Automatic Efficiency Enhancement mantiene alta l'efficienza del convertitore buck con tensioni di uscita basse

Tradizionalmente, nei convertitori c.c./c.c. step-down, dato che la tensione di uscita è configurata per valori più bassi, l'efficienza di conversione della potenza di tale convertitore diminuisce. Si prenda ad esempio un convertitore c.c./c.c. step-down con ingresso 12 V e uscita a 3,3 V, che può offrire un'efficienza superiore al 90% a pieno carico. Questo stesso convertitore, configurato per una tensione di uscita di 1,8 V, con caratteristiche di ingresso simili, può fornire un'efficienza inferiore all'84% a pieno carico.  Le sue prestazioni continuano a deteriorarsi via via che la tensione di uscita viene configurata a valori inferiori a fronte degli stessi parametri di ingresso. Il risultato è una maggiore dissipazione di potenza all'interno del contenitore dovuta alle maggiori perdite, il che comporta un aumento della temperatura indotto dal calore generato dalla potenza dissipata. Questa non è una condizione auspicabile, soprattutto in prodotti alimentati a batteria come i notebook, i tablet e le unità a stato solido (SSD), in cui temperature di funzionamento superiori possono interferire con le prestazioni del prodotto.

Per risolvere questo problema, gli ingegneri di Texas Instruments hanno sviluppato un nuovo metodo di conversione dell'alimentazione chiamato Automatic Efficiency Enhancement, o AEE. Questa tecnica proprietaria consente al convertitore c.c./c.c. step-down di mantenere un'alta efficienza anche quando la tensione di uscita viene configurata su valori inferiori. In altre parole, l'efficienza di conversione dell'alimentazione rimane alta a prescindere dalla tensione di uscita configurata.

Decadimento dell'efficienza

Tuttavia, prima di affrontare il tema dell'AEE, esaminiamo le cause di questa diminuzione. Nel suo articolo intitolato "L'AEE aumenta l'efficienza per convertitori step-down con tensione di uscita inferiore"¹, l'Applications Engineer di TI Chris Glaser spiega questa diminuzione dell'efficienza. Secondo Glaser, il calo di efficienza in convertitori step-down per tensioni di uscita configurate più basse è direttamente correlato alla minore potenza di uscita senza una corrispondente riduzione della perdita di potenza.

In genere, in un'alimentazione in modalità commutata, le perdite riguardano sia la commutazione che la conduzione. È noto che le perdite di commutazione dipendono dalla tensione di ingresso, dalla corrente di uscita e dalla frequenza di commutazione, mentre le perdite di conduzione sono determinate dalla corrente di uscita e dalle resistenze nello stato On del MOSFET. Ne consegue che la tensione di uscita non contribuisce alla perdita complessiva del convertitore; ma la potenza di uscita, che è il prodotto della tensione di uscita e della corrente di uscita, scende indubbiamente via via che scende la tensione di uscita per la stessa tensione di ingresso. Pertanto, con la stessa perdita di potenza, l'efficienza è destinata a diminuire quando il convertitore viene configurato per tensioni di uscita minori perché Efficienza = (Potenza di uscita)/(Potenza di uscita + Perdite).

Ora, secondo l'articolo di TI, le perdite di commutazione possono essere abbattute riducendo la frequenza di commutazione quando il convertitore viene configurato per tensioni più basse per migliorare l'efficienza. Tuttavia, ciò equivale a ridisegnare il filtro di uscita e il circuito di compensazione dell'anello. "Richiede un maggiore sforzo di progettazione e più tempo e probabilmente componenti diversi per circuiti di tensione di uscita diversi nel sistema, il che potrebbe aumentare la distinta base", afferma Glaser.

Adattamento dinamico della frequenza di commutazione

L'AEE affronta il dilemma della frequenza di commutazione. Come afferma TI, l'AEE regola automaticamente la frequenza di commutazione per migliorare l'efficienza della conversione senza disturbare il filtro di uscita e il circuito di compensazione dell'anello. In base alle tensioni di ingresso e di uscita, la frequenza di commutazione viene automaticamente regolata per migliorare l'efficienza mantenendo al contempo la stabilità dell'anello di controllo e il filtro di uscita, spiega Glaser.

