Come combinare alta e bassa tensione in un singolo progetto

Anche se la tendenza è quella di dare la preferenza alle tensioni più basse per ridurre i consumi, i progettisti spesso hanno bisogno di incorporare sia tensioni basse che alte nello stesso progetto. Questa situazione presenta tre sfide: lo sviluppo del rail c.c. ad alta tensione; fornire funzioni di amplificatore/driver analogici ad alta tensione e soddisfare i requisiti normativi e di sicurezza pertinenti per i sistemi ad alta tensione.

I vantaggi delle operazioni a bassa tensione e inferiore a 5 volt sono molti, tra cui un minore consumo energetico, minori perdite dovute alla generazione di calore, maggiore densità funzionale dei circuiti integrati, tempi di funzionamento prolungati e maggiore vita operativa. Ma ci sono molte applicazioni che richiedono tensioni più elevate, anche fino a centinaia di volt e oltre. Applicazioni quali motori piezoelettrici, dispositivi aptici, driver delle testine di stampa, sensori speciali e strumenti scientifici richiedono tensioni più elevate, pur se spesso a correnti modeste anche se dell'ordine di diverse centinaia di milliampere (mA).

Il risultato è un progetto di sistema che mescola circuiti a bassa tensione con altri a tensioni molto più elevate, mettendo il progettista di fronte alle sfide associate.

In questo articolo abbiniamo la teoria ad esempi pratici di soluzioni su come generare rail ad alta tensione e fornire i driver analogici richiesti. In conclusione, tratteremo la conformità ai requisiti normativi e di sicurezza.

Impostare un rail ad alta tensione

Per fornire un rail c.c. ad alta tensione, i tecnici possono progettare e sviluppare un'alimentazione ad alta tensione, oppure possono acquistarne una. In linea di massima, sviluppare un'alimentazione ad alta tensione, soprattutto per basse correnti, non è difficile. Esistono due approcci classici:

• Se è disponibile solo una sorgente c.c. a bassa tensione, i progettisti possono implementare un circuito basato su un regolatore a commutazione c.c./c.c. in modalità boost progettato appositamente.
• Se è disponibile una linea in c.a., è possibile utilizzare uno o più circuiti di raddoppiamento di tensione (Figura 1).

Figura 1: Un circuito base di raddoppiamento della tensione utilizza diodi e condensatori per trasformare 120 V_{c.a. (RMS)} (tensione di picco 170 V_c.a.) in c.c. di due volte la tensione di picco. (Immagine per gentile concessione di Lewis Loflin, Bristol Watch)

Un raddoppiatore di base trasforma il valore di picco della corrente alternata in una tensione continua pari a due volte tale valore. La quantità di corrente che un raddoppiatore può fornire dipende dalla taglia del condensatore, quindi una corrente più alta richiede una capacitanza più elevata. Si noti che questi condensatori devono essere unità speciali ad alta tensione, in quanto quelle standard a bassa tensione sono destinate a guastarsi e potrebbero persino esplodere.

Sebbene l'approccio modo boost o raddoppiatore di tensione funzioni, entrambi hanno gli stessi problemi: gestiscono alta tensione, per cui il progettista deve fare attenzione a layout, formazione di archi e sicurezza degli utenti oltre che al rispetto degli standard normativi.

Per questi motivi, molti ingegneri preferiscono utilizzare un'alimentazione ad alta tensione disponibile in commercio, come ad esempio la serie EMCO AG01P-5 di XP Power (Figura 2). Questa unità montata su scheda a circuiti stampati dal piccolo fattore di forma ha un profilo di 3,25 millimetri e un volume inferiore a 1639 mm cubici. L'alimentazione funziona da una sorgente c.c. compresa tra 0,7 volt e 5 volt, ma eroga 100 volt a 10 mA. Come ulteriore vantaggio, è galvanicamente isolata a 500 volt, il che è un requisito in molte situazioni per il corretto funzionamento del sistema e la sicurezza dell'utente e/o delle apparecchiature.

