Come capire le correnti nei condensatori di ingresso di convertitori buck CC/CC
Tutti i convertitori buck necessitano di condensatori in ingresso. In realtà, in un mondo perfetto, se l'alimentatore avesse un'impedenza di uscita pari a zero, una capacità di corrente infinita e se le piste avessero resistenza o induttanza pari a zero, non ci sarebbe bisogno di condensatori di ingresso. Tuttavia, poiché la probabilità che ciò sia vero è infinitesimamente bassa, conviene partire dal presupposto che il convertitore buck necessiti di condensatori di ingresso.
I condensatori di ingresso immagazzinano la carica che fornisce l'impulso di corrente al momento dell'accensione dell'interruttore high-side. Successivamente, vengono ricaricati dall'alimentazione in ingresso quando l'interruttore high-side si spegne (Figura 1).
L'azione di commutazione del convertitore buck carica e scarica il condensatore di ingresso, provocando un aumento e una diminuzione della tensione che lo attraversa. Questa variazione di tensione rappresenta l'ondulazione della tensione di ingresso del convertitore alla frequenza di commutazione. Il condensatore di ingresso filtra gli impulsi di corrente di ingresso al fine di ridurre al minimo l'ondulazione sulla tensione di alimentazione in ingresso.
Dall'entità della capacità dipende l'ondulazione di tensione; pertanto, il condensatore deve essere dimensionato in modo da resistere all'ondulazione di corrente efficace (RMS, root mean square). Il calcolo della corrente RMS presuppone la presenza di un unico condensatore di ingresso, senza resistenza equivalente in serie (ESR) o induttanza equivalente in serie (ESL). L'induttanza di uscita finita tiene conto dell'ondulazione di corrente sul lato di ingresso, come mostrato in Figura 2.
Condivisione della corrente tra condensatori di ingresso paralleli
La maggior parte delle implementazioni pratiche utilizza più condensatori di ingresso in parallelo per fornire la capacità richiesta. Questi condensatori comprendono spesso un condensatore ceramico multistrato (MLCC) ad alta frequenza e di valore basso, ad esempio da 100 nF. Si utilizzano uno o più MLCC più grandi (da 10 µF o 22 µF), talvolta abbinati a un condensatore bulk polarizzato di valore elevato (100 µF).
Ciascun condensatore svolge funzioni simili ma diverse: l'MLCC ad alta frequenza provvede a disaccoppiare le correnti transitorie rapide dovute al processo di commutazione del MOSFET nel convertitore CC/CC. Gli MLCC più grandi mandano al convertitore gli impulsi di corrente alla frequenza di commutazione e alle relative armoniche. Il condensatore bulk fornisce la corrente necessaria per rispondere ai transienti del carico di uscita quando l'impedenza della sorgente di ingresso non gli permette di reagire con la dovuta rapidità.
Nei casi in cui viene utilizzato, un condensatore bulk di grandi dimensioni presenta una notevole ESR, che offre una certa attenuazione del fattore Q del filtro di ingresso. A seconda della sua impedenza equivalente alla frequenza di commutazione rispetto ai condensatori ceramici, il condensatore può avere anche una notevole corrente RMS alla frequenza di commutazione.
La scheda tecnica di un condensatore bulk specifica una corrente RMS nominale massima per impedire l'autoriscaldamento e assicurare di non comprometterne la durata. Gli MLCC presentano una ESR molto minore e, di conseguenza, un autoriscaldamento molto inferiore a causa della corrente RMS. Tuttavia, talvolta i progettisti di circuiti trascurano la corrente RMS massima specificata nelle schede tecniche dei condensatori ceramici. Pertanto, è importante conoscere le correnti RMS di ciascuno dei singoli condensatori di ingresso.
Se si utilizzano più MLCC di grandi dimensioni, è possibile combinarli e inserire la capacità equivalente nel calcolatore di condivisione della corrente al fine di calcolare le correnti RMS nei condensatori di ingresso paralleli. Il calcolo della corrente RMS considera solo la frequenza fondamentale. Ciononostante, questo strumento di calcolo costituisce un utile miglioramento rispetto al calcolo della corrente RMS del singolo condensatore di ingresso.
