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POWER 9 - OTTOBRE 2015
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DC - DC CONVERTER
nico, ad esempio, è stato deciso di adottare una tensione
di 48V, un valore determinato dalla tensione necessaria
per il sistema di batterie di backup. Se la tensione della
linea AC diminuisce, il sistema di batterie di backup può
intervenire senza problemi. La situazione nel caso delle
apparecchiature portatili è differente. Questi dispositivi
sono alimentati solitamente da batterie che forniscono,
com’è noto, una tensione continua che deve però esse-
re regolata. Poiché col trascorrere del tempo la tensione
della batteria diminuisce, è necessario aumentare la sua
tensione di uscita e mantenerla regolata. Quindi nel caso
un sistema operi con una tensione di 3,3V, è necessario
mantenere questo valore anche quando la tensione della
batteria diminuisce.
Nel momento in cui si progetta un alimentatore, si potreb-
be essere tentati di scegliere la soluzione che appare più
economica, come ad esempio il semplice partitore di ten-
sione o il circuito con diodo Zener menzionati in prece-
denza. Si è usato il condizionale perché il costo si riferisce
alla sola BOM (Bill OF Material). Approcci di questo tipo
sono caratterizzati da costi aggiuntivi nascosti legati alle
perdite di potenza, che provocano un’elevata dissipazione
di calore e contribuiscono a ridurre la durata dei compo-
nenti elettronici presenti nel sistema. Un LDO, dal canto
suo, è caratterizzato da un rumore in uscita molto basso,
ma la sua adozione comporta numerosi svantaggi tra cui
alta dissipazione di potenza, elevata perdita di tensione
(dropout voltage) e riduzione della durata della batteria.
Oggigiorno, per ottenere i migliori risultati in termini di
efficienza, dissipazione di calore, accuratezza, risposta ai
transitori e costo, i progettisti adottano i convertitori DC-
DC. Non bisogna però dimenticare che la scelta del con-
vertitore DC-DC più adatto non è affatto un’operazione
semplice. La temperatura di funzionamento del converti-
tore limita la sua potenza di uscita massima e le temperatu-
re di funzionamento tendono ad aumentare nel momento
in cui si adottano fattori di forma sempre più compatti per
le apparecchiature industriali. In molti dispositivi, inoltre,
il flusso d’aria e il raffreddamento forzato sono assenti o
comunque limitati.
Convertitori DC-DC: opzioni di progetto
A questo punto si procederà all’esame delle topologie dei
convertitori DC-DC di tipo sincrono ed asincrono, valutan-
done vantaggi e svantaggi. La topologia asincrona è quella
più datata e dà origine a perdite di potenza ai capi del dio-
do Schottky esterno. Queste perdite di potenza si tradu-
cono in una diminuzione dell’efficienza. In questo caso è
consigliabile una topologia di tipo sincrono in quanto ga-
rantisce una maggiore efficienza e può essere utilizzata in
progetti caratterizzati da un fattore di forma ridotto grazie
all’integrazione di un MOSFET. Nella figura 1 è illustrata
questa fondamentale differenza tra un convertitore asin-
crono ed un convertitore sincrono con più elevato grado
di integrazione.
Elaboriamo ora alcune considerazioni riguardo l’effi-
cienza. Negli ultimi anni i produttori di circuiti integrati
analogici hanno introdotto convertitori DC-DC di tipo sin-
crono per migliorare le perdite di efficienza nei proget-
ti di tipo asincrono imputabili, come appena accennato,
alla presenza del diodo Schottky esterno. Un moderno
convertitore di tipo sincrono integra quindi un MOSFET
low-side di potenza in sostituzione del diodo Schottky, ca-
ratterizzato da perdite elevate. La dissipazione di potenza
del MOSFET low-side è determinata dalla R
ON
, mentre la
caduta di tensione diretta ai capi del diodo V
D
determina
la perdita di potenza del diodo Schottky. Se la corrente è
la stessa in entrambi i progetti, la caduta di tensione ai capi
del MOSFET è solitamente inferiore rispetto a quella ai
capi del diodo, per cui la dissipazione di potenza nella so-
luzione che prevede l’uso del MOSFET risulterà inferiore.
La dissipazione di potenza ai capi del diodo in una soluzio-
ne di tipo asincrono è data dall’equazione:
P
D
= V
D
× I
OUT
× (1 – V
OUT
/V
IN
)
mentre la dissipazione di potenza ai capi del MOSFET pre-
sente in una soluzione di tipo sincrono sarà data dall’equa-
zione:
P
FET
= R
ON
× I2
OUT
× (1 – V
OUT
/V
IN
)
Tuttavia vi è chi afferma che i convertitori buck di tipo asin-
crono garantiscano una migliore efficienza in presenza di
carichi di valore ridotto ed elevati duty cycle
[2]
: sembra
quindi che non esista un singolo convertitore in grado di
Fig. 2 – Andamento dei flussi della corrente in un
convertitore sincrono (in alto) ed asincrono (in bas-
so)