Perché e come usare i convertitori c.c./c.c. buck sincroni per massimizzare l'efficienza della conversione in discesa

La necessità di abbassare le alte tensioni del bus per alimentare i circuiti integrati e altri carichi sta crescendo per molti sistemi usati nei settori automotive, automazione industriale, telecomunicazioni, informatica, elettrodomestici ed elettronica consumer. La sfida per i progettisti è quella di eseguire questa conversione in discesa con la massima efficienza, il minimo carico termico, a basso costo e assicurando alla soluzioni le dimensioni più piccole possibili.

I convertitori buck asincroni convenzionali sono una soluzione potenzialmente a basso costo, ma hanno anche efficienze di conversione inferiori che non soddisfano le esigenze di molti sistemi elettronici. I progettisti possono rivolgersi ai convertitori c.c./c.c. sincroni e ai controller c.c./c.c. sincroni per sviluppare soluzioni compatte ad alta efficienza.

Questo articolo descrive brevemente i requisiti di prestazione dei sistemi elettronici per la conversione c.c./c.c. ad alta efficienza ed esamina la differenza tra convertitori c.c./c.c. asincroni e sincroni. Presenta quindi diverse opzioni di progettazione di convertitori c.c./c.c. sincroni di Diodes, Inc., STMicroelectronics e ON Semiconductor insieme a schede di valutazione e guida alla progettazione che possono dare avvio allo sviluppo di soluzioni ad alta efficienza.

Perché sono necessari i convertitori c.c./c.c. sincroni

I crescenti requisiti di maggiore efficienza in tutti i tipi di sistemi elettronici, combinati con l'aumento della complessità dei sistemi, stanno portando a un'evoluzione delle architetture dei sistemi di potenza e delle topologie di conversione. Con un numero crescente di domini di tensione indipendenti per supportare le funzionalità crescenti, le architetture di alimentazione distribuita (DPA) sono utilizzate sempre più nei sistemi elettronici.

Al posto di diversi alimentatori isolati per pilotare i vari carichi, un DPA ha un alimentatore c.a./c.c. isolato che produce una tensione di distribuzione relativamente alta e convertitori buck multipli e più piccoli che convertono la tensione di distribuzione in una più bassa come richiede ogni singolo carico (Figura 1). L'uso di convertitori buck multipli offre i vantaggi di dimensioni più piccole, maggiore efficienza e migliori prestazioni.

Figura 1: Architettura di alimentazione distribuita che mostra l'alimentatore c.a/c.c. isolato principale (front-end) e i convertitori multipli c.c./c.c. non isolati che alimentano i carichi a bassa tensione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il processo di selezione tra convertitori buck asincroni e sincroni si basa sui compromessi tra costi ed efficienza. Se è richiesto un costo totale della soluzione più basso e si può accettare un'efficienza inferiore e un carico termico più elevato, una soluzione buck asincrona può essere quella preferita. D'altro canto, se l'efficienza è prioritaria e si preferisce una soluzione che rimanga più fredda durante il funzionamento, un convertitore buck sincrono più costoso è generalmente la scelta migliore.

Convertitori buck sincroni e asincroni

Una tipica applicazione di un convertitore buck asincrono è mostrata nella Figura 2. LM2595 di ON Semiconductor è un CI monolitico che include l'interruttore di alimentazione principale e il circuito di controllo. È compensato internamente per minimizzare il numero di componenti esterni e semplificare il design dell'alimentatore. Offre un'efficienza di conversione tipica dell'81% e dissipa il 19% della potenza sotto forma di calore, mentre una soluzione buck sincrona avrà un'efficienza di conversione tipica del 90% circa, dissipando sotto forma di calore solo il 10% della potenza. Ciò significa che le perdite termiche in un convertitore buck asincrono sono quasi il doppio di quelle di un convertitore buck sincrono. Pertanto, l'uso di un convertitore buck sincrono semplifica notevolmente i problemi di gestione termica riducendo la quantità di calore generato.

Figura 2: Tipica applicazione del convertitore buck asincrono che mostra il raddrizzatore di uscita (D1), il filtro di uscita (L1 e Cout) e la rete di retroazione (Cff, R1 e R2). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

In un convertitore buck sincrono, come ST1PS01 di STMicroelectronics, il raddrizzatore di uscita è sostituito da un raddrizzatore MOSFET sincrono (Figura 3). La minore rresistenza nello stato On del MOSFET sincrono rispetto al raddrizzatore di uscita in un convertitore buck asincrono riduce le perdite e si traduce in efficienze di conversione significativamente più elevate. Il MOSFET sincrono è interno al CI, eliminando la necessità di un diodo raddrizzatore esterno.

