Incrementare l'efficienza e ridurre il rumore dei circuiti regolati in c.c.

Un modo per fornire una tensione di ingresso a un motore a corrente continua (c.c.) a 24 V è quello di collegare ai suoi morsetti un'alimentazione a 24 V nominali e premere l'interruttore "on". Il motore funzionerà perfettamente. Ma il problema di un'alimentazione a tensione nominale è proprio questo: potrebbe, ad esempio, arrivare a 38 V o scendere a 15 V. Sebbene queste fluttuazioni potrebbero non danneggiare un dispositivo relativamente resistente come un motore c.c., ne comprometterebbero di certo le prestazioni. Non si può dire lo stesso per applicazioni sensibili come quelle automotive, di avionica o telecomunicazioni. In questi e in molti altri prodotti, le sottotensioni o le sovratensioni possono causare danni permanenti.

Un'ulteriore sfida si presenta se l'alimentazione di ingresso non corrisponde a quella richiesta dal motore c.c. Ad esempio, una comune tensione di alimentazione c.c. è di 48 V. Collegarla direttamente a un motore a 24 V sarebbe disastroso.

Una soluzione semplice ci viene da un regolatore di tensione c.c. Come suggerisce il nome, il dispositivo può mantenere un'uscita rigorosamente regolata da un ingresso variabile (entro determinate soglie). Pertanto, anche se l'ingresso varia tra 38 e 15 V, il regolatore fornirà un'uscita costante di 24 V entro solo pochi punti percentuali in ciascuna direzione. I regolatori di tensione possono anche fornire un'uscita diversa dalla tensione di ingresso, consentendoci di alimentare in modo sicuro il nostro motore a 24 V con un'alimentazione a 48 V.

La potenza della regolazione della tensione

Per regolare la tensione sono disponibili in commercio molte opzioni. La più semplice è il regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO). Un LDO è facile da progettare e richiede pochi componenti esterni; è anche relativamente economico e compatto. Uno svantaggio non da poco è che il dispositivo è in grado di fornire solo un'uscita inferiore all'ingresso. Questo non ci aiuterebbe se l'alimentazione a 24 V scendesse sotto il suo valore nominale.

L'altro potenziale svantaggio degli LDO è la scarsa efficienza. Per regolare la tensione, il dispositivo utilizza essenzialmente una rete di divisori resistivi, quindi maggiore è la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita, maggiore è la dissipazione di potenza interna e maggiore è l'aumento della temperatura. Se utilizzassimo un LDO per regolare, ad esempio, un'alimentazione da 48 a 24 V, il regolatore funzionerebbe con un'efficienza del 50% circa. In un'epoca in cui cerchiamo in ogni modo di risparmiare energia, questi sprechi non sono accettabili (Figura 1).

Figura 1: L'efficienza di un LDO è proporzionale al rapporto tra la tensione di uscita e quella di ingresso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Miglioramenti dell'LDO

I regolatori a commutazione offrono una maggiore efficienza per la regolazione della tensione. I principi di funzionamento sono complessi, ma la regolazione si ottiene essenzialmente con la commutazione ad alta frequenza di coppie di transistor per caricare periodicamente uno o più induttori, che poi dissipano la loro energia verso il carico, pronti per essere ricaricati al ciclo successivo. A differenza di un LDO, la regolazione della tensione non si ottiene dividendo la tensione di ingresso tramite una rete resistiva. Questo elimina di fatto la maggior parte delle inefficienze associate al dispositivo lineare.

Di conseguenza, se utilizzassimo un moderno regolatore a commutazione per fornire 24 V da un ingresso a 48 V, potremmo ragionevolmente aspettarci un'efficienza ben superiore al 90% (entro alcuni limiti progettuali). Meglio ancora, i regolatori a commutazione possono sia aumentare ("boost") che ridurre ("buck") le tensioni di ingresso. Molti dispositivi sono in grado di fare entrambe le cose, passando senza problemi da una modalità all'altra. Quindi, anche se la tensione di ingresso oscilla tra livelli bassi e alti, il regolatore alimenterà in modo efficiente e costante 24 V per mantenere in funzione il nostro motore c.c. (Figura 2).

Figura 2: La forma più semplice di un regolatore di tensione a commutazione buck/boost comprende un transistor, due diodi, un induttore e un condensatore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I regolatori a commutazione presentano alcuni svantaggi. Sono complessi, costosi e richiedono molti componenti esterni che non solo occupano spazio, ma necessitano anche di competenze di progettazione piuttosto avanzate per la selezione appropriata. Forse la sfida più grande viene da tutta questa commutazione ad alta frequenza. La commutazione genera non solo interferenze elettromagnetiche (EMI), ma anche ripple percepibili sulla tensione di uscita. Entrambi i problemi possono essere mitigati, ma non eliminati, da circuiti di filtraggio ben progettati.

