Controllo della modalità di corrente e di tensione per la generazione di segnali PWM nei regolatori a commutazione c.c./c.c.

I convertitori di tensione di commutazione c.c./c.c. ("regolatori") comprendono due elementi: un controller e uno stadio di potenza. Lo stadio di potenza incorpora gli elementi di commutazione e converte la tensione di ingresso nell'uscita desiderata. Il controller sorveglia l'operazione di commutazione per regolare la tensione di uscita. I due sono legati da un anello di retroazione che confronta la tensione di uscita effettiva con l'uscita desiderata per ricavare l'errore di tensione.

Il controller è fondamentale per la stabilità e la precisione dell'alimentatore e praticamente ogni progetto utilizza una tecnica di modulazione di larghezza di impulso (PWM) per la regolazione. Vi sono due metodi principali di generare il segnale PWM: controllo della modalità di tensione e controllo della modalità di corrente. Il controllo della modalità di tensione è stato realizzato per primo, ma porta con sé svantaggi – come la lenta risposta alle variazioni di carico e al guadagno di circuito che varia con la tensione di ingresso – che hanno portato gli ingegneri a sviluppare il metodo alternativo basato sulla corrente.

Oggi, gli ingegneri possono scegliere tra una vasta gamma di moduli di alimentazione che utilizzano una tecnica di controllo. Questi prodotti incorporano una tecnologia per superare le carenze principali della generazione precedente.

Questo articolo descrive la tecnica di controllo della modalità di corrente e di tensione per la generazione di segnali PWM nei regolatori di tensione a commutazione e ne spiega l'applicazione più adatta.

Controllo della modalità di tensione

I progettisti con il compito di realizzare un alimentatore possono creare un'unità basata su componenti discreti (vedere l'articolo TechZone "Regolatori di tensione c.c./c.c.: come scegliere tra progettazione discreta e modulare"), su componenti separati per il controller e l'alimentazione o su moduli di alimentazione che integrano entrambi gli elementi in un singolo chip.

Ma qualunque sia la tecnica di progettazione impiegata, esiste un'alta probabilità che la regolazione impiegherà una tecnica PWM di una frequenza (in genere) fissa. (Una frequenza di commutazione costante è auspicabile poiché limita le interferenze elettromagnetiche (EMI) generate dalla rete di alimentazione).

In un regolatore con il controllo della modalità di tensione, il segnale PWM viene generato applicando una tensione di controllo (V_C) a un ingresso del comparatore e una tensione a dente di sega (V_ramp) (o "Rampa PWM") di frequenza fissa, generata dal clock, all'altro (Figura 1).


Figura 1: Generatore PWM per regolatore di tensione di commutazione. (Per gentile concessione di Texas Instruments)

Il ciclo di lavoro del segnale PWM è proporzionale alla tensione di controllo e determina la percentuale del tempo in cui l'elemento di commutazione conduce e quindi, a sua volta, la tensione di uscita (vedere l'articolo TechZone "Uso di PFM per migliorare l'efficienza di un regolatore a commutazione c.c./c.c. a bassi carichi"). La tensione di controllo è derivata dalla differenza tra la tensione di uscita effettiva e la tensione di uscita desiderata (o tensione di riferimento).

Il guadagno del modulatore Fm è definito come la variazione della tensione di controllo che porta il ciclo di lavoro dallo 0 al 100% (F_m = d/V_C = 1/V_ramp).¹

La Figura 2 mostra i componenti costitutivi di un tipico regolatore a commutazione. Lo stadio di potenza è costituito da un interruttore, un diodo, un induttore, un trasformatore (per progetti isolati) e condensatori di ingresso/uscita. Questo stadio converte la tensione di ingresso (VIN) nella tensione di uscita (VO). La sezione di controllo del regolatore di tensione è costituita da un amplificatore di errore con la tensione di riferimento (pari all'uscita desiderata) su un ingresso e l'uscita da un divisore di tensione sull'altro. Il divisore di tensione è alimentato da una traccia di retroazione dall'uscita. L'uscita dall'amplificatore di errore fornisce la tensione di controllo (V_C o "tensione di errore") che forma un ingresso al comparatore PWM.²


Figura 2: La sezione di controllo e lo stadio di potenza del regolatore a commutazione con controllo della modalità di tensione. (Per gentile concessione di Microsemi)

I vantaggi del controllo della modalità di tensione comprendono: un singolo anello di controllo che agevola l'analisi del progetto e del circuito; l'uso di una forma d'onda a grande ampiezza di rampa che fornisce un buon margine di rumore per un processo di modulazione stabile e un'uscita di potenza a bassa impedenza che fornisce una migliore regolazione incrociata per alimentatori a più uscite.

Ma la tecnica ha anche alcuni svantaggi notevoli. Ad esempio, le variazioni nel carico devono essere in primo luogo percepite come una variazione di uscita e poi corrette dall'anello di retroazione — con conseguente risposta lenta. Il filtro di uscita complica la compensazione del circuito, che può essere resa ancor più difficile a causa del fatto che il guadagno dell'anello varia con la tensione di ingresso.

