Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 1) – Scegliere la giusta frequenza operativa per l’alimentatore

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 26 aprile 2010

Benvenuti a “Suggerimenti sull’alimentazione”. Uno degli argomenti più attuali nell’ambito dello sviluppo elettronico è la necessità di soluzioni di alimentazione efficienti, di costo contenuto e a prova di futuro. Per tale motivo abbiamo deciso di creare una rubrica specifica, che coprirà un’ampia gamma di temi relativi alla gestione dell’alimentazione. Questa rubrica mensile, rivolta ai progettisti di tutti i livelli, conterrà informazioni e suggerimenti utili per risolvere le problematiche di progettazione di professionisti sia nuovi che esperti del settore dell’alimentazione. Troverete questa rubrica la prima settimana di ogni mese nella pagina di EO-WEB. Restiamo in attesa dei vostri commenti e ci auguriamo che la rubrica incontri il vostro interesse.

Suggerimento sull’alimentazione
Scegliere la frequenza operativa corretta per un alimentatore è una complessa operazione di mediazione tra dimensioni, efficienza e costi. Il filtro occupa una porzione sostanziale del volume dell’alimentatore, le cui dimensioni sono inversamente proporzionali alla frequenza operativa. Ogni transitorio di commutazione avviene in un periodo di tempo finito ed è caratterizzato da una perdita di energia: tanto maggiore è la frequenza operativa, quanto maggiore sarà la perdita di commutazione e minore l’efficienza. Il funzionamento con una frequenza più alta riduce il valore dei componenti del filtro e, di conseguenza, consente risparmi significativi al livello dell’alimentatore. Nei paragrafi che seguono prenderemo come esempio un semplice alimentatore buck per illustrare vantaggi e svantaggi delle diverse scelte.

La figura 1 mostra lo schema di un alimentatore buck e un grafico con il volume dei componenti rispetto alla frequenza. Alla bassa frequenza di 100 kHz, l’induttore occupa una parte preponderante del volume dell’alimentatore. Partendo dal presupposto che il volume di un induttore è correlato alla sua energia, il volume diminuisce in modo direttamente proporzionale alla frequenza. Tuttavia occorre considerare che, a determinate frequenze, la perdita nel nucleo dell’induttore aumenta notevolmente e pone un limite all’ulteriore riduzione delle dimensioni. Se il progetto prevede l’utilizzo di condensatori ceramici, il volume del condensatore di uscita diminuisce con la frequenza, in quanto decresce anche la capacità richiesta. D’altra parte, i condensatori in ingresso vengono generalmente scelti in base ai valori di corrente di ripple, che non varia eccessivamente con la frequenza. In questo modo il volume dei condensatori in ingresso tende a rimanere costante. Infine, il contenuto di semiconduttori dell’alimentatore mostra di essere costante rispetto alla frequenza. Di conseguenza, con la commutazione a bassa frequenza il volume dell’alimentatore è dominato dai componenti passivi. A frequenze operative più alte, può risultare dominante il volume dei semiconduttori.

 

figura 1 texas parte 1

Fig. 1 – I circuiti di controllo a basso livello offrono numerose possibilità di rumore

Le perdite di commutazione dipendono dalla velocità di commutazione e dalle capacità di ingresso e di uscita del MOSFET, entrambe correlate alle dimensioni del dispositivo. Un dispositivo di dimensioni maggiori sarà caratterizzato da tempi di commutazione più lunghi e capacità maggiore. La figura 2 mostra un grafico di queste tendenze per due diverse frequenze operative. Le perdite di conduzione (Pcon) sono indipendenti dalla frequenza operativa, mentre le perdite di commutazione (Psw F1 e Psw F2) sono direttamente correlate a tale frequenza. Una frequenza operativa maggiore per Psw F2 genera perdite di commutazione superiori. Quando le perdite di commutazione e di conduzione si equivalgono, si verifica una perdita totale minima a ogni frequenza operativa. Le perdite totali aumenteranno all’aumentare della frequenza operativa.

Un punto importante in relazione all’uso di frequenze operative più alte è che le dimensioni ottimali del die risultano inferiori, con una conseguente riduzione dei costi. All’atto pratico, ottimizzare le perdite variando le dimensioni del die alle frequenze più basse può risultare proibitivo in termini di costi. All’aumentare delle frequenze operative, tuttavia, è possibile ottimizzare le dimensioni del die limitando le perdite e, di conseguenza, ridurre il volume dei semiconduttori all’interno dell’alimentatore. Lo svantaggio è che, se non vengono introdotti miglioramenti nella tecnologia dei semiconduttori, si ha una caduta dell’efficienza energetica.

 

figura 2 texas parte 1

Fig. 2 – Due comuni problemi di rumore in modalità corrente

Texas Instruments

Nel prossimo articolo vedremo come ottimizzare un alimentatore troppo rumoroso

Per informazioni: Roberto Scibilia, Design engineer, Power Management EMEA, Texas Instruments
r-scibilia@ti.com

Robert Kollman, Texas Instruments



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