Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 39) – Straordinaria efficienza con convertitori sincroni

Vi è mai stato chiesto di progettare un’alimentatore in grado di fornire buoni tempi di risposta ai transitori in caso di carichi leggeri? Se sì, e se avete consentito all’alimentazione di funzionare in modalità discontinua, avrete probabilmente scoperto che con carichi leggeri il guadagno nel ciclo di controllo decresce rapidamente. Questo decremento può causare tempi di risposta ai transitori insoddisfacenti e richiedere un condensatore-filtro di uscita di grandi dimensioni. Un approccio più semplice consiste nel rendere l’alimentazione continua per tutti i carichi.

Fig. 1 – Un semplice buck viene utilizzato per mostrare i tempi di risposta ai transitori

Nella figura 1 è illustrato un semplice convertitore buck sincrono. La figura è utile per esaminare i tempi di risposta ai transitori del carico che si ottengono con una corrente continua e quelli che vengono generati con una corrente discontinua nell’induttore di uscita. Nell’induttore di uscita la corrente rimane continua anche senza carico perché il convertitore sincrono consente alla corrente dell’induttore di fluire nella direzione opposta in caso di carichi pesanti. Questo circuito è stato costruito in modo da entrare in modalità discontinua tramite la semplice sostituzione del FET inferiore (Q2) con un diodo. In questo articolo le differenze vengono mostrate in relazione a una topologia buck, ma i tempi di risposta sono simili in tutte le topologie di alimentazione.

Fig. 2 – Il funzionamento sincrono (a sinistra) fornisce tempi di risposta ai transitori più soddisfacenti

Nella figura 2 vengono indicati due tempi di risposta ai carichi transitori in corrispondenza di una variazione graduale di 700 mA nella corrente di uscita. La traccia a sinistra rappresenta il caso in cui l’alimentazione è continua, mentre la traccia a destra illustra il caso in cui l’alimentazione è discontinua. In quest’ultimo caso, i tempi di risposta ai transitori sono tre volte peggiori rispetto a quelli che si registrano quando l’alimentazione è continua. Per forzare la modalità continua, è stato utilizzato un FET sincrono. Ad ogni modo, sono disponibili mezzi alternativi per ottenere tempi di risposta ai transitori soddisfacenti. È ad esempio possibile precaricare l’uscita oppure utilizzare induttori a oscillazione. Un induttore a oscillazione è progettato in modo che la relativa induttanza cresca a bassa corrente. Allo scopo, vengono principalmente utilizzati due materiali per il core: uno con un elevato contenuto di ferrite, che satura a basse correnti, e uno in ferro in polvere, che non satura.

Fig. 3 – Durante il funzionamento discontinuo, si perde una significativa porzione del guadagno del ciclo (a destra)

Durante il funzionamento discontinuo, i tempi di risposta ai transitori peggiorano perché le caratteristiche del ciclo subiscono drastiche variazioni. La figura 3 fornisce un’illustrazione al riguardo. La curva a sinistra indica il guadagno del ciclo durante il funzionamento continuo. Il ciclo di controllo presenta una larghezza di banda di 50 kHz e incrocia il margine di fase a 60 gradi. La curva a destra indica i tempi di risposta che si hanno quando lo stadio di potenza entra in modalità discontinua. Dal funzionamento continuo al funzionamento discontinuo, lo stadio di potenza cambia da una coppia di poli complessi a un singolo polo reale in bassa frequenza. La frequenza di questo polo è impostata dal condensatore di uscita e dal resistore di carico. È possibile osservare che, a causa del polo in bassa frequenza, la fase passa a una frequenza più bassa rispetto a quella del funzionamento continuo. Il guadagno si riduce significativamente a frequenze più basse perché il polo viene a trovarsi a una frequenza di crossover molto più ridotta, con un conseguente deterioramento dei tempi di risposta ai transitori.

Per riepilogare, l’impiego di un covertitore sincrono migliora l’efficienza e contribuisce in misura determinante alla regolazione del carico transitorio. Rappresenta un’alternativa altamente efficace al precaricamento di un’alimentazione. Inoltre, rispetto agli induttori a oscillazione, fa sì che le caratteristiche del ciclo di controllo si mantengano più costanti. Infine, migliora la dinamica di una topologia buck tradizionale nonché di tutte le topologie in cui è possibile utilizzare una rettificazione sincrona.

Nel prossimo articolo si tratterà il rumore di modo comune in un’alimentazione non isolata.

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Robert Kollman, Texas Instruments

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