Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 12): Ottimizzazione dell’efficienza degli alimentatori
Dalla rivista:
Elettronica Oggi
In questo articolo illustreremo come sia possibile utilizzare la stessa serie per ottimizzare l’efficienza dell’alimentatore per una particolare corrente di carico. In Alimentazione: alcuni suggerimenti-parte 11, abbiamo proposto di calcolare le perdite di potenza in funzione della corrente di uscita in base alla seguente formula:
Il passo successivo consiste nell’inserire questa semplice espressione nell’equazione per il calcolo dell’efficienza:
Infine si può ottimizzare l’efficienza in base alla corrente di uscita (lasciamo la dimostrazione alla volontà del lettore). L’ottimizzazione produce un interessante risultato, ossia che l’efficienza è massima quando la corrente di uscita è uguale al valore fornito dalla seguente espressione:
Anzitutto si nota che il termine a1 non influisce sul valore di corrente che massimizza l’efficienza. Ciò perché è correlato a perdite proporzionali alla corrente di uscita, come quelle che si generano nelle giunzioni dei diodi. Quindi, a mano a mano che aumenta la corrente di uscita, queste perdite e la potenza di uscita aumentano proporzionalmente e non hanno alcun effetto sull’efficienza. In secondo luogo, si osserva che l’efficienza è massima quando le perdite costanti sono uguali alle perdite per conduzione.
Ciò implica che deve essere possibile ottimizzare l’efficienza, dato che si ha il controllo sui componenti da cui dipendono i valori di a0 e a2. Ovviamente, per migliorare l’efficienza occorre anche cercare di ridurre il valore di a1. Poiché i guadagni ottenuti operando su questo termine saranno uguali per tutti i valori della corrente di carico, non si otterrà un’ottimizzazione, come invece è possibile con gli altri termini. L’obiettivo, per quanto riguarda a1, è minimizzarlo mirando a contenere i costi.
La tabella 1 presenta un riepilogo dei vari termini da cui dipendono le perdite in un alimentatore e i coefficienti corrispondenti. Ci si può così fare un’idea di alcuni dei compromessi da raggiungere per massimizzare l’efficienza dell’alimentatore. Ad esempio, la scelta della resistenza allo stato On del MOSFET di potenza influisce sulle perdite nel comando di gate, su quelle dovute a COSS e sulle possibili perdite nello snubber: un valore più basso di tale resistenza comporta un aumento inverso di questi tre fattori. Quindi è possibile agire su a0 e a2 scegliendo opportunamente il MOSFET.
Nella fase successiva dei calcoli, si sostituisce il valore della corrente ottimale nell’equazione dell’efficienza e si ottiene così l’espressione che fornisce l’efficienza massima:
In questa equazione è necessario minimizzare gli ultimi due termini per massimizzare l’efficienza. Per quanto riguarda a1, occorre semplicemente ridurlo, mentre l’ultimo termine richiede di effettuare delle scelte: supponendo che la potenza in COSS e quella nel comando di gate di un MOSFET dipendano dalla relativa area e che la resistenza allo stato On sia inversamente proporzionale all’area stessa, è possibile selezionare l’area (e la resistenza) ottimale. La figura 1 presenta i risultati di un’ottimizzazione dell’area del die.
Quando l’area è piccola, la resistenza allo stato On del MOSFET diventa il fattore limitante dell’efficienza.
All’aumentare dell’area, aumentano le perdite nel comando di gate e in COSS, e a un certo punto diventano il fattore dominante. L’intervallo del minimo è relativamente ampio, offrendo al progettista una certa flessibilità nel bilanciare il costo del MOSFET rispetto alla riduzione delle perdite conseguibile. Il minimo viene raggiunto quando le perdite nel comando sono uguali alle perdite per conduzione.