Controllo della modalità di corrente

Negli anni ottanta, gli ingegneri idearono una tecnica alternativa per la commutazione della tensione dei regolatori, che risolveva le carenze del metodo di controllo della modalità di tensione. Denominato controllo della modalità di corrente, la tecnica deriva la rampa PWM dall'aggiunta di un secondo anello di alimentazione dalla corrente dell'induttore. Questo segnale di retroazione è costituito da due parti: la corrente di ripple in c.a. e la corrente continua, o valore medio, della corrente dell'induttore. Una forma amplificata del segnale è indirizzata a un ingresso del comparatore PWM mentre la tensione di errore forma l'altro ingresso. Come con il metodo di controllo della modalità di tensione, il clock del sistema determina la frequenza del segnale PWM (Figura 3).


Figura 3: Regolatore a commutazione con controllo della modalità di corrente. Qui la rampa PWM è generata da un segnale derivato dalla corrente dell'induttore di uscita. (Per gentile concessione di Texas Instruments)

Il controllo della modalità di corrente risolve il problema della risposta lenta del controllo della modalità di tensione perché la corrente dell'induttore aumenta con una pendenza determinata dalla differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita e quindi risponde immediatamente alle variazioni di tensione della linea o del carico. Un ulteriore vantaggio è che il controllo della modalità di corrente elimina la variazione di guadagno dell'anello con il riassorbimento della tensione di ingresso del metodo di controllo della modalità di tensione.

Inoltre, poiché in un controllo della modalità di corrente l'amplificatore di errore comanda una corrente di uscita piuttosto che la tensione, l'effetto dell'induttore di uscita sulla risposta del circuito è ridotto al minimo e la compensazione diventa più facile. Il circuito esibisce inoltre una larghezza di banda a guadagno maggiore rispetto a un dispositivo con controllo della modalità di tensione.

Ulteriori vantaggi del controllo della modalità di corrente includono la limitazione inerente della corrente da impulso a impulso grazie al clamping del comando dall'amplificatore di errore e una condivisione del carico semplificata quando si impiegano più unità di alimentazione in parallelo.

Per qualche tempo, è parso che il controllo della modalità di corrente avesse relegato il controllo della modalità di tensione alla storia. Tuttavia, gli ingegneri dopo qualche tempo hanno scoperto che i regolatori con controllo della modalità di corrente avevano portato con sé nuove difficoltà di progettazione.

Un grave inconveniente è che l'analisi del circuito risulta difficile, perché la topologia del regolatore comprende ora due anelli di retroazione. Una seconda complicanza è l'instabilità dell'anello di controllo "interno" (che trasporta il segnale di corrente dell'induttore) a cicli di lavoro superiori al 50%. Un'ulteriore sfida deriva dal fatto che, poiché l'anello di controllo deriva dalla corrente di uscita dell'induttore, le risonanze dallo stadio di potenza possono introdurre rumore in questo anello di controllo interno.³

Limitare un regolatore con controllo della modalità di corrente a cicli di lavoro inferiori al 50% impone gravi limiti sulla tensione di ingresso del dispositivo. Fortunatamente, è possibile risolvere il problema di instabilità "iniettando" una piccola quantità di compensazione della pendenza nell'anello interno. Questa tecnica garantisce un funzionamento stabile a tutti i valori del ciclo di lavoro PWM.

La compensazione della pendenza si ottiene sottraendo una forma d'onda di tensione a dente di sega (eseguita alla frequenza di clock) dall'uscita dell'amplificatore di errore. In alternativa, la tensione di pendenza della compensazione può essere aggiunta direttamente al segnale di corrente dell'induttore (Figura 4).


Figura 4: Regolatore con controllo della modalità di corrente con compensazione della pendenza. (Per gentile concessione di Texas Instruments)

L'analisi matematica dimostra che per garantire la stabilità dell'anello di corrente la pendenza della rampa di compensazione deve essere maggiore della metà della pendenza verso il basso della forma d'onda della corrente.⁴

Esistono molti regolatori con controllo della modalità di corrente in commercio. Microsemi, ad esempio, offre il regolatore step-down ("buck") sincrono NX7102 con controllo della modalità di corrente. Il chip può accettare un intervallo di ingresso da 4,75 a 18 V e offre un'uscita regolabile fino a 0,925 V. La corrente di uscita massima è di 3 A e l'efficienza massima è tra il 90 e il 95%, a seconda della tensione di ingresso.

Dal canto suo, Texas Instruments offre un'ampia gamma di regolatori con controllo della modalità di corrente. Un esempio è il modello TPS63060, un regolatore buck/step-up ("boost") sincrono a 2,4 MHz con un'uscita da 2,5 a 8 V (fino a 1 A) da un'alimentazione compresa tra 2,5 e 12 V. Il dispositivo offre fino al 93% di efficienza ed è destinato alle applicazioni mobili, come computer portatili e apparecchiature industriali di misurazione.

