Alcune considerazioni sul VRS – Virtual remote sensing

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 3 giugno 2010

Regolare in modo preciso la tensione su un carico può essere difficile se tra l’alimentatore e il carico stesso vi sono significative cadute di tensione. Anche se un regolatore produce una tensione perfettamente regolata sulla sua uscita, le variazioni della corrente di carico influiscono sulla caduta ohmica di potenziale (IR drop) lungo il cablaggio, con conseguenti importanti fluttuazioni della tensione all’estremità del carico (Fig. 1). In genere, al fine di migliorare la regolazione sul lato del carico si aggiungono ulteriori cavi per il rilevamento remoto (Fig. 2); tuttavia, questa soluzione non è sempre adatta o fattibile. Il Virtual Remote Sensing (VRS) è un nuovo metodo di controllo che sostituisce le soluzioni tradizionali – con tutte le relative insidie – e in alcuni casi consente di superare problemi prima irrisolvibili.

Fig. 1 – Il modello più semplice per la regolazione del carico su interconnessioni resistive

Regolazione al carico prima del VRS
Il Virtual Remote Sensing risolve i problemi associati al mantenimento della regolazione del carico all’estremità di cablaggi lunghi. Inoltre, il VRS è più semplice da implementare e offre prestazioni migliori rispetto a metodi tradizionali quali il rilevamento remoto diretto della tensione, la compensazione delle cadute di tensione e la regolazione all’estremità del carico.
 

Il primo dei metodi tradizionali, il rilevamento remoto diretto (Fig. 2) assicura un’eccellente regolazione del carico sull’estremità, ma richiede due coppie di cavi: una per fornire corrente di carico e una per misurare la tensione sul carico per la corretta regolazione. Il rilevamento remoto deve essere inoltre perfettamente integrato nel sistema. Infatti, a meno che non sia già predisposta una coppia aggiuntiva di cavi di rilevamento, il rilevamento remoto è impossibile da implementare in un secondo momento.

Fig. 2 – Il rilevamento remoto da un lato risolve i problemi di regolazione del carico, ma dall’altro richiede un maggior numero di cavi

La compensazione delle cadute di tensione, seconda tra le tecniche tradizionali, non prevede l’aggiunta di cavi, ma richiede una stima attenta della caduta di tensione delle linee di carico. La tensione di alimentazione è regolata in modo da compensare la caduta della tensione di interconnessione stimata. Tuttavia, dal momento che la caduta di tensione non è misurata ma solo stimata, la precisione di questo metodo è discutibile.

La terza tecnica tradizionale, che consiste nel posizionare un regolatore di tensione direttamente sul carico, assicura precisione e facilità di cablaggio; tuttavia, il regolatore occupa parecchio spazio all’estremità del carico, riduce l’efficienza del sistema di alimentazione nel suo complesso e aumenta la dissipazione vicino al carico. Nei sistemi industriali e automotive, spesso caratterizzati da ambienti complessi, potrebbe non essere possibile posizionare un regolatore all’estremità del carico.
Il VRS non presenta i limiti descritti in precedenza e consente una regolazione ottimale del carico in presenza di condizioni diverse.

Cos’è il VRS?
La figura 3 illustra uno schema semplificato di un sistema VRS formato da un alimentatore (o un regolatore) che aziona un carico su un’interconnessione resistiva (composta da cablaggio e relativi connettori). Se da un lato senza il VRS è comunque possibile conoscere la tensione di alimentazione (VSUPPLY) e la corrente DC (ILOAD), dall’altro non vi è alcun modo di determinare quanta tensione viene fornita al carico e quanta viene persa nel cablaggio. È pertanto impossibile regolare con precisione la tensione del carico.

Fig. 3 – Il VRS è estremamente semplice da implementare

L’LT4180 VRS risolve questo problema attraverso la verifica continua dell’impedenza di linea e la correzione dinamica delle cadute di tensione. Il dispositivo funziona alternando la corrente di uscita tra il 95% e il 105% della corrente di uscita richiesta. In altre parole, l’LT4180 forza l’alimentatore in modo che fornisca corrente DC più un’onda quadra di corrente con ampiezza picco-picco pari al 10% della corrente DC. Il condensatore di disaccoppiamento C, che generalmente garantisce la bassa impedenza dei transienti di carico nei sistemi sprovvisti di VRS, filtra anche i transienti di tensione dall’onda quadra VRS.

Poiché il condensatore C è dimensionato per produrre un “cortocircuito AC” sulla frequenza dell’onda quadra, l’onda quadra della tensione prodotta sull’alimentatore è uguale a VSUPPLY(AC) = 0,1 • IDC • R (misurata in VP-P). L’onda quadra della tensione misurata sull’alimentatore ha un’ampiezza picco-picco uguale a 1/10 della caduta di tensione DC. Questa non è una stima, bensì una misurazione diretta della caduta di tensione del cablaggio per tutte le correnti di carico. L’elaborazione secondaria del segnale crea una tensione DC da questo segnale AC, che viene inserita nel loop reazione dell’alimentazione per fornire una regolazione precisa al carico.

