Microelettronica in 12 puntate – 11: Considerazioni sui regolatori di tensione

Pubblicato il 19 febbraio 2016

Un regolatore di tensione è progettato per mantenere automaticamente un livello di tensione costante. Può essere un semplice “feed-forward” o può includere cicli di controllo di feedback. In accordo al design, esso può essere utilizzato per regolare uno o più tensioni AC o DC.

Fig. 1 – Regolatori lineare LT1083

I regolatori di tensione o Voltage regulator si trovano in dispositivi come alimentatori di computer, dove stabilizzano le tensioni DC utilizzate dal processore e altri elementi. In un sistema di distribuzione di energia elettrica, i regolatori di tensione possono essere installati lungo le linee di distribuzione.

Un regolatore di tensione semplice può essere fatto da un resistore in serie ad un diodo (o una serie di diodi). A causa della forma logaritmica del diodo, la tensione ai capi del diodo cambia solo leggermente per variazione di corrente assorbita o cambiamenti nell’input. Quando il controllo preciso della tensione ed efficienza non sono importanti, questo design può funzionare bene. I regolatori di tensione di feedback operano confrontando la tensione di uscita effettiva con una di riferimento fissa. Qualsiasi differenza viene amplificata ed utilizzata per controllare l’elemento di regolazione in modo tale da ridurre l’errore di tensione.

figura2

Fig. 2 – Efficienza vs Tensione per un LDO

Un regolatore di tensione genera una tensione di uscita che rimane costante indipendentemente dalle variazioni alle sue condizioni di tensione o di carico di ingresso. Ci sono due tipi di regolatori di tensione: lineare e di commutazione (switching o SMPS). Un regolatore lineare impiega un componente attivo (BJT o MOSFET) comandato da un amplificatore differenziale ad alto guadagno. Si confronta la tensione di uscita con una tensione di riferimento precisa e si regola il dispositivo di passaggio per mantenere una tensione di uscita costante.

Un regolatore switching, invece, converte la tensione continua all’ingresso in una commutata applicata ad un MOSFET di potenza o un interruttore BJT. La tensione di uscita filtrata viene reimmessa nel circuito che controlla l’accensione e spegnimento in modo che la tensione di uscita rimanga costante indipendentemente dalla tensione di ingresso.

Linear Voltage Regulator

Il regolatore lineare è stato ampiamente utilizzato per lungo tempo. Ancora oggi, regolatori lineari sono ancora ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni. La figura 4 mostra un tipico regolatore lineare 3 poli, l’LT1083, che è stato sviluppato più di 20 anni fa da Linear Technology. Si deve avere solo un condensatore di ingresso, di uscita e due condensatori resistori di retroazione per regolare la tensione di uscita.

Ci sono molte applicazioni in cui i regolatori lineari o LDO forniscono soluzioni superiori agli switching. Le Soluzioni LDO sono semplici e facili da usare, soprattutto per applicazioni a bassa potenza con corrente di uscita bassa in cui lo stress termico non è critico. Non è richiesto alcun induttore di alimentazione esterno.

figura3

Fig. 3 – Regolatore lineare

Per le applicazioni sensibili al rumore, come i dispositivi di comunicazione radio, i regolatori lineari hanno un ripple della tensione di uscita molto basso, perché non ci sono elementi di accensione e spegnimento frequente e possono avere un’elevata larghezza di banda. Quindi, non vi è il piccolo problema di EMI. Alcuni LDO speciali, come la famiglia LT1761 LDO di Linear Technology, hanno tensione di rumore di uscita dell’ordine di 20μVRMS.  Valori più alti per i regolatori switching anche con condensatori a basso ESR. I regolatori LDO trovano spazio in applicazioni con transitori veloci. Il loop di retroazione è di solito interno e, quindi, non è necessario una compensazione esterna. In genere, i regolatori lineari hanno larghezza di banda più ampia del ciclo di controllo e una risposta più rapida ai transienti di quella di SMPS o swtiching.

