Sempre più componenti elettronici entrano nell'automobile per il confort, la sicurezza e, in generale, per l'efficienza, e la gestione della potenza per questi componenti diventa sempre più importante. I giorni dei regolatori lineari come alimentatori per i sistemi elettrici per l'automotive sono ormai terminati. Gli alimentatori switching sono più efficienti ma, per diversi aspetti, anche più complessi, in modo particolare quando si parla di applicazioni automotive.
Una necessità particolarmente impegnativa è la riduzione dei consumi di energia durante lo stand-by di questo crescente numero di sistemi elettronici. Come possono essere realizzate tutte queste applicazioni elettroniche senza drenare la batteria dopo pochi giorni senza ricarica e mettendo l'autista a dura prova?
Perdere la carica in un attimo
Idealmente tutti i sistemi che consumano energia in un'auto dovrebbero essere completamente spenti quando l'auto è parcheggiata. Questo manterrebbe la batteria carica e pronta per un nuovo viaggio. In questo caso la sola perdita di energia sarebbe legata all'auto-scarica della batteria, che è comunque relativamente ridotta: dal 5 al 20% circa al mese. Sfortunatamente sempre più sistemi elettronici che consumano energia nell'auto non possono essere spenti completamente per le necessità di stand-by. Tra i sistemi più classici con consumo di energia costante vi sono le serrature elettroniche e i sistemi antifurto, ma si aggiungono anche i sistemi di navigazione, i sistemi di ripresa, i cruscotti elettronici e molte altre applicazioni. In queste unità è costantemente richiesto un piccolo ammontare di corrente per mantenere alcuni contenuti di memoria e altri stati logici. Con sempre più sistemi di questo tipo utilizzati nell'auto, la batteria può perdere, durante i tempi di inattività, parecchia energia. I produttori di auto definiscono diverse classi di consumo di corrente per i diversi sistemi considerati nel momento in cui le auto sono parcheggiate. Per molti sistemi è consentita una corrente massima di soli 100 µA, valore tipicamente mediato su un certo periodo di tempo, ad esempio 24 ore. Questo vuol dire che per un certo lasso di tempo si può consumare più corrente a patto che ci siano periodi durante i quali l'assorbimento di corrente è minore. Al fine di fornire corrente sufficiente a memorie, orologi o sensori, la conversione dalla tensione di alimentazione automotive di 12 V alle tensioni richieste, come 5, 3,3 V o meno, deve essere il più possibile efficiente per rimanere entro i vincoli imposti dai produttori di auto.
Ridurre enormemente i consumi di potenza
Soluzioni per queste sfide dell'automotive sono i regolatori switching con modalità "sleep", che consente potenze di uscita molto ridotte in quanto molte parti dell'alimentatore switching sono spente e la regolazione della tensione di uscita riprende nel modo più efficiente possibile. Prendiamo ad esempio il regolatore di tensione step down LM26003 di National Semiconductor: è semplice da usare poiché il Fet di potenza è integrato; con carichi inferiori a pochi milli-amp, il regolatore Pwm commuta in modalità burst, in questa modalità l'anello di regolazione rileva se la tensione di uscita è troppo bassa e il Fet a canale N integrato commuta per alcuni cicli fino a quando il condensatore di uscita è nuovamente carico, dopo di che le commutazioni si interrompono, la potenza assorbita è molto bassa, fino a quando la corrente nel carico scarica nuovamente e parzialmente il condensatore di uscita.
Alcune importanti considerazioni
Quando si progetta per consumi di corrente estremamente ridotti, durante il funzionamento con carichi molto bassi, è necessario scegliere un IC speciale come l'LM26003. Per altri regolatori di potenza non progettati espressamente per questo tipo di applicazioni si deve partire dalla considerazione che hanno correnti di quiescenza relativamente elevate, e alcuni di essi hanno la necessità di avere, per funzionare in modo appropriato, un carico minimo. Ovviamente questo tipo di comportamento sarebbe antitetico al raggiungimento dell'obiettivo di un basso consumo con carichi ridotti. Oltre al regolatore ci sono altri due elementi che influenzano in modo importante l'assorbimento di corrente. Uno è il partitore resistivo costituto da R1 ed R2, l'altro è il diodo di ricircolo D1. Entrambe queste correnti sono prelevate dalla tensione di uscita regolata.
