivo cortocircuito sull’avvolgimento primario del trasformatore causa il temuto effetto “shoot-through” che distruggerà il Fet del primario. D’altro canto, non appena il Fet del primario va allo stato Off, c’è un ritardo nel passaggio allo stato On del Fet di raddrizzamento sincrono sul secondario e ne consegue una riduzione dell’efficienza. Quindi i progettisti devono far fronte a un difficile dilemma ed è necessario un notevole aumento della complessità del progetto per risolvere questi problemi. Le tradizionali soluzioni per il raddrizzamento sincrono impiegano un controller separato sul secondario per comandare il Fet, ma il circuito diventa più complesso e costoso e il costo aggiuntivo limita la sua utilizzabilità. Inoltre, con due controller separati questi progetti includono un ritardo, detto “tempo morto”, che assicura un margine e previene sovrapposizioni delle commutazioni dei Mosfet del primario e del secondario (shoot-through) che possono causare correnti di conduzione incrociata che hanno effetti distruttivi. Il Mosfet di raddrizzamento sincrono contiene un diodo intrinseco, parassita che funziona durante questo tempo morto; sfortunatamente, tale diodo presenta anche perdite ed è lento ad andare nello stato di interdizione, per cui anch’esso può ridurre l’efficienza di un ulteriore 1% -2%. Per compensare questa diminuzione dell’efficienza si può inserire in parallelo al Mosfet di raddrizzamento sincrono un piccolo diodo Schottky, che conduce solo durante il tempo morto, così che il diodo intrinseco non conduce mai. Il diodo Schottky utilizzato per questo scopo è più piccolo ed economico del componente necessario per un progetto con raddrizzamento a diodo poiché la corrente media del diodo è bassa; tuttavia ci si può ancora aspettare una riduzione dell’efficienza superiore allo 0,5%. Quindi, sebbene il tradizionale raddrizzamento sincrono abbia alcuni vantaggi ovvi, può essere molto difficile da implementare poiché il sincronismo del segnale che porta allo stato Off il Mosfet è così cruciale. Per ottenere prestazioni ottimali è necessario conoscere con esattezza quando l’interruttore del primario è On e Off. Sebbene lo stato del Mosfet possa essere desunto dall’avvolgimento secondario, questo approccio non offre la precisione necessaria. Se si fa una previsione prudente, ne va a scapito l’efficienza, mentre con una previsione troppo audace, si può verificare lo shoot-through. Ciò pone problemi durante il normale funzionamento ma diventa sempre più difficile garantire che non si verifichi lo shoot-through in condizioni transitorie come cortocircuito all’uscita, avvio, cadute di tensione sulla linea Ca e incrementi del carico.

Un approccio innovativo
Tutto ciò sta per cambiare con la nuova famiglia di circuiti integrati InnoSwitch di Power Integrations. Per la prima volta, gli utenti dispongono di un progetto a prova di shoot-through che offre la semplicità di un solo circuito integrato che controlla completamente sia il Fet del primario che quello del secondario anziché due circuiti integrati separati per il controllo del primario e del secondario con regolazione sul secondario mediante optoaccoppiatori. Questo singolo circuito integrato include un canale di comunicazione digitale a elevatissima larghezza di banda fra i controller del primario e del secondario, denominato Fluxlink, incorporato nel contenitore del dispositivo tramite un accoppiamento magnetico ma senza far ricorso ad alcun nucleo magnetico. Il materiale impiegato per fabbricare il contenitore del circuito integrato non è cambiato. Il controller sul secondario funziona come master, che inizia il processo di commutazione di entrambi i Mosfet, del primario e del secondario, per cui non è necessaria nessuna previsione o deduzione riguardo allo stato dei due Mosfet. Il circuito è a prova di shoot-through poiché i due Mosfet sono controllati in modo deterministico e non vengono mai portati simultaneamente allo stato On. Mediante questa modalità di comunicazione innovativa e quasi istantanea, possibile grazie alla tecnologia FluxLink, il controller sul secondario regola con precisione sia il Mosfet del primario che quello del secondario impiegato per il raddrizzamento sincrono. Il sistema porta i Mosfet allo stato On e Off a intervalli quasi ottimali nell’intera gamma di carichi indipendentemente dalla modalità di funzionamento dell’alimentatore - discontinua o continua e anche in condizioni di guasto. Quindi, l’alimentatore è intrinsecamente sicuro e funziona sempre alla massima efficienza. I circuiti integrati InnoSwitch mantengono anche un isolamento galvanico completo e sono muniti delle certificazioni di sicurezza UL1577 e TÜV60950. Inoltre rispondono al requisito di altitudine di 5.000 metri specificato dal Centro di certificazione della qualità cinese relativo alla dispersione; è stato ottenuto un intervallo di dispersione tra pin e pin di oltre 9,65 mm utilizzando un contenitore a montaggio superficiale personalizzato, progettato appositamente per questa famiglia di circuiti integrati. Poiché sono un componente riconosciuto sicuro, i circuiti integrati InnoSwitch possono essere inseriti nell’area della barriera di sicurezza tra primario e secondario sulla scheda di circuiti stampati, per cui di fatto non occupano alcuno spazio utilizzabile. Inoltre, il progetto consente la rilevazione della tensione di uscita dell’alimentatore mediante un partitore resistivo diretto e semplice, con prestazioni eccellenti in relazione al transitorio del carico, e mantiene il consumo di potenza a vuoto sotto i 10 mW. La rilevazione diretta è importante poiché riduce il volume fisico dei condensatori di uscita necessari, cruciali per progetti che devono adattarsi a dimensioni degli involucri sempre più piccole. Il circuito di misura della corrente di uscita dell’alimentatore in un circuito integrato InnoSwitch è completamente integrato all’interno del contenitore, eliminando del tutto il bisogno di circuiti di rilevazione esterni. Il risultato: densità di potenza e affidabilità superiori, e fabbricabilità migliorata.
Ora si può usare il raddrizzamento sincrono in sicurezza e con affidabilità in caricabatteria a potenza più alta, anche in quelli con uscite di tensione adattative come il Qualcomm Quickcharge 2.0 e il MediaTek PE+. La possibilità di erogare correnti elevate ad alta efficienza rendono inoltre i circuiti integrati InnoSwitch ideali per lo standard Usb-Pd appena annunciato e che richiede supporto per correnti del carico di uscita pari a 3 e 5 A. Riepilogando, i circuiti integrati InnoSwitch combinano il vantaggio della tecnica di raddrizzamento sincrono avanzato con il controllo del secondario e un canale di comunicazione in un solo circuito integrato che risponde ai nuovi requisiti del settore su potenza, prestazioni, densità, affidabilità ed efficienza superiori. Questi vantaggi e, in verità, l’uso dei circuiti integrati InnoSwitch non sono limitati agli adattatori dei telefoni cellulari; questa nuova, potente architettura è utilizzabile anche in qualsiasi applicazione che richieda efficienza maggiore con correnti al secondario più alte (maggiore di 1,5 A).

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