Topologie di convertitori c.c./c.c. e tecniche per ottenere elevati rapporti di boost

Che sia utilizzata per polarizzare fotodiodi a valanga (APD) in ricevitori ottici, comandare i tubi fotoflash delle fotocamere o carica condensatori ad alta tensione, la necessità di fonti ad alta tensione continua a crescere. Di conseguenza, nelle unità alimentate a batteria in cui la tensione di alimentazione in ingresso è bassa, sono necessari convertitori c.c./c.c. step-up o boost per generare tensioni a livelli di più volte superiori all'ingresso. Per rispondere a questi requisiti, fornitori come Analog Devices, Linear Technology, Maxim Integrated e Micrel Inc., tra gli altri, hanno prodotto convertitori boost con tensioni di uscita a 70 V e oltre.

Questo articolo esamina tali soluzioni e discute le topologie e le tecniche utilizzate da ciascun fornitore per aumentare le tensioni di uscita di rapporti di 10:1 o superiori, al fine di generare alte tensioni continue da ingressi c.c. molto bassi.

Elevati rapporti di boost

Secondo la nota applicativa AN-1126¹ di Analog Devices, vi sono diverse topologie di convertitori c.c./c.c. per ottenere rapporti di boost relativamente elevati (>10:1). Questi includono semplici boost, boost moltiplicati a pompa di carica e boost a induttore maschiato, come mostrato nella Figura 1. Sebbene vi siano molti vantaggi con ciascuna topologia, queste tecniche portano anche con sé inconvenienti significativi quando si tratta di fornire molta energia a elevati rapporti di boost.


Figura 1: Tradizionalmente, le topologie per ottenere rapporti di boost relativamente elevati (>10:1) includono boost semplice (a), boost moltiplicato a pompa di carica (b) e boost a induttore maschiato (c) (per gentile concessione di Analog Devices).

Secondo la nota applicativa di ADI, con alti rapporti di boost, un boost semplice impone stress ad alta tensione e alta corrente ad alta tensione su MOSFET Q1, che si traduce in elevata commutazione e forti perdite di conduzione. L'alta tensione sul raddrizzatore impedisce anche l'utilizzo di efficienti diodi Schottky. Analogamente, con la topologia boost moltiplicato a pompa di carica ogni stadio moltiplicatore della pompa di carica richiede due diodi in serie aggiunti, che contribuiscono alla perdita dalla caduta di tensione diretta. Inoltre, i condensatori della pompa deve avere valori alti per evitare di provocare alte correnti di picco e significativi cali ciclici. Le alte correnti di picco possono anche aumentare la corrente di commutazione rms, che tende a inficiare le forme d'onda di controllo di modo comune.

Con la topologia boost con induttore maschiato, lo stress di tensione sul raddrizzatore di uscita è alto e subisce gli effetti di induttanza di dispersione del trasformatore, secondo ADI. Questa induttanza di dispersione causa picchi di tensione e oscillazioni che a loro volta generano EMI e fanno aumentare lo stress di tensione su entrambi il MOSFET e il raddrizzatore di uscita. Sebbene tali effetti possano essere controllati con i soppressori, si spreca energia e si rendono necessari componenti aggiuntivi e più spazio sulla scheda.

Topologia migliorata

La nota applicativa AN-1126 di ADI propone una nuova tipologia di convertitore che supera gli inconvenienti delle topologie tradizionali per erogare molta energia a elevati rapporti di boost con minimo stress di tensione e corrente imposto sui commutatori. In questo modo si possono utilizzare MOSFET e raddrizzatori Schottky moderati durante il funzionamento a cicli di lavoro moderati per una più facile modalità di conduzione continua (CCM) e controllo PWM. Inoltre, evita i picchi di tensione e le oscillazioni associati all'induttanza di dispersione del trasformatore.

Sempre secondo la nota applicativa di ADI, il convertitore boost boost moltiplicato SEPIC (convertitore a induttanza primaria a terminazione) (Figura 2) raggiunge tutti gli obiettivi sopra indicati riducendo lo stress di tensione e corrente sul commutatore principale e sui raddrizzatori, oltre a ridurre l'oscillazione della tensione picco-picco sul nodo di commutazione per mitigare in modo significativo le perdite di commutazione, EMI e il rumore. Inoltre, funziona a un ciclo di lavoro moderato per consentire l'uso di CCM con semplice controllo della modalità di corrente. Come risultato di tutto ciò, facilita i compromessi nella selezione dei componenti in termini di costi e prestazioni.