Per le applicazioni in cui la tensione di uscita è vicina alla tensione di ingresso, LDO può essere più efficiente di un SMPS. Ci sono LDO con dropout molto basso (VLDO) come Linear LTC1844, LT3020 e LTC3025 da 20 mV a 90 mV di tensione di dropout e fino a 150 mA di corrente. Un SMPS di solito ha una minore efficienza a basso carico a causa delle sue perdite di commutazione AC. Nelle applicazioni a batteria in cui l’efficienza a basso carico è anche critica, un LDO è  in grado di fornire una soluzione migliore di un SMPS (Fig. 2).

Un regolatore lineare opera con un transistore bipolare di potenza o ad effetto di campo (FET) in modalità lineare. Così il transistor funziona come un resistore variabile in serie con il carico di uscita. Per stabilire l’anello di retroazione, concettualmente, un amplificatore di errore rileva la tensione di uscita DC tramite una rete di resistenze RA e RB e quindi confronta la tensione VFB di retroazione con una tensione di riferimento VREF (Fig. 3). La tensione di uscita di errore pilota la base del transistore di potenza tramite un amplificatore di corrente. La variazione della VO viene assorbita dalla tensione VCE del transistor lineare. Quindi la tensione VCC di uscita è sempre costante e ben regolata.

figura4

Fig. 4 – Buck converter

Switching regulator

Una risposta rapida è alta efficienza. In un SMPS, i transistor sono gestiti in modalità di commutazione invece della modalità lineare. Ciò significa che quando il transistor è acceso e conduce corrente, la caduta di tensione attraverso il suo percorso di alimentazione è minima. Quando il transistor è spento e blocca l’alta tensione, non vi è quasi nessuna corrente attraverso il suo percorso di alimentazione. Così, il transistor semiconduttore è come un interruttore ideale.

La potenza dissipata nel transistor è quindi minima. Alta efficienza, bassa dissipazione di potenza sono le ragioni principali per i progettisti di utilizzare SMPS invece di regolatori lineari LDO soprattutto nelle applicazioni ad alta corrente.  In generale, la frequenza di commutazione superiore significa componenti di filtro di uscita più piccoli in dimensione. Di conseguenza, i costi del sistema di alimentazione possono essere ridotti, così come le dimensioni. Maggiore larghezza di banda può anche migliorare la risposta ai transitori di carico.

Tuttavia, la frequenza di commutazione più elevata comporta maggiori perdite di potenza AC che richiede un dissipatore di calore per limitare lo stress termico. Per le applicazioni di corrente di uscita ≥10A la gamma di lavoro è da circa 100kHz a 1MHz. Per corrente di carico inferiori a 10A, la frequenza di commutazione può essere fino a diversi MHz. La frequenza ottimale per ogni design è il risultato di attenti compromessi in dimensioni, costi, e ad altri parametri di prestazione.

figura5

Fig. 5 – Tipica forma d’onda di commutazione e perdite in un buck converter

La figura 4a mostra il regolatore semplice e più popolare di commutazione, il buck convertitore DC / DC. Esso ha due modalità operative, a seconda se il transistore Q1 viene acceso o spento. Quando l’interruttore (transistor) Q1 è acceso, la corrente di commutazione di tensione del nodo VSW è uguale a VIN e l’induttore L è in carica (VIN – VO). La figura 4 (b) mostra il circuito equivalente in questa modalità. Quando l’interruttore Q1 è spento, la corrente dell’induttore passa attraverso il diodo D1 di ricircolo, come mostrato in figura 4 (c). La tensione del nodo di commutazione VSW è eguale a 0 V e la corrente induttore L è scaricato mediante il carico.

Con i componenti ideali, un convertitore buck ideale è efficiente al 100%. In realtà, la dissipazione di potenza è sempre associata ad ogni componente di potenza. Ci sono due tipi di perdite in un SMPS: perdite di conduzione DC e perdite di commutazione AC. Le perdite di conduzione di un convertitore buck derivano principalmente dalla caduta di tensione attraverso il transistore Q1, il diodo D1 e induttore L, quando conducono corrente. Un vero e proprio transistor richiede tempo per essere acceso o spento. Così, ci sono tensioni e sovrapposizioni di corrente durante i transitori di accensione e spegnimento, che generano perdite di commutazione AC. La figura 5 mostra le forme d’onda di commutazione tipiche del MOSFET Q1 nel convertitore buck sincrono.

Maurizio Di Paolo Emilio



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