Gestione delle oscillazioni di tensione nei progetti IIoT

I componenti elettronici per la maggior parte degli impianti di controllo industriale sono tradizionalmente racchiusi in un armadio dotato di sistemi di montaggio su guida DIN, a fini di facilità di progettazione, integrazione e manutenzione. La gamma di alimentatori, armadi e altri prodotti standard adatti al formato della guida DIN è molto ampia. Tale disponibilità riduce i tempi della selezione, della qualifica e della costruzione del sistema finale.

La tendenza verso l'Internet delle cose industriale (IIoT) richiede livelli superiori di controllo distribuito. La componente di "intelligenza" verrà affidata ai processori che, per motivi di capacità di risposta e flessibilità, possono essere installati molto vicino ai sensori e agli attuatori effettivi. I processori comunicano attraverso una combinazione di reti cablate e wireless, riducendo la necessità di far coesistere nello stesso armadio i processori interagenti, che normalmente condividevano i dati tramite PCB o bus del backplane.

Sebbene il sistema target possa essere progettato per l'inserimento su guida DIN per semplificare l'installazione, ogni unità sarà molto più piccola e richiederà un alimentatore individuale invece che un rail di alimentazione condiviso all'interno di un armadio di grandi dimensioni. Grazie al fatto che è un livello di tensione sicuro per molti ambienti e che conserva la compatibilità con gli ambienti esistenti, l'alimentazione a 24 V_c.c. rimarrà probabilmente di uso comune come rail di alimentazione per controller elettronici, sia in apparecchiature indipendenti sia in quelle alloggiate in armadi.

La natura degli ambienti industriali significa che gli alimentatori dei controller dovranno continuare a fronteggiare ampie variazioni negli intervalli tensione di ingresso, dovuti alle macchine nelle vicinanze o a pesanti carichi intermittenti con grandi elementi capacitivi e induttivi. È necessario che una fonte di alimentazione sia compatta e capace di erogare energia affidabile a fronte delle fluttuazioni della tensione di ingresso e su un ampio intervallo di variazioni di consumo delle utenze. Per risparmiare energia, molti controller elettronici si pongono in modalità di sospensione quando non sono attivi. Anche l'alimentatore deve essere in grado di reagire efficientemente a queste situazioni.

Un dispositivo come il regolatore LM43603 di Texas Instruments o LTM8025 di Linear Technology ha la capacità di commutare tra la modalità di conduzione continua (CCM) e quella discontinua (DCM) per soddisfare le variazioni di consumo energetico e supportare le variazioni della tensione in ingresso. In modalità CCM, la corrente nell'induttore usata per agevolare a livellare l'erogazione di corrente al carico resta sempre sopra lo zero, in qualsiasi fase del ciclo di commutazione. In modalità DCM, la corrente nell'induttore può scendere a zero. La quantità di corrente erogata all'induttore da una coppia di commutatori FET nel convertitore durante ogni ciclo è determinata tramite la modulazione della larghezza di impulso (PWM).

Figura 1: Corrente nell'induttore in CCM per un regolatore a modalità commutata, controllato tramite PWM.

Ad ogni ciclo, il convertitore alimenta una tensione di uscita regolata attivando per primo il commutatore FET high-side per un certo lasso di tempo. Durante tale intervallo, la tensione di uscita oscilla verso l'alto verso la tensione di ingresso e la corrente inviata all'induttore inizia ad aumentare con una pendenza lineare determinata dalla formula (Vin - Vout)/L.

Quando la logica di controllo decide di disattivare il commutatore high-side per regolare la tensione ed evitare che continui a salire verso il livello di quella in ingresso, il commutatore low-side viene tenuto spento per impedire la conduzione incrociata per un breve periodo, quindi gli è consentito di attivarsi. A questo punto, la corrente dell'induttore inizia a scendere con una pendenza data da -Vout/L.

Il controller PWM all'interno del convertitore campiona la tensione di uscita e la confronta con una tensione di riferimento per generare un segnale di errore che viene utilizzato per calcolare il ciclo di lavoro per le due fasi. In un progetto di convertitore ideale, il ciclo di lavoro è proporzionale alla tensione di uscita. Un amplificatore di errore assicura che il convertitore c.c./c.c. regoli il ciclo di lavoro per conservare una tensione di uscita regolata.

Il segnale di errore generato dall'amplificatore sarà in genere molto vicino a zero in qualsiasi momento, mentre le variazioni della tensione di ingresso e la domanda sull'uscita saranno generalmente più lente rispetto alla velocità di commutazione del controller di alimentazione. La funzionalità di adattamento offerta dal PWM permette alla strategia di compensare le oscillazioni sul rail di ingresso senza influenzare la fornitura di energia al carico.

L'uso della commutazione ad alta frequenza permette al convertitore LM43603 di funzionare da una tensione di alimentazione da 3,5 V a 36 V_c.c. e di erogare una corrente di carico fino a 3 A_c.c. con alta efficienza e con buone prestazioni termiche in una soluzione di piccole dimensioni. La frequenza di commutazione è programmabile da 200 kHz a 2,2 MHz grazie a un resistore programmabile collegato al segnale RT che entra nel modulo oscillatore all'interno del controller LM43603. La sua frequenza standard senza l'utilizzo di un resistore esterno è di 500 kHz. LTM8025 funziona su un intervallo di frequenza da 200 kHz a 2,4 MHz e anch'esso è programmabile tramite un resistore con un terminale collegato al pin RT e l'altro alla terra.

