Ottimizzazione dell'efficienza dei convertitori buck/boost c.c./c.c. ad alta corrente

Molti progetti elettronici, come i sistemi alimentati a batteria, richiedono convertitori c.c./c.c. robusti per mantenere una tensione di uscita stabile quando la tensione di ingresso fluttua. Sebbene la topologia buck/boost a quattro commutatori sia una scelta popolare per la sua flessibilità e la densità di potenza, la scalabilità di questi sistemi per applicazioni ad alta corrente introduce sfide progettuali significative. I progettisti devono valutare attentamente i compromessi di carattere architetturale relativi all'integrazione all'interno del regolatore buck/boost. In particolare, l'integrazione di induttori e meccanismi di rilevamento della corrente può influire in modo significativo sulle dimensioni complessive, sulla complessità e sull'efficienza del circuito.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle sfide e dei compromessi che i progettisti di sistemi di alimentazione devono affrontare. A seguire, presenta le soluzioni della linea di regolatori buck/boost di Analog Devices e mostra in che modo questi dispositivi possono affrontare tali sfide e ottimizzare i progetti. L'articolo illustra inoltre i kit di valutazione e il software che i progettisti possono utilizzare per accelerare la prototipazione e lo sviluppo.

I compromessi dell'integrazione in un progetto buck/boost ad alta corrente

In un convertitore buck/boost a quattro commutatori, lo stadio di potenza richiede quattro MOSFET, un induttore di potenza e un meccanismo di rilevamento della corrente. Il modo in cui questi componenti vengono suddivisi tra il contenitore del modulo e la scheda a circuiti stampati (PCB) rappresenta la decisione architetturale centrale per i progettisti.

Il posizionamento esterno dell'induttore e del resistore di rilevamento sulla PCB consente ai progettisti di avere il pieno controllo sulla selezione dei componenti. Le dimensioni dell'induttore, il materiale del nucleo e la corrente di saturazione possono essere adattati con precisione all'applicazione. Tuttavia, questa flessibilità ha un costo: i componenti esterni consumano spazio sulla scheda, complicano il layout e richiedono un instradamento accurato per ridurre al minimo il rumore nel percorso di rilevamento della corrente.

L'integrazione dell'induttore e del resistore di rilevamento nel contenitore del modulo semplifica la progettazione e il layout, riducendo il numero di componenti e l'ingombro sulla PCB. Tuttavia l'induttore è vincolato dalle dimensioni del contenitore, il che può significare una limitazione della corrente di uscita massima e delle prestazioni termiche.

È anche possibile eliminare completamente il resistore di rilevamento sostituendolo con uno schema di rilevamento della corrente senza perdite. Questo migliora l'efficienza energetica, ma comporta una maggiore complessità del progetto di circuito integrato (CI) del modulo buck/boost.

Come tre famiglie di moduli affrontano le sfide dell'integrazione buck/boost

Nell'ambito della sua ampia gamma di prodotti µModule, Analog Devices offre una varietà di moduli c.c./c.c. che consentono ai progettisti di scegliere tra queste strategie di integrazione. Questo articolo si concentra sui moduli buck/boost a quattro commutatori (Figura 1): LTM4607, LTM4605 e LTM4609; LTM8055, LTM8056 e LTM8054; e LTM4712. Ciascuno di questi moduli si rivolge a una regione diversa dello spazio della tensione di ingresso e della corrente di uscita.

Figura 1: I µModule buck/boost a quattro commutatori adottano approcci architetturali differenti per ottenere varie tensioni di ingresso e correnti di uscita. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata da Kenton Williston)

Convertitore c.c./c.c. con induttore e resistore di rilevamento esterni

I dispositivi LTM4607, LTM4605 e LTM4609 integrano il controller e i MOSFET all'interno del contenitore µModule, con l'induttore di potenza e il resistore di rilevamento della corrente posizionati esternamente sulla PCB (Figura 2). Questa architettura offre ai progettisti una certa flessibilità nella scelta dei valori dell'induttore e del resistore di rilevamento per soddisfare i requisiti delle specifiche applicazioni.