Figura 2: Il piccolo convertitore c.c./c.c. serie EMCO AG01P-5 di XP Power preleva tensione c.c. tra 0,7 e 5 volt ed eroga 100 volt c.c. a 10 mA. Garantisce inoltre isolamento fino a 500 volt. (Immagine per gentile concessione di XP Power)

Per le applicazioni che richiedono un voltaggio o una corrente più elevati, XP Power e altri fornitori offrono unità di base in grado di erogare centinaia e persino migliaia di volt a centinaia di mA. Alcune funzionano da un rail c.c. mentre molte altre sono alimentate dalla linea c.a. Usando un alimentatore in alta tensione standard e pronto all'uso di un fornitore affidabile, tutte le prestazioni tecniche e le questioni normative relative all'alimentazione vengono risolte in modo efficace. Grazie a questa soluzione, i progettisti possono così concentrarsi su come indirizzare l'uscita ad alta tensione dall'alimentazione al circuito alimentato.

Ovviamente ci sono casi in cui un alimentatore in alta tensione progettato dall'OEM ha senso o è l'unica opzione. Gli esempi includono applicazioni in grandi serie in cui potrebbero esserci dei vantaggi in termini di costi sulla distinta base, dove un alimentatore standard non ha l'abbinamento tensione/corrente necessario; sistemi che hanno vincoli di spazio speciali o hanno bisogno di un alimentatore con fattori di forma insoliti, o dove l'OEM ha già esperienza nella progettazione e implementazione dell'alimentazione ad alta tensione. Tuttavia, per la maggior parte degli ingegneri, la combinazione dei requisiti tecnici, la selezione e l'approvvigionamento di componenti particolari e la gestione dei problemi normativi rendono il progetto dell'alimentazione ad alta tensione un compito arduo.

Implementazione di un drive analogico

Una volta impostata la sorgente del rail di alimentazione, la decisione successiva è come fornire l'amplificazione analogica ad alta tensione necessaria per il carico. Va notato che ci sono situazioni che richiedono solo una tensione c.c. statica per requisiti di polarizzazione e circuiti simili, ma non hanno bisogno di un segnale amplificato dinamico, controllabile e ad alta tensione. In questi casi, è sufficiente un alimentatore (magari regolabile).

Il progettista può scegliere tre modi per implementare una funzione di amplificatore operazionale ad alta tensione. Il primo approccio consiste nell'usare un amplificatore operazionale standard a bassa tensione, ma con transistor booster aggiunti sull'uscita (Figura 3). Questa soluzione ha l'effetto di convertire l'oscillazione dell'uscita a bassa tensione in un intervallo di tensione più ampio e più alto. In tal caso l'amplificatore operazionale di Analog Devices LT1055 ad alta precisione e velocità si presta bene come core amplificatore, con uscita survoltata a un intervallo rail-to-rail bipolare a ±125 volt per mezzo di tre coppie di transistor PNP/NPN.

Figura 3: Un approccio all'erogazione con amplificatore operazionale di tensione più elevata è quello di aggiungere transistor booster complementari al dispositivo di base, come l'LT1055, per sfruttare le caratteristiche di ingresso dell'amplificatore operazionale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo approccio è fattibile e può svolgere il compito, ma richiede un numero considerevole di componenti aggiuntivi attivi e passivi discreti. Inoltre, i tipi di transistor NPN/PNP selezionati devono essere abbinati a specifiche simili o complementari per guadagno, variazione e altri parametri (a seconda del parametro specifico) per garantire la simmetria nel funzionamento bipolare. Pertanto, è necessaria un'attenta modellazione Spice o simile del progetto, comprendente l'impatto della tolleranza del componente.

La seconda opzione è quella di utilizzare un amplificatore operazionale che sia intrinsecamente progettato per il funzionamento ad alta tensione. Sebbene questi non siano in genere componenti monolitici a causa delle limitazioni di lavorazione dei semiconduttori, sono inseriti in un piccolo modulo e vengono "installati" come componenti singoli. Questi dispositivi sono spesso usati in combinazione con un amplificatore operazionale di bassa tensione, che agisce principalmente come buffer di segnale.

Un esempio è l'amplificatore booster doppio in alta tensione PB64 di Apex Microtechnology. Progettato per fornire guadagno di tensione e corrente con un amplificatore operazionale per uso generale con segnale ridotto (Figura 4), è alloggiato in un contenitore SIP elettricamente isolato a 12 pin di 31x20x7 mm, esclusi i pin passanti. Le applicazioni tipiche includono strumenti scientifici e dispositivi di test di semiconduttori di potenza e array LED/LCD.