Anche STMicroelectronics offre una gamma di dispositivi con controllo della modalità di corrente, tra cui STBB2. Si tratta di un regolatore buck/boost sincrono a 2,5 MHz che offre un'uscita di 2,9 o 3,4 V da un ingresso compreso tra 2,4 e 5,5 V. Il dispositivo è in grado di fornire fino a 800 mA al 90% di efficienza e viene offerto in un contenitore BGA (ball-grid array).

La rinascita della modalità di tensione

Una sfogliata di alcuni cataloghi di fornitori di silicio rivela che i regolatori con controllo della modalità di tensione non sono scomparsi. La ragione di questo è che le principali debolezze della precedente generazione di dispositivi sono state risolte utilizzando una tecnica chiamata controllo feed-forward della tensione.

Il controllo feed-forward della tensione è realizzato modificando la pendenza della forma d'onda di rampa PWM con una tensione proporzionale alla tensione di ingresso. Questo offre una modulazione corrispondente e correttiva del ciclo di lavoro indipendente dall'anello di retroazione.

La tecnica migliora la risposta del circuito ai transitori di carico e di linea, eliminando la sensibilità alla presenza di un filtro di ingresso. Il controllo feed-forward della tensione stabilizza anche il guadagno dell'anello in modo tale che non cambia più con la tensione di ingresso. Un piccolo inconveniente è un relativo aumento della complessità del circuito, perché è necessario un sensore per rilevare la tensione di ingresso.

Gli ingegneri hanno una vasta scelta nell'ampia gamma di regolatori con controllo della modalità di tensione offerti dai principali fornitori. Ad esempio, Maxim propone un portafoglio con diversi dispositivi con controllo della modalità di tensione, tra cui MAX5073. Questo regolatore a commutazione è un dispositivo buck/boost a 2,2 MHz operante da un'alimentazione compresa tra 5,5 e 23 V e che genera un'uscita da 0,8 a 28 V. In modalità buck, il regolatore può erogare fino a 2 A.

Allo stesso modo, Intersil offre ISL9110A, un regolatore a commutazione a 2,5 MHz, dotato di controllo della modalità di tensione. Il dispositivo opera con un intervallo della tensione di ingresso da 1,8 a 5,5 V, fornendo un'uscita di 3,3 V fino a 1,2 A al 95% di efficienza.

International Rectifier offre invece IR3891, un regolatore buck con controllo della modalità di tensione e un ampio intervallo di ingresso da 1 a 21 V e un intervallo di uscita da 0,5 a 18,06 V. Il chip ha un intervallo della frequenza di commutazione da 300 kHz a 1,5 MHz e può erogare fino a 4 A. Il dispositivo IR3891 offre due uscite.

La scelta della tecnologia

Praticamente tutti i regolatori a commutazione di tensione impiegano il controllo PWM per gli elementi di commutazione. Il segnale PWM viene generato da una tensione di controllo (derivata sottraendo la tensione di uscita dalla tensione di riferimento) combinata con una forma d'onda a dente di sega eseguita alla frequenza di clock per il regolatore della modalità di tensione oppure aggiungendo un secondo anello che rialimenta la corrente dell'induttore per il tipo a modalità di corrente. I dispositivi moderni hanno largamente superato i grossi inconvenienti dei progetti obsoleti, impiegando tecniche quali il controllo feed-forward della tensione per i modelli con controllo della modalità di tensione e la compensazione della pendenza per i modelli con controllo della modalità di corrente.

Il risultato di queste innovazioni è che gli ingegneri hanno una vasta scelta di entrambi i tipi di topologia. I regolatori a commutazione con controllo della modalità di tensione sono raccomandati quando sono possibili ampie variazioni del carico di linea o di uscita, in presenza di bassi carichi (quando la pendenza della rampa per il controllo della modalità di tensione sarebbe insufficiente per un funzionamento PWM stabile), in applicazioni rumorose (quando il rumore dallo stadio di potenza potrebbe introdursi nell'anello di retroazione del controllo della modalità di corrente) e quando sono necessarie tensioni a uscite multiple con buona regolazione incrociata.

I dispositivi con controllo della modalità di corrente sono consigliati per applicazioni in cui l'uscita di alimentazione è ad alta corrente o a tensione molto alta, quando è necessaria la risposta dinamica più veloce a una particolare frequenza, se le variazioni della tensione di ingresso sono limitate e in applicazioni dove il costo e il numero dei componenti devono essere ridotti al minimo.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimenti:

1. "Understanding and Applying Current-Mode Control Theory - Practical Design Guide for Fixed-Frequency, Continuous Conduction-Mode Operation", Robert Sheehan, National Semiconductor, ottobre 2007.
2. "Voltage-Mode, Current-Mode (and Hysteretic Control)", Sanjaya Maniktala, Microsemi, TN-203, 2012.
3. "Switching Power Supply Topology Voltage Mode vs. Current Mode", Robert Mammano, Unitrode, DN-62, giugno 1994.
4. "Modelling, Analysis and Compensation of the Current-Mode Converter", Texas Instruments, U-97, 1999.