Figura 2: Il contenitore (a sinistra) di LTM4607, LTM4605 e LTM4609, insieme allo schema dello stadio di potenza corrispondente (a destra) che evidenzia l'induttore e il resistore di rilevamento esterni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I dispositivi LTM4607, LTM4605 e LTM4609 sono disponibili in contenitori LGA di 15 × 15 × 2,82 mm con piedinatura compatibile. LTM4605 è progettato per applicazioni a bassa tensione, con un intervallo della tensione di ingresso da 4,5 V a 20 V e una corrente di uscita di 12 A (modalità buck). LTM4607 e LTM4609 estendono l'intervallo di ingresso a 36 V a 10 A (modalità buck), con LTM4609 che offre l'intervallo della tensione di uscita più ampio tra i tre modelli, da 0,8 V a 34 V.

Convertitore c.c./c.c. con induttore e resistore di rilevamento integrati

LTM8055, LTM8056 e LTM8054 (Figura 3) integrano l'induttore di potenza e il resistore di rilevamento della corrente nel contenitore del µModule, semplificando la progettazione e il layout grazie alla riduzione del numero di componenti esterni sulla PCB.

Figura 3: Il modulo (a sinistra) per i dispositivi LTM8055, LTM8054 e LTM8056, accanto al layout schematico (a destra) che evidenzia l'induttore e il resistore di rilevamento integrati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Delle tre famiglie distinte qui esaminate, questa è quella che presenta la corrente di uscita più bassa: 5,4 A per LTM8054, 5,5 A per LTM8056 e 8,5 A per LTM8055 (in modalità buck). LTM8056 ha un intervallo di ingresso da 5 V a 60 V, il più ampio tra i dispositivi qui esaminati, e presenta la massima tensione di uscita, di 48 V. LTM8054 è il più compatto, con un ingombro di 15 × 11,25 mm e un'altezza di 3,42 mm, per i progetti con vincoli di spazio. LTM8055 e LTM8056 sono disponibili in un contenitore di 15 × 15 × 4,92 mm.

Convertitore c.c./c.c. con induttore e rilevamento della corrente senza perdite integrati

LTM4712 (Figura 4) adotta un approccio diverso al rilevamento della corrente. Al posto di un resistore di rilevamento discreto, utilizza uno schema proprietario di rilevamento della corrente senza perdite integrato nel modulo. In questo modo si elimina la perdita di potenza associata a un resistore di rilevamento dedicato.

Figura 4: Il modulo LTM4712 (a sinistra) e il relativo schema (a destra), che evidenzia l'induttore e il rilevamento della corrente senza perdite integrati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'induttore di potenza è integrato mediante la tecnologia Component-on-Package (PoC) in un contenitore BGA di 16 × 16 × 8,34 mm. LTM4712 accetta un ingresso da 5 V a 36 V e fornisce un'uscita da 1 V a 36 V a 12 A in modalità buck.

Confronto delle specifiche e dell'efficienza dei convertitori c.c./c.c.

La Tabella 1 riassume le specifiche principali dei sette dispositivi µModule qui esaminati.

Tabella 1: Le principali specifiche dei dispositivi µModule qui esaminati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il confronto dell'efficienza dei modelli LTM8055, LTM4607 e LTM4712 (Figura 5) illustra l'impatto pratico delle loro differenze architetturali. Il confronto viene effettuato in base a tre condizioni operative: ingresso a 6 V (modalità boost), ingresso a 12 V (modalità buck/boost) e ingresso a 24 V (modalità buck), tutti con uscita a 12 V.

Figura 5: Il confronto dell'efficienza su tre tensioni di ingresso mostra le prestazioni dei modelli LTM8055, LTM4607 e LTM4712 nelle modalità boost, buck/boost e buck. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Funzionamento in parallelo, regolazione della corrente costante e ingressi ridondanti

Nelle sezioni precedenti è stato illustrato il funzionamento base delle tre famiglie di µModule buck/boost. Questi dispositivi possono essere configurati anche per applicazioni più avanzate, come il funzionamento in parallelo per correnti più elevate, la regolazione della corrente costante e l'alimentazione di ingresso ridondante. Il modello LTM4712 illustra tutte e tre le funzionalità.