Figura 4: Sebbene non sia un CI monolitico, un dispositivo come l'amplificatore ad alta tensione PB64 di Apex Technology è facile da incorporare, proprio come un dispositivo a bassa tensione. (Immagine per gentile concessione di Apex Microtechnology)

La tensione di uscita massima del PB64 è di ±75 volt, quindi non è alta come nella soluzione discreta trattata in precedenza, ma ha due vantaggi. Richiede solo pochi componenti passivi non critici quando viene utilizzato con un buffer e può fornire fino a ±2 A, che è una quantità di potenza notevole (Figura 5).

Figura 5: Nella maggior parte delle applicazioni, l'amplificatore PB64 ad alta tensione viene utilizzato con un amplificatore operazionale standard come buffer di ingresso, per garantire uno scenario e un carico del segnale di ingresso coerenti. (Immagine per gentile concessione di Apex Microtechnology)

In fase di esame delle schede tecniche, osservare le caratteristiche di prestazioni statiche e dinamiche critiche come l'area operativa sicura (SOA) e la risposta all'impulso (Figura 6). Lo sviluppo di dati e specifiche equivalenti richiede molto tempo e risulta più difficile con il precedente approccio progettuale.

Figura 6: Grafico della risposta all'impulso per l'amplificatore ad alta tensione PB64. (Immagine per gentile concessione di Apex Microtechnology)

Naturalmente le diverse applicazioni ad alta tensione richiedono combinazioni diverse di tensione e corrente. Per applicazioni come i trasduttori piezoelettrici aptici, la tensione necessaria potrebbe essere superiore a quella fornita dall'unità Apex, ma le richieste di corrente sono molto più basse. Per queste situazioni, un circuito integrato basato su un processo in alta tensione ma con capacità di dissipazione di potenza molto inferiori può essere una scelta auspicabile.

Ad esempio, grazie al suo convertitore boost integrato, il driver piezoelettrico aptico di Texas Instruments DRV8662 può oscillare fino a ±200 volt in un carico di 100 nanoFarad (nF) (e farà fronte a carichi capacitivi più elevati ma con un'oscillazione ridotta) da un'alimentazione di soli 3,0 - 5,5 volt (Figura 7).

Figura 7: Il CI DRV8662 di Texas Instruments, che si rivolge principalmente ad applicazione di nicchia di attuatori piezoelettrici per progetti aptici, eroga fino a ±200 V a un carico capacitivo da una sorgente di tensione anche a una cifra utilizzando il convertitore c.c. boost interno. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Questo CI richiede solo pochi componenti passivi esterni e supporta quattro guadagni controllati tramite GPIO di 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB e 40,7 dB. Nonostante il suo valore nominale di ±200 volt, è alloggiato in un minuscolo contenitore QFN da 4×4×0,9 mm, che lo rende ideale per applicazioni portatili in cui la dimensione è un fattore importante e il rail di tensione c.c. disponibile è solo di pochi volt. In un'applicazione aptica di base con trasduttore piezoelettrico come attuatore, il segnale di pilotaggio può essere impostato da un convertitore digitale-analogico (DAC), a sua volta controllato da un processore (Figura 8).

Figura 8: Oltre a funzionare come driver analogico di base ad alta tensione, il DRV8662 offre quattro valori di guadagno selezionati dall'utente per impostare l'intervallo di uscita desiderato. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Standard e obblighi normativi: un grosso problema

A differenza dei progetti a bassa tensione in cui gli standard industriali o nazionali sono minimi o assenti per la sicurezza degli utenti e del sistema, il mondo a tensione più elevata è strettamente normato. A seconda della regione del mondo e dell'applicazione finale, gli standard specifici saranno diversi, ma in generale i progetti sotto 50 - 60 volt hanno poche o nessuna restrizione (questo è uno dei motivi per cui il sistema telefonico è stato basato su un rail a 48 volt che viene tutt'ora usato). Tra le molte organizzazioni che definiscono gli standard troviamo UL, IRC e IPC.

