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| alimentatori_switching [2020/12/13 18:19] – [Convertitore step-down o buck] admin | alimentatori_switching [2026/03/12 08:29] (versione attuale) – [Note applicative] admin |
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| * i MOSFET presentano una resistenza `R_(on)` di pochi ohm | * i MOSFET presentano una resistenza `R_(on)` di pochi ohm |
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| La **modulazione PWM** è una tecnica che permette di ottenere un valore di tensione regolabile a piacere da una sorgente in continua senza dissipare potenza((al contrario di quello che avviene usando un potenziometro o un transistor nel funzionamento attivo lineare)). La tecnica si basa sull'utilizzo di un componente a semiconduttore che, posto tra sorgente di alimentazione, viene utilizzato come interruttore. Commutando rapidamente tra ON e OFF si applica alternativamente tensione al carico in modo da ottenere un valore medio pari al valore di tensione desiderato. Solitamente la frequenza della tensione rettangolare applicata al carico è costante mentre è possibile regolare il tempo t<sub>on</sub> durante il quale è applicata piena tensione (cioè la larghezza dell'impulso di tensione). | La **modulazione PWM** è una tecnica che permette di ottenere un valore di tensione regolabile a piacere da una sorgente in continua senza dissipare potenza((al contrario di quello che avviene usando un potenziometro o un transistor nel funzionamento attivo lineare)). La tecnica si basa sull'utilizzo di un componente a semiconduttore che, posto tra sorgente di alimentazione e carico, viene utilizzato come interruttore. Commutando rapidamente tra ON e OFF si applica alternativamente tensione al carico in modo da ottenere un valore medio pari al valore di tensione desiderato. Solitamente la frequenza della tensione rettangolare applicata al carico è costante mentre è possibile regolare il tempo t<sub>on</sub> durante il quale è applicata piena tensione (cioè la larghezza dell'impulso di tensione). |
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| {{::dutycycle.png|duty cycle 50% e 75%}} | {{::dutycycle.png|duty cycle 50% e 75%}} |
| dove d è detto //duty cycle//. | dove d è detto //duty cycle//. |
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| In tutti gli alimentatori switching è presente un **induttore** (o, in alternativa, un trasformatore ad alta frequenza) per accumulare (e restituire) energia. Gli induttori sono sede di fenomeni di autoinduzione((tensioni indotte dovute a variazioni di flusso concatenato generato dall'induttore stesso)) e il loro comportamento è descritto dalla legge di Ohm per gli induttori: | In tutti gli alimentatori switching è presente un **induttore** (o, in alternativa, un trasformatore ad alta frequenza) per accumulare e restituire energia. Gli induttori sono sede di fenomeni di autoinduzione((tensioni indotte dovute a variazioni di flusso concatenato generato dall'induttore stesso)) e il loro comportamento è descritto dalla legge di Ohm per gli induttori: |
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| `v = L (di)/(dt)` | `v = L (di)/(dt)` |
| * la tensione si oppone alle variazioni di corrente (legge di Lenz) | * la tensione si oppone alle variazioni di corrente (legge di Lenz) |
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| Quando la corrente che circola su un induttore cala questo diverrà sede di una tensione con verso tale da fare circolare corrente (in questa fase l'induttore eroga energia precedentemente immagazzinata nel campo magnetico) mentre quando la corrente cresce l'induttore genera una tensione che tende a limitare la corrente (l'induttore accumula energia)((come esempio di applicazione si veda il circuito bobina/candela di un automobile illustrato a pagina 3 della [[http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf|guida TI ai regolatori switching]])). | Quando la corrente che circola su un induttore cala questo diverrà sede di una tensione con verso tale da fare circolare corrente (in questa fase l'induttore eroga energia precedentemente immagazzinata nel campo magnetico) mentre quando la corrente cresce l'induttore genera una tensione che tende a limitare la corrente (l'induttore accumula energia)((come esempio di applicazione si veda il circuito bobina/candela di un automobile illustrato a pagina 3 della [[https://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida TI ai regolatori switching]])). |
| ===== Generalità ===== | ===== Generalità ===== |
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| ===== Convertitore step-down o buck ===== | ===== Convertitore step-down o buck ===== |