Il partitore resistivo disperderà parte della corrente di uscita, maggiore è il valore di questo partitore e minore risulta il consumo di corrente, ma impedenze molto elevate causeranno una maggiore sensibilità al rumore sul pin di retroazione del regolatore di potenza. Se il pin di retroazione è un nodo ad alta impedenza il rumore di sistema, come il rumore di commutazione, si accoppierà all'anello di regolazione e la tensione di uscita non sarà ben regolata. Molti produttori di auto hanno linee guida che determinano il valore massimo di impedenza di questo nodo: il limite tipico di resistenza è tra i 100 i 200 KΩ. Il diodo D1 è normalmente un diodo schottky; questo è necessario per l'efficienza di commutazione, per basse interferenze elettromagnetiche, come pure per la protezione del pin di commutazione dell'IC dell'alimentatore, i quanto i diodi schottky non hanno praticamente tempi di recupero in inversa e riducono drammaticamente le oscillazioni sul nodo di commutazione. Per applicazioni a bassa corrente di quiescenza invece i diodi schottky soffrono di correnti di perdita abbastanza elevate; tale corrente viene prelevata dal nodo della tensione di uscita e inficia l'efficienza in presenza di carichi ridotti. La corrente di perdita varia a seconda dei diversi produttori di diodi schottky e cambia con la loro temperatura operativa e con il valore della tensione inversa: più sono elevate la temperatura di giunzione e la tensione inversa e maggiore è la corrente di dispersione. La corrente di perdita del diodo è un elemento da considerare nella scelta del diodo schottky quando si progetta un sistema con potenza di stand-by molto bassa. Fortunatamente molti produttori di auto specificano il consumo medio di potenza sulle 24 ore a temperature relativamente basse, così da limitare le correnti di perdita estreme a temperature elevate.
Come misurare il consumo di corrente totale
Non è molto semplice valutare un sistema ad alta efficienza su carichi ridotti. Poiché regolatori come l'LM26003 utilizzano la modalità burst per operare nel modo più efficiente possibile, nel misurare la corrente di ingresso è necessario eseguire una media. Sebbene la capacità di ingresso esegua una certa mediazione, questa non è sufficiente per avere una corrente DC pulita. Per questa misura è fondamentale utilizzare un micro-amperometro che fornisca una lettura particolarmente precisa per valori dell'ordine dei micro-ampere, e sia in grado di eseguire la media su diverse letture. Al di là del ricercare il manuale del multimetro digitale disponibile, può essere una buona idea fare qualche misura su carichi noti per verificare che cosa lo strumento è in grado di fare. Questo carico noto potrebbe essere la tensione di un generatore di segnali collegato a una resistenza nota. Strumenti diversi spesso mostrano risultati molto diversi. Dopo un po' di ricerca e qualche valutazione diventerà chiaro quale strumento può essere maggiormente credibile per eseguire la misura considerata.
La batteria dell'auto non deve temere
Fino a quando non si sono resi disponibili regolatori integrati specifici per l'alta efficienza con bassi carichi per le applicazioni automotive, i progettisti dovevano realizzare circuiti adatti usando molti componenti discreti. Un approccio tradizionale era quello di implementare due alimentatori in parallelo: uno attivo e molto efficiente con carichi ridotti, come i regolatori lineari, l'altro che entra in azione appena diventano necessarie correnti più elevate. Ora con soluzioni integrate come quella offerta dall'LM26003 il progetto viene grandemente semplificato. Al crescere dell'elettronica impiegata nelle auto sempre più progettisti saranno in grado di apprezzare i vantaggi di queste soluzioni integrate e delle esperienze che i produttori di circuiti integrati hanno raccolto insieme a loro.