Figura 3: Circuito applicativo buck sincrono che mostra l'eliminazione del diodo raddrizzatore di uscita esterno. Il filtraggio dell'uscita e i componenti di retroazione sono sempre necessari. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Vi è un costo superiore per la maggiore efficienza e il minore carico termico resi possibile da un convertitore buck sincrono. Con un singolo MOSFET a commutazione di potenza e un diodo per il raddrizzamento, i controller dei convertitori buck asincroni sono molto più semplici (e più piccoli) poiché non devono preoccuparsi della possibilità di conduzione incrociata e non vi è un FET sincrono da controllare. Per controllare entrambi gli interruttori, una topologia buck sincrona richiede un driver più complicato e un circuito con protezione dalla conduzione incrociata (Figura 4). Garantire che entrambi i MOSFET non si accendano allo stesso tempo e creino un cortocircuito diretto richiede una maggiore complessità e si traduce in CI più grandi e costosi.

Figura 4: Schema a blocchi del convertitore buck sincrono in CI che mostra i due MOSFET integrati (vicino al pin 'SW') e il circuito/driver aggiunto per la protezione dalla conduzione incrociata. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Anche se i convertitori buck sincroni controllati con modulazione della larghezza di impulso sono più efficienti in condizioni di carico moderato o pieno, i convertitori buck asincroni spesso offrono efficienze di conversione più elevate in condizioni di basso carico. Questo, tuttavia, sta diventando irrilevante, in quanto le ultime implementazioni dei convertitori buck sincroni includono modalità operative multiple che permettono ai progettisti di ottimizzare le efficienze a basso carico.

Buck sincrono per la distribuzione dell'energia elettrica a 5 e 12 V

Per i progettisti che utilizzano la distribuzione dell'energia elettrica a 5 e 12 V nei prodotti consumer e negli elettrodomestici, Diodes, Inc. offre AP62600, un convertitore buck sincrono da 6 A con un ampio intervallo di ingresso da 4,5 a 18 V. Il dispositivo integra un MOSFET di potenza high-side da 36 mΩ e un MOSFET di potenza low-side da 14 mΩ per fornire una conversione c.c./c.c. step-down ad alta efficienza.

AP62600 richiede un numero minimo di componenti esterni grazie al controllo COT (tempo di servizio costante). Offre anche una rapida risposta ai transitori, una facile stabilizzazione dell'anello e un basso ripple della tensione di uscita. Il design di A62600 è ottimizzato per la riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Il dispositivo ha uno schema del gate driver proprietario per resistere alle oscillazioni del nodo di commutazione senza sacrificare i tempi di accensione e spegnimento del MOSFET, riducendo così il rumore EMI irradiato ad alta frequenza causato dalla commutazione del MOSFET. Il dispositivo è disponibile in un contenitore V-QFN2030-12 (Type A).

È dotato di un indicatore Power Good che avverte l'utente di qualsiasi condizione di errore. Una modalità programmabile di avvio graduale controlla la corrente di inserzione all'accensione, consentendo ai progettisti di implementare il sequenziamento dell'alimentazione quando si utilizzano più AP62600 per alimentare dispositivi integrati di grandi dimensioni, come gli array di porte programmabili sul campo (FPGA), i circuiti integrati per applicazioni specifiche (ASIC), i processori di segnali digitali (DSP) e le unità a microprocessore (MPU).

AP62600 offre ai progettisti una scelta di tre modalità di funzionamento per soddisfare le specifiche esigenze delle singole applicazioni (Figura 5). L'alta efficienza può essere realizzata su tutti i carichi con il funzionamento a modulazione della frequenza di impulso (PFM). Altre modalità disponibili includono la modulazione della larghezza di impulso (PWM) per ottenere le migliori prestazioni di ripple e una modalità a ultrasuoni (USM) che evita il rumore udibile ai bassi carichi.

Figura 5: AP62600 offre ai progettisti una scelta di tre modalità di funzionamento per soddisfare le esigenze delle singole applicazioni: PFM, USM e PWM. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Per aiutare i progettisti utilizzare AP62600, Diodes, Inc. offre loro la scheda di valutazione AP62600SJ-EVM (Figura 6). AP62600SJ-EVM ha un layout semplice e permette l'accesso ai segnali appropriati attraverso i punti di prova.

Figura 6: La scheda di valutazione AP62600SJ-EVM è un ambiente di valutazione semplice e pratico per AP62600. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Buck sincrono per bus a 24 V

L6983CQTR di STMicroelectronics ha un intervallo di ingresso da 3,5 a 38 V e fornisce fino a 3 A di corrente di uscita. I progettisti possono utilizzarlo in una vasta gamma di applicazioni, compresi i sistemi di alimentazione industriale a 24 V, apparecchiature alimentate a batteria a 24 V, nodi intelligenti decentralizzati, sensori e applicazioni sempre accese e a basso rumore.