Come funziona il VRS?
La figura 4 mostra la regolazione del carico statico per l’LT4180. In questo caso, la corrente di carico è stata aumentata da 0 a un valore in grado di produrre una caduta di 2,5 V nel cablaggio. La tensione sul carico si è ridotta di soli 73 mV alla corrente massima rispetto al valore che avrebbe avuto in assenza di corrente. Anche con una caduta di tensione nel cablaggio pari al 50% della tensione di carico nominale, la tensione sul carico è rimasta entro l’1,5% del valore di corrente in assenza di carico. Cadute di tensione di minore entità hanno prodotto risultati migliori.

Fig. 4 – La regolazione del carico statico per l’LT4180 è efficace su una gamma estesa di cadute di tensione tra regolatore e carico

VRS, una tecnica estremamente flessibile
L’LT4180 è compatibile con qualsiasi alimentatore o regolatore, sia lineare o di commutazione, isolato o non isolato. Gli alimentatori possono essere sincronizzati o meno all’LT4180. Al fine di soddisfare i vari requisiti dei sistemi e degli alimentatori è possibile regolare la frequenza operativa del VRS per tre decadi. Il dispositivo supporta anche il funzionamento di tipo ‘spread spectrum’ per fornire l’immunità parziale da interferenze alla singola tonalità. L’ampio range di tensioni in ingresso rende più semplice la progettazione.

Risolvere i problemi prima irrisolvibili con il VRS
Oltre a offrire un’alternativa alle tecniche tradizionali, il VRS apre nuove opportunità nel campo del caricamento di batterie, dei sistemi industriali ed Ethernet, dell’illuminazione, del carotaggio e di altre applicazioni.

Carica ottimizzata delle batterie
La figura 5 illustra un sistema di alimentazione mal progettato per notebook, palmari, telefoni cellulari o dispositivi di intrattenimento portatili. Per ridurre al minimo le dimensioni del dispositivo elettronico portatile è stato utilizzato un alimentatore/caricabatteria esterno (Fig. 5). Il caricabatteria funziona correttamente solo quando il dispositivo è spento e non consuma corrente. Quando la batteria è carica, la relativa corrente di carica (IBAT) è quasi pari a zero. Con I = 0, la tensione del caricabatteria VSUPPLY è uguale alla tensione variabile della batteria e la terminazione della carica funziona correttamente.

Fig. 5 – Pe
r ridurre le dimensioni del dispositivo, un’architettura (imperfetta) di carica delle batterie utilizza un caricabatteria esterno

Ma cosa succede se il regolatore di tensione del sistema assorbe corrente? Se la tensione della batteria VBAT è inferiore alla tensione richiesta dal caricabatteria (VSUPPLY), la carica rallenta o si interrompe. La resistenza di interconnessione non può essere ridotta a sufficienza per risolvere questo problema. La precisione della tensione variabile relativa alle batterie Li-Ion pari all’1% si traduce in un errore della tensione variabile di 42 mV (per una batteria agli ioni di litio a una cella). Poiché gli errori di tensione variabile possono essere generati anche da altre fonti, la caduta di tensione del cablaggio deve essere mantenuta al di sotto di questo valore.

Le soluzioni tradizionali si basano su un’architettura complessa come quella illustrata nella figura 6, che integra nel dispositivo il caricatore e il controller del percorso di alimentazione. Se da un lato questo riduce gli errori di carica associati al cablaggio, dall’altro aumenta le dimensioni del dispositivo e la dissipazione di potenza al suo interno poiché il caricatore e il controller devono essere impacchettati all’interno.

Fig. 6 – Tipica architettura di carica delle batterie senza VRS

La figura 7 mostra la soluzione senza compromessi basata sul VRS. La tensione del caricatore è controllata con precisione sul dispositivo indipendentemente dalla corrente di carico (I): in questo modo è possibile utilizzare un’alimentazione esterna per il caricabatteria. Il controller non è più necessario.

Fig. 7 – La carica semplificata delle batterie con VRS riduce le dimensioni del dispositivo nel suo complesso, rendendo possibile quello che la soluzione nella figura 5 non consente

Compensazione delle cadute di linea in applicazioni PoE
Il VRS è particolarmente vantaggioso anche per le applicazioni PoE e quelle industriali. Il VRS consente ai dispositivi a bassa tensione (con corrente operativa elevata) di funzionare su cavi CAT5 e CAT6 – senza cadute causate da cablaggi lunghi. È possibile compensare anche le cadute di linea da 10 V a 20 V, eliminando così la necessità di un regolatore sulle estremità lontane (a volte è tuttavia richiesto un regolatore lineare semplice).