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| Il convertitore DC-DC più utilizzato è quello //step down// (o //buck//) illustrato in figura. E' un convertitore non isolato usato per abbassare la tensione (step down) senza cambiarne il verso. La regolazione è affidata a un sistema di controllo che misura la tensione in uscita e regola di conseguenza il duty-cycle del PWM che comanda il componente usato come interruttore (un transistor BJT in figura). | Il convertitore DC-DC più utilizzato è quello //step down// (o //buck//) illustrato in figura. E' un convertitore non isolato usato per abbassare la tensione (step down) senza cambiarne il verso. La regolazione è affidata a un sistema di controllo che misura la tensione in uscita e regola di conseguenza il duty-cycle del segnale PWM che comanda il componente usato come interruttore (un transistor BJT in figura). |
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| {{:buck.png|convertitore step-down o buck}} | {{:buck.png|convertitore step-down o buck}} |
| ===== Convertitore step-up o boost ===== | ===== Convertitore step-up o boost ===== |
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| Il convertitore DC-DC boost è produce in uscita una tensione più grande di quella in ingresso ((la corrente in uscita, per ovvi motivi, sarà più bassa di quella in ingresso)). Per comprenderne il funzionamento esaminiamo lo schema seguente: | Il convertitore DC-DC boost produce in uscita una tensione più grande di quella in ingresso ((la corrente in uscita, per ovvi motivi, sarà più bassa di quella in ingresso)). Per comprenderne il funzionamento esaminiamo lo schema seguente: |
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| {{::boost.png|convertitore boost}} | {{::boost.png|convertitore boost}} |
| * sull'induttore si manifesta una tensione indotta rivolta verso il basso | * sull'induttore si manifesta una tensione indotta rivolta verso il basso |
| * il diodo entra in conduzione | * il diodo entra in conduzione |
| * il carico e condensatore sono alimentat dall'induttore | * il carico e condensatore sono alimentati dall'induttore |
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| La figura seguente mostra la circolazione di corrente nelle due fasi. | La figura seguente mostra la circolazione di corrente nelle due fasi. |
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| Esistono molte altre tipologie di convertitori; ad esempio per potenze medie e elevate si usano convertitori con più di un transistor (push-pull, half-bridge, full-bridge). Ci sono poi particolari soluzioni che permettono di migliorare le prestazioni degli alimentatori switching: | Esistono molte altre tipologie di convertitori; ad esempio per potenze medie e elevate si usano convertitori con più di un transistor (push-pull, half-bridge, full-bridge). Ci sono poi particolari soluzioni che permettono di migliorare le prestazioni degli alimentatori switching: |
| * gli alimentatori risonanti e il soft switching permettono di ridurre le perdite nella commutazione che si hanno nei brevi istanti in cui è presente sia tensione che corrente nel transistor che commuta tra ON e OFF | * gli alimentatori risonanti e il soft switching permettono di ridurre le perdite nella commutazione; queste perdite si concentrano nei brevi istanti in cui è presente sia tensione che corrente nel transistor quando commuta tra ON e OFF |
| * gli alimentatori sincroni hanno maggiore efficienza perché evitano la dissipazione di potenza sul diodo usando al suo posto un secondo transistor | * gli alimentatori sincroni hanno maggiore efficienza perché evitano la dissipazione di potenza sul diodo usando al suo posto un secondo transistor |
| * in ingresso e in uscita si impiegano filtri EMC per ridurre i disturbi | * in ingresso e in uscita si impiegano filtri EMC per ridurre i disturbi |
| Nel progetto di un alimentatore switching, per ottenere buone prestazioni ed evitare instabilità, bisogna prendere particolari accorgimenti sia nella scelta dei componenti che nel layout del circuito stampato. I problemi principali nascono dal fatto che i circuiti operano a frequenze elevate e con correnti impulsive. | Nel progetto di un alimentatore switching, per ottenere buone prestazioni ed evitare instabilità, bisogna prendere particolari accorgimenti sia nella scelta dei componenti che nel layout del circuito stampato. I problemi principali nascono dal fatto che i circuiti operano a frequenze elevate e con correnti impulsive. |
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| Tra i componenti bisogna scegliere opportunamente i condensatori elettrolitici perché: | Bisogna scegliere i condensatori elettrolitici adatti, perché questo tipo di condensatori: |
| * hanno una resistenza serie equivalente (ESR) elevata che oltre a provocare perdite produce instabilità sulla tensione in uscita | * hanno una resistenza serie equivalente (ESR) elevata che, oltre a provocare perdite, produce instabilità sulla tensione in uscita |
| * hanno una induttanza serie equivalente (ESL) che ne limita l'utilizzo ad alte frequenze | * hanno una induttanza serie equivalente (ESL) che ne limita l'utilizzo ad alte frequenze |