L6983 si basa su un'architettura compensazione in modalità di corrente di picco con compensazione interna ed è confezionato in un QFN16 di 3 mm x 3 mm, riducendo al minimo la complessità e le dimensioni del progetto. L6983 è disponibile sia nella versione a basso consumo (LCM) che in quella a basso rumore (LNM). LCM massimizza l'efficienza ai bassi carichi con un ripple della tensione di uscita controllato, che rende il dispositivo adatto ad applicazioni alimentate a batteria. LNM rende costante la frequenza di commutazione e minimizza il ripple della tensione di uscita per le operazioni a basso carico, soddisfacendo le specifiche per le applicazioni sensibili al rumore. L6983 permette di selezionare la frequenza di commutazione nell'intervallo da 200 kHz a 2,3 MHz con una divisione di spettro opzionale per EMC migliorate.

STMicroelectronics offre la scheda di valutazione STEVAL-ISA209V1 con la quale i progettisti possono esplorare le capacità del regolatore step-down monolitico sincrono L6983 e iniziare i loro progetti.

Controller buck sincrono per progetti di calcolo e telco

NCP1034DR2G di ON Semiconductor è un controller PWM ad alta tensione progettato per applicazioni c.c./c.c. buck sincrone ad alte prestazioni con tensioni di ingresso fino a 100 V. Questo dispositivo è destinato all'uso nella conversione di potenza non isolata a 48 V in applicazioni embedded di telecomunicazione, connettività di rete e calcolo. NCP1034 pilota una coppia di MOSFET a canale N esterni come mostra la Figura 7.

Figura 7: Circuito applicativo tipico del controller sincrono buck NCP1036 che mostra i MOSFET high-side e low-side (Q1 e Q2 rispettivamente). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

NCP1036 ha una frequenza di commutazione programmabile da 25 kHz a 500 kHz e un pin di sincronizzazione che permette di controllare esternamente la frequenza di commutazione. Entrambi questi controlli di frequenza permettono ai progettisti di selezionare il valore ottimale per ogni specifica applicazione e di sincronizzare tra loro molteplici controller NCP1034. Il dispositivo include anche un blocco di sottotensione e una protezione del limite di corrente saltuaria programmabili dall'utente. Per i progetti a bassa tensione, è possibile utilizzare una tensione di riferimento di 1,25 V regolata internamente per una regolazione più precisa della tensione di uscita.

I quattro circuiti di blocco di sottotensione inclusi proteggono sia il dispositivo che il sistema. Tre sono dedicati a funzioni specifiche; due proteggono i driver high-side e low-side esterni e uno protegge il CI dall'avvio prematuro prima che VCC sia sotto una soglia impostata. Il quarto circuito di blocco della sottotensione può essere programmato mediante un divisore resistivo esterno: fintantoché VCC rimane al di sotto del valore di soglia impostato, il controller rimane spento.

Per aiutare i progettisti a iniziare a usare NCP1034, ON Semiconductor offre la scheda di valutazione NCP1034BCK5VGEVB (Figura 8). Questa scheda è stata progettata con diverse opzioni per supportare una varietà di esigenze di sistema. Prevede un regolatore lineare che alimenta il CI e selezionando il resistore appropriato il progettista può scegliere se usare un diodo Zener o un transistor ad alta tensione. I progettisti hanno anche una scelta di compensazione di secondo tipo (modalità tensione) o di terzo tipo (modalità corrente), condensatori di uscita ceramici o elettrolitici selezionabili e vari valori di capacità di ingresso. Vi sono due pin basetta: uno per una facile connessione a una fonte esterna di impulsi di sincronizzazione per permettere alla scheda di collegarsi direttamente all'altra scheda dimostrativa NCP1034, l'altro per collegarsi al pin SS/SD che può essere usato per spegnere il controller collegandolo a terra.

Figura 8: La scheda di valutazione NCP1034BCK5VGEVB include molteplici opzioni per aiutare i progettisti a iniziare rapidamente nuovi progetti. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

La necessità di abbassare le alte tensioni del bus per alimentare i circuiti integrati e altri carichi sta crescendo per molti sistemi usati nei settori automotive, automazione industriale, telecomunicazioni, informatica, elettrodomestici ed elettronica consumer.

Come mostrato, i progettisti possono rivolgersi a convertitori di potenza buck sincroni per implementare questa conversione in discesa con la massima efficienza, il minimo carico termico e a basso costo per una soluzione dalle dimensioni più piccole possibili.

Letture consigliate

1. I convertitori buck asincroni offrono una maggiore efficienza a carichi più bassi
2. Generare uscite multiple da un singolo convertitore buck sincrono è semplice