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Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 34) – Progettazione di un semplice alimentatore ausiliario isolato

Pubblicato il 17 febbraio 2014

Avete mai sentito il bisogno di generare un’alimentazione isolata per il comando di gate, per il rilevamento isolato o per i circuiti di comunicazione? In questo Power Tip daremo un’occhiata a un circuito in grado di fare ciò con un numero di componenti, complessità e costo minimi. Questo circuito èutilizzato quando si ha a disposizione una tensione di ingresso ridotta e i circuiti alimentati permettono qualche variazione della tensione di alimentazione (5%).

Figure1

Fig. 1 – Un buck sincrono fornisce un’alimentazione isolata

La figura 1 mostra un esempio di questa tecnica: un circuito integrato (IC) sviluppato appositamente per questo requisito. In ogni caso, qualsiasi circuito buck sincrono in grado di lavorare in “sink operation” (cioè la corrente nell’induttore deve poter andare anche in verso opposto) può essere utilizzato. Questo circuito, noto come flyback (o flybuck) a semiponte asimmetrico, funziona come un regolatore buck sincrono. Un totem pole a FET, connesso alla tensione di ingresso, alimenta un filtro condensatore-induttore. L’uscita del filtro viene poi regolata attraverso il divisore di tensione e l’ingresso invertente di un amplificatore d’errore. L’amplificatore d’errore controlla il duty cycle del FET per mantenere la tensione DC al giusto valore.

La tensione su C6 è circa pari alla tensione di ingresso moltiplicata per il duty cycle.  Come per uno stadio di potenza buck, il valore medio, in un ciclo, dell’area tensione-tempo sull’induttore deve essere pari a zero. Questo circuito aggiunge un avvolgimento accoppiato all’induttore e utilizza il diodo per raddrizzare la tensione dell’induttore riflesso quando il FET low side è in funzione. La tensione sull’induttore durante questo processo è pari alla tensione di uscita e idealmente l’uscita del circuito sarà regolata. Pertanto, le cadute di tensione nel circuiti primario e secondario avranno un impatto negativo sulla regolazione. In questo circuito, la regolazione della tensione in funzione del carico subirà un impatto significativo dovuto alla tensione di forward del diodo D1. Tuttavia, il diodo può essere sostituito con un FET per migliorare la regolazione del carico.

Figure2

Fig. 2 – Una perdita ridotta aumenta le correnti di circolazione

Così come con un SEPIC con induttore accoppiato, i componenti parassiti in questa topologia possono avere un impatto sulle prestazioni del circuito. Durante il tempo di ON, il circuito è abbastanza “tranquillo” e la maggior parte della corrente fluisce nell’induttanza magnetizzante dell’induttore accoppiato, T1, caricando C6. Il condensatore di uscita, C3, fornisce la corrente di carico. Tuttavia, durante il tempo di OFF, i due condensatori vengono connessi in parallelo tramite gli avvolgimenti accoppiati dell’induttore. Questi condensatori presentano diverse tensioni e gli unici fattori che limitano il flusso di corrente tra i due sono i componenti parassiti nel circuito. Questi parassiti includono l’ESR dei due condensatori, la resistenza di avvolgimento dell’induttore accoppiato, le resistenze dei MOSFET low-side (e relativo diodo) e l’induttanza dispersa degli induttori accoppiati.

La figura 2 mostra le correnti simulate per diversi valori di induttanza dispersa. Il set superiore rappresenta la corrente nel primario di T1 e il set della parte inferiore rappresenta la corrente nel diodo di uscita, D1. L’induttanza dispersa varia da un induttore completamente accoppiato di 10 nH a un induttore debolmente accoppiato di 1 uH. Nel caso dell’induttore completamente accoppiato, la corrente di picco è di gran lunga maggiore ed è essenzialmente limitata dalle resistenze in tutto il circuito.

Nel caso dell’induttore debolmente accoppiato, le correnti di picco sono più ridotte. L’elevata induttanza dispersa consente di migliorare l’efficienza dell’alimentazione riducendo le correnti RMS. Nella figura 2 viene mostrato il confronto. Un induttore debolmente accoppiato presenta una riduzione del 50% nel flusso di corrente, portando ad una riduzione delle perdite di un 75% in alcuni componenti. Lo svantaggio nell’utilizzare un induttore debolmente accoppiato viene rappresentato da un degrado nella regolazione della tensione di uscita.

Figure3

Fig. 3 – La regolazione del carico in un flybuck è abbastanza buona in molti casi

La figura 3 mostra i risultati della regolazione del carico per un convertitore come nella figura 1. Se la variazione della corrente di carico è limitata, questo convertitore fornisce una regolazione “abbastanza buona” in molti casi. L’impatto della variazione della tensione di giunzione del diodo, cosi’ come il ringing, risulta elevato a bassi carichi. Un carico minimo, o uno Zener, potrebbe essere necessario per ridurre questi effetti a carico ridotto. A pieno carico, i componenti parassiti del circuito compromettono la regolazione. Di conseguenza, riducendoli i risultati migliorano. Ad esempio, la sostituzione di un diodo con un interruttore sincrono migliora notevolmente la regolazione del carico. Riassumendo, un convertitore flybuck fornisce una topologia interessante che risponde alla necessità di un’alimentazione a basso costo, semplice ed isolata se il carico è in grado di tollerare una certa variazione (dal 5% al 10%) sulla tensione di uscita. L’efficienza, con uscita a 5 volt, può essere buona (80%) con i raddrizzatori a diodi e può essere ulteriormente migliorata con dei raddrizzatori sincroni.

Nel prossimo articolo vedremo come minimizzare l’effetto della capacità distribuita in un trasformatore.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: http://www.ti.com/power-ca

Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

Riferimento

  • Chen&Chen; “Small-Signal Modeling of Assymetrical Half-Bridge Flyback Converter” (Modelli di piccoli segnali di convertitori flyback a semiponte) IPEMC 2006.

Robert Kollman, Texas Instruments

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