Consideriamo un'applicazione in cui VIN = 9 V, VOUT = 3 V, IOUT = 12,4 A, fSW = 440 kHz ed L = 1 µH. I tre condensatori di ingresso paralleli potrebbero quindi essere da 100 nF (MLCC), ESR = 30 mΩ, ESL = 0,5 nH; 10 µF (MLCC), ESR = 2 mΩ, ESL = 2 nH, e 100 µF (bulk), ESR = 25 mΩ, ESL = 5 nH. In questo caso, l'ESL comprende l'induttanza della pista del PCB.
La Figura 3 mostra i risultati del calcolatore di condivisione della corrente del condensatore per questo esempio. Come previsto, il condensatore da 100 nF assorbe una bassa corrente RMS, pari a 40 mA. I condensatori MLCC e bulk più grandi suddividono le loro correnti RMS in modo più uniforme, rispettivamente a 4,77 A e 5,42 A.
In realtà, la capacità effettiva del MLCC da 10 µF è leggermente inferiore a causa della tensione applicata. Ad esempio, un MLCC X7R da 10 µF e 25 V in un package 0805 potrebbe fornire solo il 30% della sua capacità nominale se polarizzato a 12 V, nel qual caso la corrente del condensatore bulk di grandi dimensioni è pari a 6,38 A, il che potrebbe superare il suo valore RMS.
La soluzione consiste nell'utilizzo di un condensatore di dimensioni maggiori e nell'installazione di più condensatori in parallelo. Ad esempio, un MLCC X7R da 10 µF e 25 V in un package 1210 mantiene l'80% della sua capacità nominale quando polarizzato a 12 V. Tre di questi condensatori presentano un valore effettivo totale di 24 µF, se utilizzati per C2 nel calcolatore di condivisione della corrente del condensatore.
Utilizzando questi condensatori in parallelo si riduce la corrente RMS nel condensatore bulk di grandi dimensioni a 3,07 A, ossia un valore più gestibile. Mettendo in parallelo i tre MLCC da 10 µF si riducono anche l'ESR e l'ESL complessive del ramo C2 per un fattore tre.
La bassa capacità dell'MLCC da 100 nF e la sua ESR relativamente elevata fanno sì che questo condensatore svolga un ruolo marginale nel fornire corrente alla frequenza di commutazione e alle relative armoniche di ordine inferiore. La funzione di questo condensatore è disaccoppiare i transienti di corrente dell'ordine dei nanosecondi osservati negli istanti di commutazione dei MOSFET del convertitore CC/CC. Spesso i progettisti vi si riferiscono come condensatore ad alta frequenza.
Affinché sia efficace, è essenziale posizionare il condensatore ad alta frequenza il più vicino possibile ai terminali di tensione di ingresso e di messa a terra del regolatore, utilizzando il percorso del PCB più corto possibile (con la minima induttanza). In caso contrario, l'induttanza parassita delle piste impedisce a questo condensatore ad alta frequenza di disaccoppiare le armoniche ad alta frequenza della frequenza di commutazione.
Inoltre, è importante utilizzare il più piccolo package possibile per ridurre al minimo l'ESL del condensatore. Un condensatore ad alta frequenza con un valore <100 nF può essere utile per disaccoppiare a una frequenza specifica, rispetto alla sua curva di ESR e di impedenza. Un condensatore più piccolo presenterà una frequenza di autorisonanza più elevata.
Analogamente, occorre posizionare sempre gli MLCC più grandi il più vicino possibile al convertitore per ridurne al minimo l'induttanza parassita della pista e massimizzarne l'efficacia alla frequenza di commutazione e alle sue armoniche.