Incremento dell'efficienza

Sebbene i regolatori a commutazione dimostrino un'efficienza eccellente, non sono perfetti. Le principali fonti di assorbimento di potenza sono le perdite di corrente continua durante la fase di conduzione dei transistor e le perdite di commutazione quando invertono gli stati. I produttori hanno incorporato nei loro prodotti degli accorgimenti intelligenti per migliorare l'efficienza in determinate modalità. Ad esempio, la modalità di conduzione discontinua (DCM) impedisce alla corrente dell'induttore del regolatore di invertire la direzione a basse correnti di uscita. Ciò contribuisce a migliorare l'efficienza dei bassi carichi.

Gli odierni regolatori di tensione a commutazione regolano anche quando non è necessario e, nel farlo, consumano energia improduttiva. Ma c'è un trucco che finora è stato poco utilizzato. Consideriamo l'esempio di un motore a 24 V c.c. alimentato con una tensione nominale di 24 V. Anche se abbiamo visto che l'alimentazione può variare sensibilmente, per la maggior parte del tempo è a 24 V o comunque molto vicina a questo valore. In questo caso, potremmo interrompere la regolazione della tensione e migliorare l'efficienza eliminando le perdite di conduzione e di commutazione, oltre ad altre perdite di potenza sostenute dal regolatore.

È una tecnica commercializzata da Analog Devices con la modalità Pass-Thru, incorporata in prodotti come il regolatore buck/boost LT8210EFE (Figura 3). Il regolatore trasforma un ingresso tra 2,8 e 100 V in un'uscita tra 1 e 100 V e ha due coppie di transistor high-side e low-side.

Figura 3: In modalità Pass-Thru, la tensione di ingresso passa nel regolatore LT8210 attraverso i transistor high-side permanentemente attivi. L'efficienza è molto elevata e non viene generato alcun rumore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In modalità Pass-Thru, i due commutatori high-side del dispositivo sono permanentemente attivi, consentendo alla tensione di alimentazione non regolata di scorrere direttamente attraverso il dispositivo, mentre i due commutatori low-side sono sempre spenti. A seconda delle correnti e delle tensioni che attraversano il regolatore, sono possibili efficienze prossime al 100%. Inoltre, durante il funzionamento Pass-Thru non si generano EMI o ripple della tensione di uscita.

E non è tutto!

È possibile impostare la regione Pass-Thru di LT8210 programmando le soglie di regolazione bassa e alta. Ad esempio, il carico potrebbe richiedere un'uscita nominale di 12 V ma si sa che può tollerare tranquillamente una tensione non regolata compresa tra 8 e 16 V. È quindi possibile impostare la modalità Pass-Thru per quell'intervallo e beneficiare di un'altissima efficienza quando la tensione è entro tale intervallo. Per qualsiasi tensione di alimentazione inferiore a 8 V, il regolatore si attiva per aumentarla fino a 8 V, mentre per qualsiasi tensione superiore a 16 V si attiva per portarla a 16 V (Figura 4).

Figura 4: La regione Pass-Thru può essere programmata su LT8210. La regolazione avviene quindi solo al di fuori di questa regione. Notare l'aumento dell'efficienza durante il funzionamento nella regione Pass-Thru. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Analog Devices fornisce anche una pratica scheda dimostrativa, la DC2814A-C, che è basata su LT8210. La scheda funziona con un ingresso da 26 a 80 V e fornisce un'uscita da 36 a 56 V, fino a una corrente massima di 2 A. Può essere utilizzata per mostrare i vantaggi della modalità Pass-Thru su parametri come la temperatura dei componenti (Figura 5, a e b).

Figura 5: Profilo di temperatura della scheda dimostrativa DC2814A-C (in alto, (a)) durante la regolazione di un ingresso di 60 V fino a un'uscita di 56 V con una corrente di carico di 2 A. La stessa scheda dimostrativa viene mostrata (in basso, (b)) quando funziona in modalità Pass-Thru con un'alimentazione di 45 V e una corrente di carico di 2 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I regolatori a commutazione sono un'ottima scelta per la regolazione della tensione quando è importante poter contare su un'alta efficienza. Ma consumano comunque una certa quantità di energia e il rumore di commutazione può essere un problema. Sfruttando la funzione Pass-Thru di Analog Devices è possibile ottenere significativi guadagni di efficienza e un funzionamento privo di rumore. Quanto più il carico è tollerante alle fluttuazioni di tensione, tanto maggiori sono i potenziali guadagni.