Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 5) – Configurazione buck-boost mediante un controllore buck

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

I circuiti elettronici sono generalmente azionati da tensioni in uscita regolate positive, spesso fornite da regolatori buck. Qualora sia richiesta anche una tensione di uscita negativa, spesso è possibile configurare lo stesso controllore buck in una topologia di tipo buck-boost. Un regolatore buck-boost con tensione di uscita negativa, a volte denominato anche flyback a uscita negativa, che opera con un duty cycle del 50% fornisce una tensione di uscita equivalente alla tensione in ingresso, ma con polarità invertita. Questo regolatore ha la capacità di ridurre (buck) o aumentare (boost) la tensione di uscita per mantenerla costante, dosando il duty cycle in base alle fluttuazioni della tensione in ingresso.

Fig. 1 – L’induttore buck-boost richiede il bilanciamento del prodotto Volt per microsecondo

La figura 1 mostra un circuito buck-boost semplificato e la tensione di commutazione presente sull’induttore. La somiglianza tra questo circuito e quello di un normale convertitore buck risulta subito evidente. In effetti il circuito è identico a un convertitore buck, con l’unica differenza che la polarità della tensione di uscita e della massa è invertita. Questa disposizione funziona anche nel caso di un convertitore buck sincrono. Tuttavia, le somiglianze con un convertitore buck o buck sincrono finiscono qui, in quanto il circuito opera in modo diverso.

Le tensioni presenti sull’induttore durante gli intervalli di commutazione del FET sono diverse da quelle di un convertitore buck. Come nel caso di un convertitore buck, è necessario compensare il prodotto di tensione e tempo (V-µs) per impedire una saturazione dell’induttore. Quando il FET è attivo (rappresentato con l’intervallo t_on nella Fig. 1), sull’induttore è presente l’intera tensione in ingresso. La tensione positiva sul lato dell’induttore contrassegnato con il punto provoca un aumento della corrente, che genera un prodotto V-µs sull’induttore quando il FET è attivo.

Quando invece il FET è inattivo (t_OFF), la tensione sull’induttore deve invertire la polarità per mantenere il flusso di corrente e diventa quindi negativa sul lato dell’induttore marcato con il punto. La corrente nell’induttore si abbassa e rifluisce attraverso il carico e il condensatore di uscita, passando attraverso il diodo. Il prodotto V-µs sull’induttore durante la fase inattiva del FET deve essere uguale al prodotto V-µs durante la sua fase attiva. Poiché V_IN e V_OUT sono valori fissi, il duty cycle (D) si ricava facilmente mediante l’espressione: D=V_OUT/(V_OUT – V_IN). Il circuito di controllo rileva il duty cycle necessario per mantenere stabilmente la tensione di uscita sul valore stabilito. Questa espressione e la forma d’onda nella Figura 1 presuppongono un modo di funzionamento continuo (CCM).

 

Fig. 2 – Un controllore buck svolge una doppia funzione in una configurazione buck-boost

L’induttore buck-boost deve operare con una corrente che sia superiore alla corrente di carico in uscita. Questo si definisce come I_L = I/(1-D) o semplicemente come la somma della corrente di ingresso e della corrente di uscita. Per una tensione di uscita negativa con la stessa ampiezza della tensione in ingresso, in caso di funzionamento con D = 0,5 la corrente media dell’induttore è pari al doppio della corrente di uscita.

È interessante osservare che esistono due possibilità di collegamento del lato di ritorno del condensatore di ingresso, che influiscono sul valore efficace della corrente (RMS) che attraversa il condensatore di uscita. A differenza della disposizione tipica del condensatore tra +V_IN e la massa (Gnd), è anche possibile collegare il condensatore di ingresso tra +V_IN e –V_OUT. Con questa configurazione si riduce il valore efficace di corrente attraverso il condensatore di uscita. Se invece si collega il condensatore di ingresso a –V_OUT, in corrispondenza di –V_OUT si crea un partitore di tensione capacitivo. Questo può provocare un picco di tensione positivo in uscita durante l’accensione, prima che il controllore inizi a funzionare. La soluzione migliore per minimizzare questo effetto consiste in genere nell’utilizzare un condensatore di ingresso molto più piccolo di quello di uscita.

Ciò è rappresentato nel circuito nella figura 2. La corrente che attraversa il condensatore di ingresso funziona alternativamente come sorgente per la corrente continua in uscita e come carico per la corrente in ingresso media. Il caso peggiore per la corrente effettiva si avrà in presenza di una tensione di ingresso bassa, quando la corrente in ingresso è al valore massimo. Quando si sceglie il condensatore è opportuno verificare che la sua resistenza equivalente in serie (ESR) non sia troppo alta. La scelta migliore per questa topologia ricade in genere sui condensatori ceramici o polimerici.

 

È necessario scegliere un controllore che sia in grado sia di attivarsi con la tensione in ingresso minima meno la caduta sul diodo, sia di sopportare una tensione V_IN più V_OUT durante il funzionamento. Anche il FET e il diodo devono essere dimensionati in funzione di questo range di tensione. La tensione di uscita viene regolata collegando la resistenza di retroazione a massa sul lato uscita, dato che il controllore fa riferimento alla tensione di uscita negativa.

Mediante l’impostazione accurata dei valori di pochi componenti e alcune modifiche di lieve entità al circuito, un controllore buck può svolgere una doppia funzione in una topologia buck-boost con tensione di uscita negativa.

Un ringraziamento a John Betten di Texas Instruments per il contributo a questo articolo

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Nel numero 6 di Suggerimenti sull’alimentazione esamineremo come misurare correttamente il ripple degli alimentatori

Robert Kollman, Texas Instruments

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