Fare dell'efficienza un aspetto importante con il giusto regolatore di tensione di commutazione

L'efficienza è fondamentale quando si tratta di scegliere il regolatore di tensione a commutazione giusto. La capacità di fornire energia affidabile in un formato compatto è della massima importanza per i dispositivi miniaturizzati di oggi.

Un requisito fondamentale della progettazione elettronica è la capacità di generare tensioni stabili in grado di erogare grosse quantità di corrente. I regolatori a commutazione sono essenziali per la generazione di tensioni di alimentazione stabili e per la traslazione di tensioni verso l'alto o verso il basso.

I regolatori di tensione a commutazione possono avere molti nomi: commutatori, alimentatori a commutazione (SMPS) e regolatori o convertitori c.c./c.c. La loro popolarità continua a crescere grazie ai vantaggi che offrono per i requisiti di conversione ad alta potenza più efficienti, alla flessibilità di un'uscita stabile da una sola sorgente di tensione di ingresso e alla capacità di gestire tensioni di uscita multiple di polarità diverse.

I tipi di convertitori a commutazione più comuni sono:

• Boost, la tensione di ingresso viene incrementata e condizionata per l'uscita
• Buck, la tensione di ingresso viene ridotta e condizionata per l'uscita
• Buck/boost, la tensione di ingresso viene incrementata o ridotta con opzione di polarità negativa
• Flyback, un tipo di buck/boost che fornisce anche isolamento galvanico

Regolatori di tensione lineari fissi e regolabili

Per molti anni, i progetti degli alimentatori si sono basati su regolatori di tensione lineari, che si sono dimostrati eccellenti nel fornire un'uscita di tensione fissa continua. Esistono altri regolatori di tensione lineari, come il modello LM317, che sono regolabili.

I tipi più diffusi di regolatori di tensione di uscita fissi e lineari sono le serie 78xx a uscita positiva e 79xx a uscita negativa. Questi regolatori di tensione producono un'uscita stabile da 5 V a 24 V.

I regolatori di tensione lineari non sono alimentatori a modalità commutata. I regolatori di tensione hanno il vantaggio della semplicità e del basso costo. In genere hanno una potenza di uscita inferiore a 10 W, tendono a essere meno efficienti, generando quindi calore, e hanno caratteristiche di rumore e ripple ridotte. I regolatori lineari hanno solo una regolazione di tensione step-down, mentre un SMPS può fornire step-up, step-down e negazione della tensione di ingresso utilizzando componenti buck, buck/boost e boost.

Sistemi di alimentazione a commutazione

La maggior parte dei moderni televisori, PC, azionamenti di motori in c.c. e amplificatori di potenza richiede un SMPS avanzato ed efficiente, che utilizza tecniche di commutazione dei semiconduttori per fornire la tensione di uscita anziché metodi lineari standard. Il convertitore a commutazione di base è costituito da uno stadio di commutazione di potenza e da un circuito di controllo.

Avendo una dissipazione di potenza inferiore, gli SMPS hanno il vantaggio di una maggiore efficienza grazie alla commutazione interna di un transistor (o di un MOSFET di potenza) tra gli stati di saturazione "ON" e di interruzione "OFF".

Regolatore a commutazione buck/boost

La serie BD9x di ROHM Semiconductor offre ai progettisti convertitori buck c.c./c.c. ad alta efficienza, un'opzione compatta per le applicazioni che richiedono una conversione di potenza efficiente, tra cui i progetti automotive e industriali. La serie BD9x ha un design semplificato con un numero ridotto di componenti che consente di risparmiare spazio e di ottimizzare il processo di produzione. La bassa corrente di standby consente di prolungare la durata della batteria nelle applicazioni portatili, mantenendo una tensione di uscita stabile per prestazioni affidabili, come nel caso del regolatore a commutazione buck BD9A201FP4-LBZTL (Figura 1).

Figura 1: Il regolatore a commutazione buck BD9A201FP4-LBZTL fornisce una tensione di uscita stabile. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Il regolatore a commutazione buck BD9E105FP4-ZTL (Figura 2), dotato di un'uscita singola e regolabile, è un regolatore a corrente continua progettato specificamente per esigenze di bassa tensione. Grazie ai MOSFET di potenza a bassa resistenza nello stato On e a un singolo convertitore c.c./c.c. buck sincrono, il regolatore BD9E105FP4-ZTL offre la massima efficienza in condizioni di basso carico. È l'ideale per i dispositivi e le apparecchiature che richiedono un consumo minimo di energia in standby.

Caratterizzato da una buona risposta ai transitori, offre un ingombro compatto sulla PCB e fornisce un'elevata densità di potenza in un contenitore di dimensioni ridotte, perfetto per elettrodomestici come frigoriferi e condizionatori d'aria, dispositivi di telecomunicazione, adattatori e apparecchiature di alimentazione secondaria.

Figura 2: Le esigenze di tensione inferiori possono essere soddisfatte con un regolatore a commutazione buck BD9E105FP4-ZTL. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Regolatori a commutazione boost

Il regolatore a commutazione boost MP3414AGJ-Z ha un'uscita regolabile e il suo profilo sottile è adatto per le applicazioni a montaggio superficiale in cui lo spazio è limitato. È in grado di funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +125 °C e può iniziare a funzionare con una tensione di ingresso di soli 1,8 V, garantendo al contempo una corrente di inserzione e una protezione da cortocircuiti in uscita (SCP).