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| Per questo motivo è bene scegliere condensatori elettrolitici per alta frequenza e mettere in parallelo condensatori a film (e/o ceramici a strato) di capacità minore che hanno ottime prestazioni in alta frequenza. | Per questo motivo bisogna utilizzare condensatori elettrolitici per alta frequenza mettendo in parallelo condensatori a film (e/o ceramici a strato) di capacità minore, che hanno ottime prestazioni in alta frequenza. |
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| Anche gli induttori e i trasformatori devo essere per alta frequenza, con nuclei: | Anche gli induttori e i trasformatori devo essere per alta frequenza, con nuclei: |
| * ridurre la caduta di tensione sul percorso di massa | * ridurre la caduta di tensione sul percorso di massa |
| * ridurre la lunghezza delle piste per evitare effetti antenna | * ridurre la lunghezza delle piste per evitare effetti antenna |
| * posizionare correttamente i condensatori per limitare i disturbi generati dai componenti che commutano ad alta frequenza cioè vicino all'elemento usato come interruttore e vicino ai componenti sensibili ai disturbi | * posizionare i condensatori vicino all'elemento usato come interruttore e agli integrati, in modo da limitare i disturbi generati dai componenti che commutano ad alta frequenza |
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| Per quel che riguarda le masse ci sono due soluzioni alternative: | Per quel che riguarda le masse ci sono due soluzioni alternative: |
| * dal testo di elettronica: {{ :riservata:si_18d1.fm.pdf |scheda integrativa 18D.1}} (flyback e altre tipologie di convertitori) | * dal testo di elettronica: {{ :riservata:si_18d1.fm.pdf |scheda integrativa 18D.1}} (flyback e altre tipologie di convertitori) |
| * dai documenti tecnici della Texas Instruments una [[http://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida]] sugli alimentatori switching | * dai documenti tecnici della Texas Instruments una [[http://www.ti.com/lit/an/snva559c/snva559c.pdf|guida]] sugli alimentatori switching |
| * dal sito TDK una [[http://www.global.tdk.com/news_center/publications/power_electronics_world/pdf/aaa60600.pdf|introduzione agli alimentatori a fumetti]] | * dal sito TDK una [[http://origin-www.tdk.com/news_center/publications/power_electronics_world/pdf/aaa60600.pdf|introduzione agli alimentatori a fumetti]] |
| * teardown e funzionamento di un [[http://www.righto.com/2014/05/a-look-inside-ipad-chargers-pricey.html|alimentatore per iPad]] e di un [[http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html|alimentatore per iPhone]] (utili anche le note) | * teardown e funzionamento di un [[http://www.righto.com/2014/05/a-look-inside-ipad-chargers-pricey.html|alimentatore per iPad]] e di un [[http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html|alimentatore per iPhone]] (utili anche le note) |
| * un [[http://www.digikey.com/Web%20Export/Supplier%20Content/Semtech_600/PDF/Semtech_synchronous-vs-asynchronous-buck-regulators.pdf|documento]] che spiega la differenza tra regolatore sincrono e asincrono | * un [[https://www.ti.com/lit/an/slyt358/slyt358.pdf|documento]] che spiega la differenza tra regolatore sincrono e asincrono |
| * la [[http://www.ti.com/ww/en/simple_switcher/regulators.html|linea di regolatori Simple Switcher]] della Texas Instruments | * la [[http://www.ti.com/ww/en/simple_switcher/regulators.html|linea di regolatori Simple Switcher]] della Texas Instruments |
| * la web application [[http://www.ti.com/product/LM2675#wbpanel|WEBENCH]] per dimensionare e progettare il regolatre (schematico, BOM ecc.) | * la web application [[http://www.ti.com/product/LM2675#wbpanel|WEBENCH]] per dimensionare e progettare il regolatre (schematico, BOM ecc.) |
| * linee guida per il layout [[http://www.ti.com/lit/an/snva054c/snva054c.pdf|specifiche per la linea Simple Switcher]] e [[http://www.ti.com/lit/an/snva021c/snva021c.pdf|generiche per alimentatori switching]] | * linee guida per il layout [[http://www.ti.com/lit/an/snva054c/snva054c.pdf|specifiche per la linea Simple Switcher]] e [[http://www.ti.com/lit/an/snva021c/snva021c.pdf|generiche per alimentatori switching]] |
| * [[http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/03/08/simple-switcher-regulators-deliver-a-powerful-punch-for-years|articolo]] sull'LM2576 | * [[http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/03/08/simple-switcher-regulators-deliver-a-powerful-punch-for-years|articolo]] sull'LM2576 |
| * [[http://www.onmyphd.com/?p=voltage.regulators.buck.step.down.converter|pagina]] con trattazione analitica dettagliata di un convertitore DC-DC buck | * [[https://web.archive.org/web/20180805101709/http://www.onmyphd.com/?p=voltage.regulators.buck.step.down.converter|pagina]] con trattazione analitica dettagliata di un convertitore DC-DC buck |
| * {{ ::buck-converter.zip |simulazione di un convertitore buck}} | * {{ ::buck-converter.zip |simulazione di un convertitore buck}} |
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