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POWER 9 - OTTOBRE 2015 XVI
Power
garantire un’efficienza ottimale in tutte le condizioni di
carico. Ancora una volta i progettisti di sistemi di potenza
si trovano di fronte a un dilemma di non facile soluzione.
Per fornire una risposta adeguata, è utile focalizzare l’at-
tenzione sulle elevate prestazioni offerte dai convertitori
asincroni in presenza di carichi ridotti. In un convertito-
re asincrono la corrente dell’induttore scorre in una sola
direzione e non diventa mai negativa, mentre in un con-
vertitore sincrono la corrente fluisce in entrambe le dire-
zioni (Fig. 2) e ciò rappresenta uno svantaggio.
Per superare la limitazione legata al flusso di corrente in
entrambe le direzioni di un convertitore sincrono, sono
state introdotte differenti modalità operative finalizzate a
creare comportamenti “pseudo-asincroni” per il funzio-
namento con carichi di valore ridotto. Gli attuali conver-
titori DC-DC supportano tre differenti modalità (schema-
tizzate in Fig. 3):
PWM @ CCM: modulazione a larghezza d’impulsi in mo-
dalità di conduzione continua. In questo caso il conver-
titore opera ad una frequenza costante ed IL può diven-
tare negativa. Questa modalità consente al convertitore
di rispondere in tempi brevi a ogni variazione del carico,
anche quando quest’ultimo è praticamente nullo (assen-
za di carico), minimizzando nel contempo l’ondulazione
(ripple) della tensione di uscita. In ogni caso, in presenza
di carichi di valore ridotto la modalità PWM @CCM è ca-
ratterizzata da una bassa efficienza.
PWM @ DCM: modulazione a larghezza di impulsi in
modalità di conduzione discontinua. Anche in questo
approccio la frequenza è costante ma l’efficienza con ca-
richi di valore ridotto è migliore, in quanto IL non può as-
sumere valori negativi. Essa è simile alle soluzioni di tipo
asincrono, disabilitando la corrente che scorre nell’indut-
tore in presenza di carichi di valore ridotto.
PFM con ibernazione: modulazione a frequenza di impul-
si con modalità “ibernazione”. Questa modalità permette
di migliorare l’efficienza in quando impedisce a IL di as-
sumere valori negativi e prevede lo spegnimento di en-
trambi i FET in modo da ignorare gli impulsi per carichi
di valori ridotto. Durante questo periodo (quando cioé
vengono ignorati gli impulsi) il convertitore entra nella
modalità di ibernazione, che prevede lo spegnimento dei
circuiti interni non utilizzati per diminuire la corrente
di dispersione. Questa modalità permette di ottenere la
migliore efficienza possibile e garantisce la più elevata
efficienza per carichi di valore ridotto, a fronte di un’on-
dulazione della tensione di uscita leggermente superiore.
Tutte le modalità appena illustrate operano nel medesi-
mo modo quando la corrente è al valore di pieno carico.
La differenza si evidenzia quando la corrente di carico si
riduce ad un valore inferiore della metà rispetto a quello
della corrente di ondulazione dell’induttore.
Nel caso si preveda che un sistema rimanga in modalità
standby (ovvero con carico ridotto) per la maggior parte
del tempo e la durata della batteria rappresenti un fatto-
re critico, la modalità PFM assicura la migliore efficienza
in presenza di carichi di valore ridotto. Se si adotta que-
sta modalità, comunque, è necessario assicurarsi che le
prestazioni del sistema durante lo standby non siano in-
fluenzate negativamente dalla più elevata ondulazione di
uscita e dalla risposta ai transitori, che risulta più lenta.
Se in vece il fattore critico è rappresentato dalle prestazio-
ni della risposta ai transitori con carichi ridotti, l’opzione
migliore è la modalità PWM @ CCM in quanto garantisce
la migliore risposta ai transitori anche in assenza di carico.
La modalità PWM @ DCM si propone come un compro-
messo ragionevole tra le altre due modalità.
In definitiva, grazie alla sostituzione di un diodo Schottky
esterno con un più efficiente MOSFET integrato e alla
possibilità di scegliere tra diverse modalità operative, le
odierne soluzioni sincrone permettono di ottenere un
livello di efficienza superiore e di realizzare sistemi sem-
pre più compatti. L’adozione di questa nuova tecnologia
sincrona – più semplice e caratterizzata da dissipazioni
inferiori – consente di realizzare sistemi di potenza con
prestazioni decisamente superiori.
Bibliografia
[1] Knauber, Paul, “Make The Right Designer Decisions In
Choosing DC-DC Converters” electronic dsign, Jan. 27, 2011,
[2] Bindra, Ashok, “Nonsynchronous Buck Converters Of-
fer Higher Efficiency at Lighter Loads,” DigiKey Article Li-
brary, 2013-08-27
.
Fig. 3 – I convertitori DC-DC buck della serie Hima-
laya di Maxim Integrated prevedono tre differenti
modalità operative