La capacità di funzionare in modalità di corrente sincrona mantenendo un'elevata efficienza è necessaria quando è richiesto un convertitore step-up con disconnessione dell'uscita. Inoltre, non è necessario un diodo Schottky esterno, poiché l'efficienza è stata migliorata con un raddrizzatore sincrono a canale P integrato. La funzione di disconnessione dell'uscita quando MP3414A si spegne consente una scarica completa con una corrente di alimentazione inferiore a 1 μA in modalità di spegnimento.

Più piccolo è meglio

Con MP3414A è possibile ricorrere a un minor numero di componenti esterni. Utilizza una frequenza di commutazione di 1 MHz per consentire l'uso di componenti esterni più piccoli, mentre la funzione di avvio graduale riduce al minimo il numero di componenti esterni. Può anche gestire ampi intervalli di carico di corrente. Inoltre, il MOSFET di potenza integrato supporta una corrente di commutazione di picco superiore a 3 A con un'uscita che raggiunge i 5,5 V.

Questa versatilità e l'ampia potenza in un formato compatto sono ideali per applicazioni come i prodotti a batteria al litio a cella singola, compresi i formati a due e tre celle alcaline, NiMH o NiCd. Le periferiche wireless, gli accessori di gaming, i dispositivi medici personali e i lettori multimediali portatili traggono tutti vantaggio da un convertitore step-up come MP3414A.

La tecnologia evolve rapidamente e diventa sempre più compatta. Rispetto al modello SOP-J8, MP3414AGJ-Z in un contenitore TSOT23 è più piccolo di circa il 72%, per una riduzione significativa dell'ingombro (Figura 3).

Figura 3: Poiché i componenti progettati sono sempre più piccoli, è necessaria la miniaturizzazione di tipi di confezionamento come avviene per TSOT23. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Massimizzare l'efficienza e ridurre il consumo energetico

L'esigenza di miniaturizzazione è una forza motrice costante, a cui si affianca la necessità di mantenere l'affidabilità e l'efficienza energetica. Il regolatore a commutazione buck BD9E202FP4-ZTL offre un'uscita regolabile e una potenza affidabile in un progetto compatto (Figura 4).

Figura 4: BD9E202FP4-ZTL è un regolatore a commutazione buck che fornisce una potenza affidabile in un progetto più piccolo e compatto. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Sebbene si possa pensare che le dimensioni ridotte significhino sacrificare le capacità di carico o l'affidabilità della distribuzione dell'energia elettrica, non è così. BD9E202FP4-ZTL offre un'elevata efficienza di conversione e contribuisce a ridurre il consumo energetico (Figura 5).

Fornendo una bassa corrente di standby, i dispositivi alimentati a batteria possono beneficiare di un consumo energetico minimo quando sono inattivi. Inoltre, il controllo del tempo di accensione costante consente un funzionamento efficiente in caso di bassi carichi.

Figura 5: I progettisti cercano convertitori c.c./c.c. buck ad alta efficienza in grado di fornire prestazioni affidabili. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Convertitori flyback per c.a./c.c. e c.c./c.c.

Il convertitore flyback è un convertitore buck/boost che incorpora un trasformatore flyback. Viene utilizzato sia nella conversione c.a./c.c. che c.c./c.c., in presenza di isolamento galvanico tra le uscite e l'ingresso, e offre la moltiplicazione dei rapporti di tensione con l'ulteriore vantaggio dell'isolamento.

Un convertitore di potenza isolato è dotato di due schemi di controllo: il controllo della modalità di tensione e il controllo della modalità di corrente. Nella maggior parte dei casi, il controllo della modalità di corrente dovrebbe essere dominante per garantire la stabilità durante il funzionamento.

Convertitori c.c./c.c. buck/boost

Un tipico convertitore c.c./c.c. con una tensione di uscita maggiore o minore della tensione di ingresso è un convertitore buck/boost. È anche possibile che generi tensioni negative. È simile a un convertitore flyback, ma utilizza un singolo induttore e non un trasformatore. In particolare, un convertitore buck/boost è costituito da due diverse topologie, entrambe in grado di produrre una serie di tensioni di uscita che vanno da un valore superiore a quello di ingresso fino a zero.

Talvolta chiamati anche "chopper", gli alimentatori c.c./c.c. includono un circuito buck/boost che funziona come convertitore step-up o step-down, a seconda del ciclo di funzionamento.

Conclusione

La conversione di potenza efficiente per i progetti automotive e industriali di oggi non può funzionare senza i regolatori di tensione a commutazione. Poiché i progetti odierni sono sempre più compatti, la richiesta di componenti versatili ed efficienti che mantengano livelli di potenza costanti non è mai stata così grande.

Sebbene i regolatori di tensione a commutazione possano essere noti con nomi diversi - SPM, commutatore c.c./c.c., regolatore o convertitore -ROHM offre un'ampia gamma di opzioni compatte per le varie applicazioni che richiedono una conversione di potenza efficiente.