Figura 2: Diagramma a blocchi di LM43603.

In presenza di bassi carichi, l'efficienza della regolazione CCM controllata da PWM scende significativamente. Il DCM consente di migliorare l'efficienza scollegando il carico dall'ingresso per periodi più lunghi, durante i quali la corrente nell'induttore può scendere a zero. In questa modalità, i condensatori di uscita aiutano a ridurre al minimo gli effetti del ripple.

Con LM43603, il convertitore passa a DCM quando la corrente di carico è inferiore alla metà del ripple di corrente dell'induttore picco-picco in CCM. Le perdite di commutazione vengono ridotte disattivando il FET low-side a corrente zero. In fase DCM, la frequenza di commutazione si riduce. Il convertitore attiva il FET high-side quando la tensione di uscita campionata scende sotto un valore accettabile.

Dispositivi come LM43603 e LTM8025 offrono un funzionamento stabile con la maggior parte dei tipi di condensatori su ingresso e uscita. Data la loro dimensione compatta, i condensatori ceramici sono spesso i preferiti, poiché i requisiti di capacità elettrica sono in genere inferiori a 100 µF per il funzionamento ad alta frequenza e con tensioni tipiche del circuito di segnale misto da 3 a 12 V_c.c.. I condensatori ceramici sono piccoli, robusti e con una bassissima ESR. Tuttavia non tutti i condensatori ceramici sono idonei. I tipi X5R e X7R sono stabili in temperatura e rispetto alla tensione applicata ma i modelli Y5V e lo Z5U hanno alti coefficienti di capacità di tensione e temperatura. Nell'utilizzo, possono presentare solo una piccola frazione della loro capacità elettrica nominale, con il risultato che il ripple di tensione di uscita può essere molto superiore a quanto previsto.

Figura 3: Diagramma a blocchi di LTM8025.

I condensatori ceramici sono anche piezoelettrici. In modalità DCM o burst, la frequenza di commutazione dipende dalla corrente di carico e può eccitare un condensatore ceramico nel campo di frequenza audio, generando un rumore udibile. Dato che le correnti generate in condizioni DCM sono inferiori, il rumore è normalmente basso, ma se il rumore udibile non fosse accettabile potrebbe essere più idoneo un condensatore elettrolitico ad alte prestazioni. In alternativa, si potrebbe usare una combinazione in parallelo di condensatore ceramico e condensatore elettrolitico a basso costo.

Un altro fattore importante da prendere in considerazione è l'avvio graduale. Il convertitore LM43603, ad esempio, ha un pin di controllo per l'avvio graduale: SS/TRK. L'utilizzo di questo pin, una volta applicata la tensione di ingresso, forza il regolatore ad aumentare gradualmente la tensione di uscita per un certo lasso di tempo. Se il pin SS/TRK viene lasciato flottante, LM43603 utilizza il suo controller del periodo di rampa per lasciar salire la tensione di uscita fino al massimo in poco più di 4 ms.

Per applicazioni che utilizzano grandi quantità di capacità elettrica in uscita, o per sistemi che usano tensioni di uscita relativamente alte, il tempo di avvio può essere prolungato collegando un condensatore esterno tra il pin SS/TRK e il pin di riferimento di massa analogico del dispositivo (AGND). Il valore della capacità elettrica determina il periodo di rampa. In alternativa, un controller di avvio graduale può monitorare un segnale di rampa esterno usando una coppia resistore-divisore e una fonte di tensione esterna che descrive il profilo di rampa desiderato.

Il controllo sull'avvio graduale per LTM8025 viene eseguito usando un condensatore collegato al pin RUN/SS e a terra assieme a un collegamento a una sorgente di tensione esterna tramite un resistore. La costante di tempo RC risultante determina la temporizzazione dell'avvio graduale.

Figura 4: Collegamenti per un segnale di rampa esterno per l'avvio graduale del convertitore LM43603.

Figura 5: Collegamenti per generare una rampa di avvio graduale per il convertitore LTM8025.

Dato che i controller di alimentazione per IIoT devono adattarsi a spazi ristretti e devono integrarsi facilmente in apparecchiature industriali, un fattore importante da prendere in considerazione è la compatibilità elettromagnetica (EMC). Per assicurare che qualsiasi interferenza elettromagnetica (EMI) generata da un regolatore di alimentazione in modalità commutata non crei disturbi è opportuno tenere tutti gli anelli dI/dt quanto più piccoli possibile. Ciò è possibile in larga misura dall'alto livello di integrazione offerto da dispositivi come LM43603 e LTM8025.

Figura 6: Anello dI/dt per un convertitore buck in modalità commutata.

Tuttavia bisogna prestare attenzione nel posizionamento dei dispositivi esterni, in particolare di qualsiasi nodo di feedback. Le tracce ai resistori esterni e ai condensatori di fuga devono essere il più corte possibile. Qualsiasi traccia lunga su PCB che conduca ai resistori può generare EMI eccessive. Anche la schermatura è importante e può essere risolta in modo ottimale introducendo nella PCB piani di massa supplementari.

Con l'uso di regolatori ad alta integrazione, come LM43603 e LTM8025, i progettisti di controller industriali orientati all'IIoT possono garantire un'erogazione di corrente c.c. affidabile, assicurando l'EMC del prodotto finale.

Figura 7: Raccomandazioni di layout per basse EMI per LM43603.