I progettisti che intendono realizzare progetti in parallelo possono sfruttare il controllo in modalità corrente di picco offerto dal modello LTM4712. Questo controllo rapido ciclo per ciclo fornisce una protezione affidabile e facilita un'eccellente condivisione della corrente quando si utilizzano configurazioni in parallelo per le applicazioni a corrente più elevata.

In uno scenario con quattro moduli in parallelo, i dispositivi possono essere configurati per uno spostamento di fase di 90°, offrendo un interleaving ottimale. Inoltre, l'uscita di clock di un modulo può essere collegata all'ingresso SYNC di un secondo modulo per consentire la sincronizzazione della frequenza.

Il kit di valutazione EVAL-LTM4712-A2Z (Figura 6) dimostra questa capacità con quattro moduli LTM4712. Questa scheda è una piattaforma utile per sperimentare la condivisione della corrente, convalidare le prestazioni termiche e pilotare circuiti di prototipi.

La scheda gestisce i quattro moduli LTM4712 in una configurazione parallela interleaved, generando 12 V a 48 A da un ingresso da 5 V a 36 V, con tutti i 48 A disponibili nelle modalità buck e buck/boost e 24 A in modalità boost. Include anche una funzione opzionale di corrente costante che fornisce una corrente precisa e regolata a un carico variabile.

Figura 6: La scheda di valutazione EVAL-LTM4712-A2Z presenta quattro moduli LTM4712 configurati in parallelo per un'uscita di 48 A in modalità buck e buck/boost. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La modalità a corrente costante è disponibile anche sui singoli moduli LTM4712. In questa configurazione, una tensione proporzionale alla corrente di carico si sviluppa attraverso un resistore di rilevamento esterno. Quando questa tensione raggiunge una soglia impostata mediante un pin di controllo, il modulo riduce automaticamente la tensione di uscita per mantenere la corrente al livello desiderato. Questa caratteristica è utile per applicazioni quali il pilotaggio di LED o la ricarica delle batterie, dove il mantenimento di una corrente precisa è più critico del mantenimento di una tensione fissa.

LTM4712 supporta anche configurazioni di ingresso ridondanti, in cui due moduli alimentati da sorgenti indipendenti condividono un'uscita comune. Ciò è utile per i sistemi che richiedono alimentatori di riserva o che attingono a fonti di ingresso distinte per supportare un carico comune. In questo scenario, due moduli sono collegati in parallelo, con i pin di compensazione dei moduli collegati. Se uno dei due ingressi viene a mancare, il modulo rimanente mantiene la regolazione dell'uscita.

Schede di valutazione della conversione c.c./c.c. e strumenti di progettazione

Per aiutare i progettisti a iniziare, Analog Devices offre kit di valutazione per i suoi µModule. Ad esempio, DC3189A (Figura 7) è una piattaforma a modulo singolo per la valutazione di LTM4712 sull'intero intervallo di ingresso da 5 V a 36 V e di uscita da 1 V a 36 V.

Figura 7: La scheda di valutazione DC3189A fornisce una piattaforma a modulo singolo per la valutazione di LTM4712. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sono disponibili anche strumenti software per accelerare il processo di progettazione. Lo strumento di progettazione LTpowerCAD aiuta nella selezione dei componenti, nella stima dell'efficienza, nella compensazione dell'anello e nell'analisi dei transitori di carico. I progetti possono essere esportati in LTspice per la simulazione nel dominio del tempo e l'analisi dinamica.

Conclusione

I moderni regolatori buck/boost offrono agli sviluppatori numerose opzioni per scalare la conversione c.c./c.c. in un'ampia gamma di applicazioni ad alta corrente. I convertitori µModule a quattro commutatori di Analog Devices presentano ampi intervalli di ingresso e di uscita e opzioni di integrazione flessibili. Supportati da schede di valutazione e software, questi moduli consentono ai progettisti di scegliere e implementare rapidamente l'architettura più adatta alle loro esigenze di progettazione.