Generazione di alta tensione di uscita in corrente continua da una bassa alimentazione di ingresso

Che si tratti del pilotaggio di luci a LED bianchi per retroilluminazione o dell'alimentazione di circuiti analogici e RF, laptop, tablet e altri dispositivi mobili, sono spesso necessarie tensioni molto superiori alla tensione di alimentazione di ingresso. Di conseguenza, i convertitori c.c./c.c. step-up o boost generano tensioni di uscita molto superiori a quelle di ingresso per soddisfare il fabbisogno di una varietà di circuiti e funzioni in questi sistemi. Ad esempio, nei sistemi alimentati a batteria, l'ingresso è normalmente di 5 V al massimo, ma sono necessarie tensioni di 15 e 24 V o più per alimentare le funzioni RF/analogiche o comandare i display a cristalli liquidi (LCD) con transistor a film sottile (TFT). Analogamente, sono anche necessarie alte tensioni per la polarizzazione di fotodiodi a valanga (APD), tipici dei ricevitori ottici.

Per rispondere a queste esigenze, Analog Devices ha aggiunto due convertitore c.c./c.c. boost a bassa tensione al proprio portafoglio di prodotti. I convertitori c.c./c.c. ADP1612 e ADP1613 permettono ai progettisti di amplificare la tensione di ingresso anche a soli 1,8 V per una tensione di uscita fino a 20 V. Se utilizzati in combinazione con un contenitore a profilo sottile per il funzionamento ad alta frequenza di commutazione, questi convertitori c.c./c.c. aumentare la durata della batteria in applicazioni portatili dove il basso consumo di corrente è essenziale e lo spazio su PCB è ristretto.

ADP1612 supporta un intervallo della tensione di ingresso c.c. da 1,8 a 5,5 V, mentre ADP1613 gestisce un intervallo di ingresso c.c. da 2,5 a 5,5 V. La tensione di uscita regolabile consente ai convertitori boost di prolungare la durata della batteria con il funzionamento a tensione di ingresso non regolata. I convertitori boost utilizzano l'architettura a modalità di corrente con modulazione della larghezza di impulso (PWM) per regolare la tensione di uscita in tutte le condizioni di carico e per contribuire a ridurre il rischio di correnti di inserzione all'avvio. Di conseguenza, i dispositivi sono in grado di fornire un'efficienza fino al 94% con una rapida risposta ai transitori e livelli stabili della tensione di uscita per una maggiore affidabilità del sistema.

Un tipico circuito applicativo per convertitori boost è illustrato nella Figura 1. Entrambi i modelli ADP1612 e ADP1613 possono funzionare a 650 kHz o 1,3 MHz. Se la più alta frequenza di commutazione consente l'utilizzo di un induttore più piccolo, l'efficienza scende del 2% circa ogni volta che la frequenza di commutazione raddoppia. In questi convertitori, la frequenza di commutazione è selezionabile tramite un pin. Per il funzionamento a 650 kHz, il pin FREQ è collegato a massa (GND), mentre per il funzionamento a 1,3 MHz è collegato al pin V_IN.

 

Figura 1: Una tipica configurazione c.c./c.c. boost con convertitori a commutazione ADP1612/1613.

L'induttore, un componente chiave di ogni regolatore boost, immagazzina l'energia durante il tempo di servizio dell'interruttore di alimentazione e la trasferisce all'uscita attraverso il raddrizzatore di uscita durante il tempo di disattivazione. In una nota applicativa¹ Analog Devices spiega come bilanciare il compromesso tra bassa corrente di ripple dell'induttore e alta efficienza. Il documento consiglia valori di induttanza nell'intervallo da 4,7 a 22 μH.

Se un valore minore dell'induttore ha una corrente di saturazione maggiore e una minore resistenza in serie a seconda della dimensione fisica, una minore induttanza risulta in correnti di picco più elevate che possono portare a una riduzione dell'efficienza, un ripple maggiore e un aumento del rumore. Quindi, per ridurre le dimensioni dell'induttore e migliorare la stabilità, è meglio eseguire il convertitore boost in modalità di conduzione discontinua, secondo la nota applicativa di Analog Devices. Sostiene inoltre che la corrente di picco dell'induttore (la corrente di ingresso massima più metà della corrente di ripple dell'induttore) deve essere inferiore alla corrente di saturazione nominale dell'induttore e che la corrente di ingresso c.c. massima al regolatore deve essere inferiore della portata di corrente efficace (RMS) dell'induttore.

Entrambi questi convertitori boost sono supportati dal set di strumenti di progettazione ADIsimPower™ di ADI, che consente al progettista di generare un intero schema e la distinta base completa, oltre che calcolare in pochi minuti le prestazioni. ADIsimPower può ottimizzare i progetti in termini di costo, area, efficienza e numero di componenti, tenendo conto delle condizioni operative e delle limitazioni del circuito integrato e di tutti i componenti esterni.