In breve, per mantenere un'alta efficienza lungo l'intero intervallo del ciclo di lavoro (V_OUT/V_IN), l'AEE assicura la regolazione della frequenza di commutazione mantenendo la corrente di ripple dell'induttore su un valore basso. Il riferimento 1 dà il rapporto tra la corrente di ripple dell'induttore (ΔI_L), la frequenza di commutazione (F_SW) e il ciclo di lavoro (D = V_OUT/V_IN) come segue:

Di conseguenza, in base all'equazione 1, si vede che l'AEE assicura che la variazione della corrente di ripple dell'ivnduttore sia minima col variare della tensione di uscita a una determinata tensione di ingresso. Questa condizione si ottiene diminuendo la frequenza di commutazione via via che la tensione di uscita viene configurata su valori più bassi.

Il convertitore step-down a doppia fase TPS62180/TPS62182 di TI incorpora l'AEE per fornire un'alta efficienza su un intervallo di uscita regolabile tra 0,9 V e 6 V a una corrente di uscita fino a 6 A e con un intervallo della tensione di ingresso tra 4 V e 15 V. La Figura 1 riporta il diagramma a blocchi funzionale di TPS62180 con l'AEE e la tensione di uscita regolabile. Diversamente da TPS62180, TPS62182 è un'opzione convertitore buck a uscita fissa con AEE e tensione di uscita fissa di 3,3 V.

Figura 1: TPS62180 incorpora un metodo di incremento automatico dell'efficienza per mantenere un alto livello di efficienza del convertitore c.c./c.c. step-down quando sono configurate tensioni di uscita inferiori (per gentile concessione di Texas Instruments).

Per illustrare come funziona l'AEE, TI ha fornito alcuni risultati misurati utilizzando TPS62180. La Figura 2, ad esempio, dimostra la regolazione della frequenza di commutazione di TPS62180 via via che la configurazione della tensione di uscita scende da 3,3 V a 0,9 V per una determinata tensione di ingresso. Analogamente, anche la frequenza di commutazione cambia con il variare della tensione di ingresso.

Figura 2: Per mantenere un'alta efficienza, il convertitore c.c./c.c. step-down a doppia fase TPS62180 si serve dell'AEE per adattare la frequenza di commutazione in base alla tensione di uscita e a quella di ingresso (per gentile concessione di Texas Instruments).

Analogamente, per dimostrare l'impatto dell'AEE sulle prestazioni di efficienza di TPS62180, il fornitore ha misurato anche l'efficienza per diverse tensioni di uscita con tensione di ingresso variabile. L'efficienza misurata rispetto alla tensione di ingresso per due diverse tensioni di uscita (3,3 V e 1,8 V) viene illustrata nelle Figure 3 e 4. Se si guardano attentamente le figure, si può vedere che con l'AEE l'efficienza con un'uscita a 1,8 V corrisponde a circa l'88% a pieno carico con un ingresso di 12 V. Con lo stesso ingresso e un'uscita di 3,3 V, l'efficienza è di circa il 92%, a indicare che lo scostamento di efficienza tra le due uscite è molto più ridotto con l'AEE. Senza l'AEE, questo scostamento sarebbe stato molto maggiore, dichiara TI.

Figura 3: Efficienza rispetto alla tensione di ingresso per il convertitore c.c./c.c. step-down a doppia fase TPS62180 con AEE incorporato. La tensione di uscita per il convertitore è di 3,3 V (per gentile concessione di Texas Instruments).

Figura 4: Efficienza rispetto alla tensione di ingresso per il convertitore c.c./c.c. step-down a doppia fase TPS62180 con AEE incorporato. La tensione di uscita per il convertitore è di 1,8 V.

In sintesi, l'AEE aiuta i convertitori step-down come TPS62180 a fornire una maggiore efficienza di conversione quando sono configurate tensioni di uscita inferiori per un dato convertitore rispetto a topologie a frequenza fissa. 

Per ulteriori informazioni sui prodotti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimenti

1. "L'AEE aumenta l'efficienza per convertitori step-down con tensione di uscita inferiore", Chris Glaser, Applications Engineer, Texas Instruments, Inc.