La figura 2 mostra l’andamento dell’efficienza per tre possibili progetti basati sul punto ottimale illustrato nella figura 1. Sono presentate aree del die normalizzate ai valori 1, 2 e 3. A bassi carichi, l’efficienza dell’area più grande è penalizzata dall’aumento delle perdite nel comando, mentre a carichi più alti l’area più piccola risente dell’aumento delle perdite per conduzione.
Il prossimo argomento della rubrica saranno le limitazioni associate alla riduzione delle dimensioni dei componenti magnetici all’aumentare della frequenza di commutazione.
Per leggere numeri precedenti della rubrica “Suggerimenti sull’alimentazione” di Robert Kollman: www.eo-web.it/webexclusive
Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: www.ti.com/power-ca
Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com
Robert Kollman, Texas Instruments
Contenuti correlati
-
I nuovi alimentatori industriali TDK-Lambda di Classe I e II da 10 a 50W
La serie TDK-Lambda ZWS-C è costituita da alimentatori industriali CA-CC da 10, 15, 30 e 50 W che soddisfano le norme EN55011/EN55032-B in una struttura di Classe I o Classe II (doppio isolamento), senza la necessità per...
-
Costruire un sensore di parametri vitali senza contatto per più pazienti per uso domestico
Con un sensore radar a onde millimetriche (mmWave) è possibile rilevare movimenti minimi, persino dal torace di un paziente (quindi i parametri vitali), movimenti a letto o addirittura monitorare più pazienti in una volta sola Leggi l’articolo...
-
DNA, PCR e alimentatori: cosa hanno in comune?
Le tecnologie di alimentazione digitali hanno contribuito a rendere il processo PCR (ovvero la reazione a catena della polimerasi) una tecnica di laboratorio che consente di produrre rapidamente (amplificare) milioni o miliardi di copie di uno specifico...
-
Farnell distribuisce gli alimentatori compatti serie TMPW di Traco Power
Farnell ha ampliato la sua offerta con gli alimentatori incapsulati da 5-50 Watt serie TMPW di Traco Power. Questi alimentatori AC/DC ultracompatti sono disponibili in versioni per montaggio su scheda o su telaio. I modelli con montaggio...
-
Nuove gamme di dispositivi GaN da Texas Instruments
Texas Instruments (TI) ha presentato due nuove gamme di dispositivi di conversione di potenza che consentono di ottenere maggiori densità di potenza. I nuovi stadi di potenza integrati al nitruro di gallio (GaN) da 100 V di...
-
Gli alimentatori ad alta affidabilità per applicazioni industriali di COSEL
COSEL ha ampliato la sua offerta con gli alimentatori AC/DC ad alta affidabilità della serie PDA, destinati ad applicazioni industriali. La nuova serie utilizza una topologia quasi risonante con un numero limitato di componenti con l’obiettivo di...
-
TDK-Lambda: alimentatori AC-DC trifase su guida DIN da 480W e 960W
TDK Corporation ha aggiunto alla sua gamma di alimentatori TDK-Lambda DRB dei nuovi modelli con ingresso CA trifase. Questi prodotti, caratterizzati da installazione su guida DIN, sono progettati per il funzionamento continuo a 480 W o 960...
-
Diagnostica di carico avanzata per ridurre i tempi di downtime
Il rilevamento della corrente è una soluzione diagnostica del carico che, una volta aggiunta a una rete di distribuzione della potenza 24 VCC, permette di migliorare la raccolta dei dati, rendendo possibile diagnosticare correnti di sovraccarico, rotture...
-
Implementazione di un master IO-Link con temporizzazione deterministica
Questo articolo affronterà l’argomento dell’implementazione di master IO-Link ad alte prestazioni in sistemi industriali per ottenere tempi di ciclo precisi e latenza deterministica Leggi l’articolo completo su Embedded 91
-
Texas Instruments presenta nuovi chip automotive
Texas Instruments (TI) ha presentato a CES2024 i suoi nuovi semiconduttori progettati per migliorare la sicurezza e l’intelligenza nel settore automotive. Il chip sensore radar a onde millimetriche AWR2544 a 77 GHz è il primo nel settore...