Tuttavia, man mano che le tensioni aumentano, i requisiti sempre più rigorosi sulla disposizione fisica del progetto, nonché l'attenzione alle modalità di guasto elettrico del progetto e della sua struttura meccanica diventano problemi di non facile approccio. La maggior parte degli standard normativi è focalizzata sui livelli di tensione, non sulla corrente, poiché la tensione è la principale fonte di rischio per i circuiti e per gli utenti. Le norme allineano strettamente considerazioni di progettazione elettrica (tensione) e meccanica.

Questi standard di sicurezza sono incentrati su molti interrogativi, tra cui:

• La disposizione interna consentirà la formazione di arco o la scarica disruptiva e persino la possibile combustione dei materiali?
• Un guasto meccanico o del contenitore (una incrinatura da sollecitazione o una rottura da impatto) espone l'utente a potenziali pericolosi?
• Le tensioni interne più alte saranno accessibili ad un utente?

Gli standard definiscono le dimensioni minime per "distanza di isolamento e distanza minima in aria" a vari livelli di tensione (Figura 9). La distanza di isolamento è la separazione tra due punti esposti sulla scheda a circuiti stampati così come risultano misurati lungo la superficie della scheda, mentre la distanza minima in aria si riferisce alla distanza più breve tra due parti conduttive misurata attraverso l'aria. All'aumentare delle tensioni, aumentano anche le distanze minime.

Figura 9: Distanza minima in aria e distanza di isolamento sono problematiche importanti che influiscono sul layout e sulla progettazione meccanica dei circuiti e dei sistemi ad alta tensione. Le dimensioni minime di base sono solo un punto di partenza e dipendono dalla tensione e da altri fattori. (Immagine per gentile concessione di PCB Design Tech Guide)

Tuttavia, i requisiti minimi per distanza di isolamento e distanza minima in aria vanno oltre una semplice tabella di "tensione rispetto alla distanza". Gli standard danno indicazioni per la messa a punto relativa all'ambiente operativo del circuito (polvere, umidità e altri particolati), i materiali utilizzati e altri fattori. Il tutto tende a diventare abbastanza complicato e confuso, quindi è bene prendersi il dovuto tempo per studiare gli standard e le linee guida pertinenti.

Un progetto che non soddisfa gli standard pertinenti non riceverà la certificazione critica. Ovviamente, spostare un punto esposto o una parte anche di un millimetro su una scheda per soddisfare i requisiti è spesso difficile e probabilmente avrà un effetto a catena spiacevole sul progetto.

Di conseguenza, è importante avere un esperto di standard relativi all'alta tensione o utilizzare un consulente in grado di valutare e guidare il progetto nelle sue fasi iniziali, per evitare una riprogettazione elettrica e meccanica costosa e dispendiosa in termini di tempo e di nuovi test.

Prendere la decisione

La decisione su quale approccio utilizzare per sviluppare progetti con tensioni più elevate (transistor booster, modulo ibrido o CI) dipende da molti fattori. Innanzitutto, l'approccio scelto può supportare i parametri di livello superiore come tensione, corrente, velocità di risposta e altri ancora? In secondo luogo, qual è la preparazione del team nel progettare e qualificare un progetto di amplificatore analogico ad alta tensione, esclusivamente da una prospettiva elettronica? In terzo luogo, il team di progettazione è in grado di identificare e comprendere gli standard normativi pertinenti e il loro impatto sul progetto?

Le opzioni e le soluzioni trattate possono fornire varie combinazioni di tensioni e correnti superiori. Tuttavia, oltre ai progetti dei circuiti di base, esistono molti problemi di layout e posizionamento esterni che devono essere affrontati nelle fasi iniziali. Questi problemi influenzeranno anche l'approccio dell'amplificatore ad alta tensione che deve essere scelto.

Conclusione

Sebbene il funzionamento a tensioni più basse abbia molti vantaggi, è spesso necessario combinare circuiti a bassa e ad alta tensione. Come mostrato, questo può essere fatto con risultati positivi e in sicurezza se vengono adottati approcci corretti con particolare attenzione alla selezione e all'implementazione del prodotto, così come al rispetto di standard consolidati.