Figura 2: Un convertitore boost moltiplicato SEPIC a due stadi.¹

Vi sono anche alcuni svantaggi insiti nella tecnica di boost moltiplicato SEPIC. Oltre ad aumentare il numero di raddrizzatori in serie, che aumenta la caduta di tensione diretta totale del raddrizzatore risultante in un aumento delle perdite, aumenta inoltre la complessità circuitale e il numero di componenti. OItretutto, la tecnica di boost moltiplicato SEPIC non è consigliata quando le tensioni di ingresso e di uscita sono entrambe alte.

Utilizzando il controller step-up in modalità di corrente a frequenza fissa ADP1621in configurazione boost moltiplicato SEPIC, gli ingegneri ADI hanno costruito e testato un convertitore boost di 12 V_c.c. di ingresso a 200 V_c.c. di uscita a una corrente di uscita di 250 mA (Figura 3). Questo progetto utilizza un MOSFET a 60 V e raddrizzatori Schottky e il comparatore ADCMP354 (U2) funge da blocco di sottotensione (UVLO) sull'ingresso. Il convertitore boost ha dimostrato un'efficienza superiore al 91% secondo ADI. La selezione dei componenti per questo circuito è discussa in dettaglio nella nota applicativa di ADI.


Figura 3: Questo convertitore c.c./c.c. boost basato su ADP1621 impiega la configurazione boost moltiplicato SEPIC x 5 per erogare 200 V_c.c. di uscita a 250 mA da 12 V_c.c. di ingresso.

Caricatore flyback

Per fotoflash e dispositivi stroboscopici che funzionano scaricando un condensatore ad alta tensione in un bulbo, Micrel ha sviluppato un circuito di carica flyback boost mediante un regolatore di commutazione MIC3172. Come illustrato nella Figura 4, il circuito è semplice e produce affidabilmente 300 V_c.c. da una bassa tensione di ingresso da 3 a 10 V_c.c. per caricare un condensatore ad alta tensione. Fornisce sicurezza e isolamento tramite il trasformatore flyback. Come discusso nella nota applicativa² 20 di Micrel, la tensione di uscita prefissata è determinata dal partitore resistivo (R1, R2 e R3) e dal riferimento interno a 1,24 V di MIC3172. Il calcolo produce:

V_OUT = V_REF[1 + (R1 + R2)/R3]

Il circuito utilizza un numero minimo di componenti per ridurre lo spazio sulla scheda e aumentare l'affidabilità. Micrel indica che la tensione attraverso il condensatore aumenta ad ogni ciclo di commutazione fino a raggiungere la tensione prefissata; una volta raggiunta questa tensione, MIC3172 interrompe la commutazione. Poiché la dispersione di energia nei componenti di uscita provoca la scarica del condensatore nel tempo, MIC3172 fornisce impulsi occasionali di energia per mantenere il condensatore completamente carico, secondo Micrel. Quando il condensatore di uscita viene scaricato all'interno del bulbo, il processo di carica si ripete.


Figura 4: Un circuito caricatore flyback boost con regolatore di commutazione MIC3172. Produce 300 V_c.c. di uscita da 3 a 10 V_c.c. di ingresso.

Analogamente, per polarizzare gli APD in ricevitori ottici, Linear Technology ha sviluppato un convertitore c.c./c.c. boost step-up in modalità di corrente LT3571, che può generare una tensione di uscita fino a 75 V_c.c. da un ingresso anche di soli 5 V_c.c. È dotato di un misuratore di corrente APD a caduta di tensione fissa high-side con una precisione relativa superiore al 10% nell'intero intervallo di temperatura. L'interruttore di accensione integrato, il diodo Schottky e il misuratore di corrente APD realizzano una soluzione a ingombro compatto e a basso costo. Combina un circuito di tensione tradizionale e un esclusivo circuito di corrente per funzionare come generatore di corrente o di tensione costante. I dettagli dell'applicazione sono illustrati nei dettagli nella scheda tecnica del prodotto. Per applicazioni simili che necessitano di una precisione del 2% circa per il misuratore di corrente APD, Linear offre LT3905 con un intervallo della tensione di ingresso più stretto.

Per concludere, i progettisti troveranno numerosi fornitori di convertitori c.c./c.c. step-up o boost con rapporti di boost relativamente elevati. Tuttavia, ogni soluzione è unica e porta con sé vantaggi e svantaggi. Di conseguenza, il progettista deve leggere attentamente la scheda tecnica del prodotto per garantire che generi la soluzione desiderata per una data applicazione finale.

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

Riferimenti

1. Nota applicativa AN-1126, Analog Devices, Norwood, Massachusetts.
2. Nota applicativa 20, "Photoflash High-Voltage Supply" di Steve Chenetz, Micrel, Inc.