Nel presente articolo esaminiamo un semplice circuito che converte un’elevata tensione AC applicata all’ingresso in una tensione DC molto più bassa, utilizzabile per alimentare circuiti per le misure di energia.
In questo particolare caso non è necessario isolare la tensione di uscita da quella d’ingresso; la tensione d’ingresso AC raddrizzata può raggiungere i 375 V e l’uscita può essere prossima a 5 V, a correnti di alcune centinaia di milliampere. In queste applicazioni ad alto volume spesso il costo è un fattore importante, per cui è necessario un circuito economico o con un basso numero di componenti.
Un regolatore in discesa (buck) offre una soluzione economica, ma che può essere difficile da implementare con un ingresso ad alta tensione. In modalità continua, il duty cycle di questo convertitore buck è uguale al rapporto tra la tensione di uscita e quella d’ingresso, ossia 1,25% per una conversione da 400 V a 5 V. Se l’alimentatore funziona a 100 kHz, il tempo allo stato On deve essere pari a 125 ns, un intervallo spesso inattuabile a causa delle limitazioni sulla frequenza di commutazione.
Fig. 1 – Un alimentatore di polarizzazione semplice ed economico realizzato mediante un circuito integrato buck a bassa tensione
La figura 1 presenta un circuito che risolve il problema del duty cycle. Un controllore a tempo On costante (U1) pilota uno stadio di potenza buck ad alta tensione, consistente di un FET a canale P (Q4) pilotato da un circuito traslatore di livello (Q2, Q3), per convertire 400 V in 5 V.
Il controllore (TPS64203 nell’esempio) è alla base di questo progetto; ha una bassa corrente a riposo (35 uA) che permette al convertitore di avviarsi off-line con minima dissipazione di potenza nei resistori R2 e R3. Il secondo vantaggio che offre è la sua capacità di generare brevi (600 ns) impulsi di gate per il tempo On per aumentare la frequenza di commutazione minima (in modalità di conduzione continua) oltre 20 kHz. Q1 serve a traslare il livello della tensione di comando di gate a quello del driver high-side. Un’uscita bassa dal circuito integrato applica circa 5 V ai capi di R4 e questo fa sì che in Q1 e R5 vi sia una corrente costante.
La tensione ai capi di R5 è applicata, attraverso gli inseguitori di emettitore, al gate del FET a canale P. Inoltre, la corrente carica C4 per alimentare i circuiti di comando, che sono semplificati grazie alla scelta del FET a canale P; se ne avessimo impiegato uno a canale N, sarebbe stato necessario un metodo di pilotaggio del suo gate oltre la tensione d’ingresso per comandare opportunamente il dispositivo.
La figura 2 mostra due forme d’onda del circuito, dalle quali risulta che si ottengono buone frequenze di commutazione mediante semplici driver bipolari. Tempi di salita e discesa del comando del gate minori di 50 ns producono tempi di commutazione del drain minori di 30 ns. È possibile aumentare le frequenze regolando la corrente di comando che viene aumentata passando al FET a canale P, al costo di un’ulteriore dissipazione di potenza.
L’efficienza di questo circuito è pari a circa il 70 percento, un buon valore se si tiene presente che il livello di potenza è di soli 4 watt, la conversione avviene da 400 V a 5 V e il circuito è semplice ed economico. Il progetto ha due difetti, ossia la mancanza di protezione contro i cortocircuiti e le sovratensioni; tuttavia, questo circuito può rappresentare un compromesso economico in molte applicazioni.
Il prossimo argomento della rubrica sarà un metodo di misura del margine di fase dell’anello di regolazione di un alimentatore senza avere accesso ai suoi componenti interni.
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