Retrofitting di applicazioni industriali
Il VRS rende più semplice anche il retrofitting dei sistemi per le applicazioni industriali. Prendiamo l’esempio in cui per una nuova apparecchiatura è disponibile una coppia di cavi, ma la regolazione sull’estremità del carico non è in linea con le sue specifiche. In questo caso il VRS può essere utilizzato per controllare l’alimentatore o il regolatore esistente. Questa soluzione è molto più semplice e pratica dell’aggiunta di un’altra coppia di cavi per il rilevamento remoto o l’aggiunta di un regolatore sull’estremità del carico.

Maggiore efficienza e migliore emissione luminosa delle applicazioni di illuminazione ad alta densità
A differenza delle lampade ad incandescenza, che sono sempre meno utilizzate, le lampade alogene ad alta intensità sono sempre più diffuse. La tensione operativa delle lampade alogene incide direttamente sulla loro emissione luminosa, sull’efficienza, sulla durata e sulla temperatura colore, come illustrato nella figura 8 e descritto di seguito:

– l’emissione luminosa è proporzionale a V3.4
– il consumo di corrente è proporzionale a V1.6
– la durata è inversamente proporzionale a V16
– la temperatura colore è proporzionale a V0.42

Questi dispositivi funzionano generalmente a 12 V, ma a correnti relativamente alte; le cadute di linea possono essere altrettanto alte, con una discrepanza all’estremità del carico di uno o più volt. Una lampada alogena da 12 V azionata a 11 V produce il 25% di luce in meno rispetto al suo funzionamento alla tensione corretta e consente un risparmio di corrente solo del 13%. Nel caso di una luce fissa, se la tensione cade a 11 V è necessario utilizzare il 25% di lampadine in più. L’uso di lampade alogene alla tensione corretta assicura un controllo dell’illuminazione più preciso, oltre che una migliore temperatura colore e un’efficienza ottimizzata.

Fig. 8 – Sulla base del raffronto tra i parametri delle lampade e la relativa tensione normalizzata, una migliore regolazione della tensione migliora l’uscita, consente un risparmio di energia e prolunga la durata

Il sistema VRS può anche essere utilizzato per mantenere costante l’intensità della lampadina. Vicino alla lampadina viene posizionato un condensatore, punto in cui viene poi controllata la tensione. Per i sistemi di illuminazione di medie e grandi dimensioni, l’efficienza energetica compensa la maggiore complessità dell’alimentatore DC rispetto ai trasformatori standard. Anche la temperatura colore della luce viene controllata in modo ottimale e la durata nel tempo delle lampadine aumenta.

Utilizzando un alimentatore per fari alogeni basato su topologia SEPIC (Fig. 9) è possibile migliorare l’affidabilità della lampadina e garantire al contempo un’illuminazione perfetta. La sua progettazione consente di mantenere una tensione di 12 V in un range di tensioni di ingresso compreso tra 9 V e 15 V. L’alimentatore è compatibile con resistenze di interconnessione fino a 1 ohm. Grazie al rilevamento VRS, il convertitore SEPIC può essere posizionato a distanza dal carico (ad es. nell’abitacolo, lontano dai componenti sotto il cofano), così da migliorare l’affidabilità.

 

Fig. 9 – L’alimentatore di un faro alogeno per automobili

I vantaggi sono tangibili anche sul fronte dell’illuminazione a faretti in ambito residenziale e commerciale. I costi associati alla corretta regolazione della tensione delle lampade vengono rapidamente ripagati sotto forma di risparmio energetico e maggiore efficienza. È infatti possibile risparmiare 2-3 kWh al giorno per una stringa da 250 W, pur mantenendo la stessa intensità luminosa. Anche la temperatura colore (indipendente dalla tensione, a differenza di altri parametri) migliora notevolmente. Il VRS consente la regolazione remota della tensione di una singola lampada o la regolazione di primo ordine di più lampade distribuite su un unico rail di potenza.

VRS, l’unica soluzione per linee chilometriche
Il VRS può essere utilizzato per le applicazioni di carotaggio di pozzi di petrolio e gas, dove la strumentazione è spesso collegata a cavi lunghi da centinaia a migliaia di chilometri.

Un insieme di applicazioni
L’LT4180 include tutti i componenti necessari per la realizzazione di un alimentatore lineare (ad eccezione del pass transistor). Dal momento che offre anche il blocco della sovra- e sottotensione, con pochi componenti è possibile configurare un alimentatore VRS lineare completo di tutte le funzionalità (Fig. 10).

