Regolatori di tensione senza compensazione

Gli alimentatori e i regolatori di tensione tradizionali sono in grado di produrre tensioni di uscita stabili grazie all’integrazione di anelli di controllo con retroazione negativa. Una delle principali problematiche associata a una corretta implementazione della retroazione negativa è garantire la corretta compensazione in frequenza associata alla rete di retroazione. I primi regolatori di tensione impiegavano circuiti analogici per i circuiti di controllo e di retroazione. L’evoluzione tecnologica ha consentito la sostituzione della maggior parte delle funzionalità analogiche degli alimentatori e dei regolatori di tensione con circuiti di natura digitale. L’integrazione dei circuiti digitali ha consentito lo sviluppo di algoritmi di compensazione automatica che hanno permesso di semplificare il lavoro dei progettisti di sistemi di potenza. La compensazione automatica, anche se rappresenta un importante passo in avanti rispetto alle topologie tradizionali, ha alcune limitazioni dovute ai requisiti ai quali devono soddisfare i circuiti per determinare i parametri di compensazione. I più recenti sviluppi nel campo dei controllori dei regolatori di tensione digitali hanno permesso l’implementazione di topologie di tipo “compensation-free”. I progetti di questo tipo assicurano una migliore regolazione della tensione ed eliminano le problematiche associate alla definizione dei parametri di compensazione.

Regolatori analogici

I regolatori di tensione analogici impongono al progettista di determinare i valori dei condensatori e dei resistori di compensazione e quindi saldare questi componenti sulla scheda Pcb. Le operazioni di scelta, posizionamento e modifica dei componenti discreti usati per la compensazione comportano ritardi e rischi nello sviluppo dei progetti di potenza. Alcuni costruttori semplificano il processo di selezione dei componenti di compensazione consentendo di scegliere un singolo resistore e un singolo condensatore per la compensazione. Tale opzione, sebbene semplifichi il compito dell’utente, riduce la possibilità che il comportamento in presenza di transitori della corrente di carico risulti accettabile. In sintesi, la progettazione e la realizzazione di regolatori di tensione analogici richiedono molto lavoro manuale il che comporta costi e rischi indesiderati.

Il wrapper digitale

Nel momento in cui un produttore di circuiti integrati aggiunge un “wrapper” digitale (in pratica un circuito di gestione digitale) a un regolatore di tensione analogico è possibile ottenere alcuni vantaggi per quanto riguarda la configurazione, il controllo e il monitoraggio di alcune caratteristiche dell’alimentatore. L’adozione di regolatori di tensione analogici con wrapper digitale permette di superare le limitazioni e i ritardi associati ai progetti che prevedono l’uso di regolatori di tensione analogici tradizionali, ma non di eliminare i rischi (e i costi) correlati ai componenti di compensazione.

Regolatori digitali

La topologia di un regolatore di tensione digitale può consentire all’utente di configurare, controllare e monitorare l’alimentatore attraverso un’interfaccia software. Numerosi regolatori di tensione digitali sono progettati in modo tale da consentire all’utilizzatore di selezionare i coefficienti dei termini Pid (proporzionale, integrale, derivativo), invece dei componenti fisici, per la compensazione dell’anello di retroazione del regolatore di tensione. Con queste topologie, i rischi e i ritardi associati alle operazioni di saldatura di condensatori e resistori di compensazione discreti vengono eliminati poiché i coefficienti Pid sono immessi e modificati come funzioni software. Le tecniche di compensazione tramite software permettono di eliminare molti dei rischi e dei ritardi connessi alla saldatura dei componenti anche se il progettista deve possedere conoscenze abbastanza approfondite sulla teoria della compensazione.

Regolatori digitali con compensazione automatica

Tra i più recenti progressi nel settore dei regolatori di tensione digitali c’è l’integrazione di una topologia di compensazione automatica grazie alla quale non viene richiesta all’utilizzatore alcuna conoscenza e competenza delle tecniche di compensazione.
Questi regolatori sono in grado di determinare la compensazione ottimale, ovvero i valori dei guadagni proporzionale, integrale derivativo per il circuito quando la potenza è applicata al regolatore o comunque ogni volta che viene inviato un comando software all’unità per il ricalcolo della compensazione. La compensazione automatica permette di eliminare gli svantaggi tipici delle topologie che richiedono la definizione dei valori di compensazione.      

Progetti “compensation-free”

Una topologia di regolatore di tensione più evoluta è quella che non richiede alcuna compensazione. CUI ha realizzato numerose famiglie di moduli Point of Load basati sulla tecnologia “compensation-free”, come quelli della serie NDM3Z-90. Questi moduli determinano la risposta ai transitori della corrente di carico monitorando e regolando la carica fornita al carico ciclo dopo ciclo. Questa tecnica consente al regolatore di tensione di ottimizzare la risposta ai transitori di carico durante ogni ciclo di commutazione del regolatore senza ricorrere alla compensazione dell’anello di retroazione. La topologia “compensation-free” è senza dubbio molto evoluta tal punto di vista tecnologico grazie alla bassa latenza nella risposta ai transitori di carico. Questo basso valore di latenza è ottenuto grazie all’implementazione di un percorso di segnale più veloce nel circuito di compensazione in aggiunta al tradizionale percorso di segnale più lento. L’architettura che prevede l’erogazione della carica su base ciclica prevede anche caratteristiche di risposta ai transitori di tipo non lineare per garantire una regolazione della tensione di uscita dei moduli PoL migliore rispetto a quella ottenibile con tecniche di compensazione dell’anello di retroazione più tradizionali. Uno dei vantaggi legati alla bassa latenza e alle caratteristiche di risposta ai transitori non lineare è la riduzione del numero di condensatori di disaccoppiamento di uscita richiesto. Questi condensatori sono preposti al controllo dei transitori a frequenze superiori rispetto a quelle che il regolatore di tensione è in grado di gestire. La ridotta latenza e la risposta ai transitori di tipo non lineare di questa architettura che non richiede compensazione permettono di estendere l’intervallo di frequenza effettiva del regolatore di tensione minimizzando in tal modo numero, ingombri e costi dei condensatori di disaccoppiamento richiesti per ottenere la risposta ai transitori desiderata del modulo PoL digitale.

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