Tipico delle schede di valutazione per convertitori step-up di ADI, ADP1612-BL3-EVZ offre un completo convertitore c.c./c.c. step-up con tutti i componenti selezionati per consentire il funzionamento nell'intero intervallo di ingresso e delle condizioni di carico per tensioni di uscita da 5 V (ADP1612) e 12 V (ADP1613). Le schede di valutazione possono essere regolate per diverse tensioni di uscita cambiando R1 e R2. Secondo la documentazione della scheda di valutazione, è anche possibile regolare o ricalcolare L1, D1, C_COMP e R_COMP nella Figura 1 per garantire un funzionamento stabile.

Per alimentare i LED bianchi utilizzati per la retroilluminazione di LCD o generare l'alimentazione di polarizzazione degli LCD, Texas Instruments offre un i convertitori boost a bassa potenza e altamente integrati TPS61040/41 (Figura 2) capaci di erogare tensioni in uscita fino a 28 V da un ingresso a batteria NiMH/NiCd a due celle o a batteria agli ioni di litio a cella singola. Il componente può anche essere utilizzato per generare un'uscita a 12 V da un ingresso di 3,3 o 5 V.

 

Figura 2: Operativi a frequenze fino a 1 MHz, i convertitori boost integrati TPS61040/41 richiedono solo un numero minimo di componenti esterni.

Alloggiato in minuscoli contenitori SOT23 e SON, i convertitori funzionano con una frequenza di commutazione fino a 1 MHz. Dotato di un MOSFET di potenza integrato sull'uscita, il componente richiede solo un numero minimo di componenti esterni. A causa dell'elevata frequenza di commutazione, i condensatori di uscita possono essere in ceramica o al tantalio. Se TPS61040 offre un limite della corrente di commutazione interno di 400 mA, TPS61041 ne offre uno a 250 mA. Inoltre, la bassa corrente di quiescenza (tipicamente 28 µA), insieme a uno schema di controllo ottimizzato, consente al dispositivo di funzionare ad altissimi livelli di efficienza nell'intero intervallo della corrente di carico.

Uscita c.c. superiore

Per circuiti che richiedono una tensione ancora maggiore, può tornare utile il dispositivo TPS61170 TI. Si tratta di un regolatore a commutazione monolitico ad alta tensione con MOSFET di potenza integrato da 1,2 A e 40 V. Può fornire tensioni di uscita fino a 38 V. La scheda tecnica del componente contiene diverse topologie del regolatore di commutazione standard, tra cui un convertitore boost e un convertitore a induttanza primaria a terminazione singola (SEPIC). Il dispositivo ha un ampio intervallo della tensione di ingresso a supporto di applicazioni alimentate mediante batterie a più celle o con rail di alimentazione regolati a 5 o 12 V.

Tra gli altri fornitori di semiconduttori che offrono convertitori boost ad alta tensione di uscita si annoverano Linear Technology Corp. e Maxim Integrated. Ad esempio, Linear ha sviluppato un convertitore c.c./c.c. step-up a modalità di corrente per la polarizzazione di fotodiodi a valanga (APD) in ricevitori ottici (Figura 3). Progettato per generare una tensione di uscita fino a 75 V, LT3571 offre 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.

 

Figura 3: Circuito di alimentazione boost da 5 a 45 V basato su LT3571 per la polarizzazione di fotodiodi a valanga.

Linear ha anche prodotto convertitori boost in grado di erogare tensioni in uscita fino a 40 V per applicazioni come il pilotaggio di LED e la polarizzazione di LCD. Tra questi vi sono i modelli LT3494/A e LT1615. Mentre LT3494/A è pensata per fornire tensioni di uscita fino a 40 V, LT1615 è specificato per fornire fino a 34 V in uscita.

Analogamente, MAX1605 di Maxim può amplificare le tensioni della batteria da 0,8 V fino a 30 V in uscita. Il MOSFET a 0,5 A integrato nel convertitore riduce il numero di componenti esterni e l'elevata frequenza di commutazione consente di realizzare componenti a montaggio superficiale miniaturizzati. Il limite di corrente può essere impostato a 500, 250 o 125 mA per ridurre il ripple di uscita e le dimensioni dei componenti in applicazioni a bassa corrente.

In sintesi, convertitori step-up o boost che offrono elevate tensioni c.c. di uscita sono disponibili presso i principali produttori di circuiti integrati. Ognuno ha vantaggi e svantaggi, quindi i progettisti dovranno valutare attentamente le esigenze del progetto e leggere le schede tecniche per identificare le specifiche chiave prima di selezionare un componente di una determinata applicazione. Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimento:

1. Nota applicativa AN-1132, "Come applicare un regolatore c.c./c.c. step-up (boost)" di Ken Maraso, Analog Devices Inc., Norwood, Massachusetts, USA.