Fig. 10 – Un alimentatore lineare VRS completo di tutte le sue funzionalità realizzato utilizzando l’LT4180

L’alimentatore lineare rappresentato nella figura 10 fornisce una tensione di 12 V a 500 mA con un ingresso di 18 V. Il pass transistor Q1 è controllato da R3, R7 e Q2 tramite il pin DRAIN. Q2 serve per mantenere la tensione del pin DRAIN al di sotto del rating massimo assoluto. C5, R8 e C6 ass
icurano la compensazione, mentre R2, R4, R5 e R6 impostano le soglie della tensione di uscita e di blocco. R1 è il resistore per il rilevamento della corrente. C7–C10 sono condensatori utilizzati dal sistema VRS; C11 e R9 impostano la frequenza dell’onda quadra. La risposta tipica allo step di carico è mostrata nelle figure 11 e 12 con resistenza di cablaggio pari a 4 ohm e capacità di 100 µF e 1100 µF sull’estremità del carico.

Fig. 11 – Risposta allo step di carico dell’alimentatore lineare mostrato nella figura 10 con capacità di disaccoppiamento di 100 µF

Fig. 12 – Risposta allo step di carico dell’alimentatore lineare mostrato nella figura 10 con capacità di disaccoppiamento di 1100 µF

La risposta al transiente del VRS è ben controllata con un CLOAD ampiamente variabile. La figura 13 mostra come l’LT4180 si interfaccia a un modulo di alimentazione Vicor, fornendo rilevamento VRS per un carico di 3,3 V/2,5 A o 5 V, 2,5 A attraverso una resistenza di cablaggio pari a 0,5 ohm. La tensione di uscita è regolata modificando il valore di R3. La tensione di ingresso nominale è di 48 V. Il VRS è possibile tramite il pin di attivazione del modulo. Questa progettazione supporta resistenze di cablaggio da 0,5 ohm e capacità di disaccoppiamento di 1000 µF.

Fig. 13 – È facile integrare il sistema VRS in un modulo di alimentazione

La figura 14 illustra un convertitore di flyback interamente isolato in grado di fornire 3,3 V di tensione a 3 A da un ingresso da 18 V a 72 V e progettato per correggere resistenze di cablaggio da 0,5 a 2 ohm. La capacità di disaccoppiamento del carico consigliata è di 1000 µF. L’isolamento è possibile grazie a T1 e all’optoisolatore U3. Dall’LT4180 è inoltre possibile fornire un segnale OSC optoisolato (non rappresentato in questa figura) a un alimentatore per la sincronizzazione.

Fig. 14 – Un convertitore flyback VRS interamente isolato

La figura 15 mostra un regolatore buck in grado di fornire 12 V a 2 A per un carico con resistenza di cablaggio di 1-3 ohm. Si consiglia una capacità di disaccoppiamento del carico pari a 470 µF. La tensione in ingresso è compresa tra 20 e 36 V.

Fig. 15 – Un convertitore buck VRS

Sebbene forniscano una tensione corretta sul carico, i tradizionali sistemi di rilevamento remoto a due cavi presentano numerosi svantaggi. I cavi di rilevamento comportano costi aggiuntivi e occupano spazio sul sistema. Inoltre, se si rompono o vengono scollegati, implicano una serie di problemi in termini di affidabilità. Un sistema VRS, invece, oltre ad assicurare un’eccellente regolazione sul carico, non presenta gli svantaggi dei sistemi di rilevamento remoto cablati. A differenza di altri schemi di compensazione, ad es. la resistenza negativa, il VRS controlla continuamente l’uscita, anche in caso di variazione della resistenza di caduta della linea. Il VRS corregge le cadute a livello dei cavi e del connettore. Il rumore sulle linee di alimentazione prodotto dal circuito VRS può essere facilmente eliminato posizionando un condensatore sul carico, sempre incluso nei sistemi di rilevamento remoto. L’LTC4180 consente la correzione del rilevamento remoto per sia per i regolatori di circuiti integrati per che gli alimentatori offline . Il costo dell’aggiunta di un circuito integrato VRS in un sistema di alimentazione è generalmente inferiore rispetto alla posa di cavi per il rilevamento remoto.

L’LT4180 mette a disposizione dei progettisti di alimentatori uno strumento innovativo e pratico che consente il VRS per la regolazione precisa della tensione di carico su interconnessioni altamente resistive. Il VRS offre una serie di alternative – prima non disponibili – per semplificare o migliorare la progettazione. L’LT4180 è compatibile con qualsiasi alimentatore o regolatore, sia esso sia lineare o di commutazione, isolato o non isolato, sincronizzato o non sincronizzato. Il dispositivo integra un circuito di regolazione VRS, una serie di funzionalità quali il blocco della sovra- e sottotensione e driver optoisolatori.

www.linear.com
 

Tom Hack, senior design engineer, Linear Technology Corp.



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