La Figura 3 mostra, inoltre, come la somma delle correnti RMS nei rami C1, C2 e C3 sia >6 A e non segua la legge di Kirchhoff sulle correnti, nonostante la corrente RMS complessiva nel condensatore di ingresso complessivo sia pari a 6 A (nel caso in cui sia un singolo condensatore equivalente). Tale legge si applica solo ai valori istantanei, ossia alla somma complessa delle correnti variabili nel tempo e sfasate.
Utilizzo del software PSpice per TI o TINA-TI
I progettisti che necessitano di più di tre rami di condensatori di ingresso per le loro applicazioni possono ricorrere al software di simulazione PSpice per TI o al software TINA-TI. Questi strumenti permettono di eseguire calcoli più complessi per la corrente RMS, tra cui l'inclusione delle armoniche insieme alla frequenza di commutazione fondamentale e l'uso di un modello più sofisticato per il condensatore, che tiene conto del fatto che l'ESR dipende dalla frequenza.
Il software TINA-TI è in grado di calcolare la corrente RMS su ciascun ramo del condensatore come segue: eseguire la simulazione, fare clic sulla forma d'onda della corrente desiderata per selezionarla e, nell'opzione di menu Process nella finestra della forma d'onda, selezionare Averages. Il software TINA-TI sfrutta un'integrazione numerica sugli orari di inizio e fine della visualizzazione della simulazione per calcolare la corrente RMS.
La Figura 4 mostra la schermata di simulazione. Per chiarezza, in questo esempio è stato omesso il condensatore da 100 nF in quanto presenta una corrente molto bassa e contribuisce al ringing sui fronti di commutazione. L'analisi della forma d'onda della corrente totale del condensatore di ingresso svolta dal software Power Stage Designer per il convertitore calcola la corrente di ingresso (IIN), che è pari a 6 ARMS, ossia lo stesso valore della Figura 2.
Le forme d'onda della corrente del condensatore su ciascun ramo sono piuttosto diverse rispetto alla forma d'onda trapezoidale idealizzata che ignora i loro valori di ESR ed ESL. Questa differenza comporta delle implicazioni per i convertitori CC/CC come l'LM60440 di TI, che presenta due ingressi di tensione paralleli (VIN) e pin di messa a terra (GND).
La configurazione speculare dei pin permette ai progettisti di collegare due loop di ingresso paralleli identici, con la possibilità quindi di posizionare una doppia capacità di ingresso (sia ad alta frequenza che bulk) in parallelo in prossimità delle due coppie di pin dell'ingresso di alimentazione (PVIN) e della messa a terra di alimentazione (PGND). I due loop di corrente paralleli dimezzano anche l'induttanza parassita effettiva.
Inoltre, i due loop di corrente con ingresso speculare presentano campi magnetici uguali e opposti, consentendo quindi di realizzare una certa cancellazione del campo H che va a ridurre ulteriormente l'induttanza parassita (Figura 5). La Figura 4 mostra che, se non i circuiti paralleli non vengono accoppiati con cura in termini di valori dei condensatori, ESR, ESL e layout per le impedenze parassite uguali, la corrente nei percorsi paralleli del condensatore può presentare differenze significative.
Considerazioni sull'uso degli strumenti software per il controllo delle correnti
Per specificare correttamente i condensatori di ingresso per i convertitori buck CC/CC è necessario conoscere le correnti RMS nei condensatori. È possibile stimare le correnti tramite equazioni oppure, più semplicemente, utilizzando strumenti software come Power Stage Designer di TI. Questo strumento può essere utilizzato anche per la stima delle correnti in un massimo di tre rami paralleli di condensatori di ingresso, il cui impiego è comune nei progetti pratici dei convertitori.
Pacchetti per simulazioni più complesse, come il software TINA-TI o PSpice per TI, sono in grado di calcolare le correnti, comprese le armoniche e le frequenze fondamentali. Questi strumenti offrono anche la possibilità di modellare l'impedenza parassita che dipende dalla frequenza e molti altri rami paralleli, evidenziando quanto sia importante trovare le giuste combinazioni di condensatori di ingresso nei layout di ingresso speculari a farfalla.
