Circuiti di alimentazione e caricabatterie

La qualità della potenza elettrica può influire sulle prestazioni dei sistemi e perciò occorre regolarla e stabilizzarla per eliminare tutti i difetti che possono danneggiare le batterie

Pubblicato il 30 giugno 2015

L’alimentazione è fondamentale per garantire la massima qualità di prestazioni ai sistemi ed eliminare i difetti che possono propagarsi nella rete come sfasamenti, armoniche, impulsi e sovraccarichi. In tutti i circuiti sulle schede stampate, in effetti, ci sono condensatori che introducono degli anticipi di fase e induttanze che introducono dei ritardi di fase e ci sono schede che ne contengono a centinaia.

Se tutto fosse progettato per bene, le variazioni di fase della tensione e della corrente dovrebbero compensarsi nei circuiti ma in realtà le fluttuazioni termiche riescono a creare accoppiamenti elettromagnetici che sfuggono ai progettisti e generano interferenze e rumore nella forma di picchi di tensione e corrente capaci di spostare la fase dell’una o dell’altra.

Per questo motivo si cerca di correggere il fattore di potenza ovvero l’angolo di fase fra i due vettori della tensione e della corrente in modo tale da annullarlo il più possibile. I circuiti di correzione del fattore di potenza sono fondamentali perché spesso la potenza arriva dalla rete pubblica con la tensione e la corrente già sfasate e oltretutto piene di irregolarità.

È quindi indispensabile filtrare e regolare la potenza prima di usarla per rigenerare le batterie ricaricabili agli ioni di litio, che alimentano la maggior parte dei moderni prodotti elettronici. Attorno alle batterie si trova una varietà di circuiti di controllo che innanzi tutto le proteggono dai valori eccessivi di tensione e corrente e poi prevengono i malfunzionamenti evitando che i difetti si propaghino ulteriormente.

figura 1 analog

L’impostazione analogica consente un’efficienza energetica del 90% al chipset Analog Devices composto dal front-end AD8450/1 e dal regolatore PWM ADP1972

Analog Devices presenta un chipset che consente di regolare la ricarica delle batterie di alimentazione per uso industriale e automotive con la particolarità di essere realizzato con due circuiti integrati completamente analogici che sono il front-end AD8450/1 e il controllore PWM ADP1972. L’approccio analogico consente un’efficienza energetica del 90% molto maggiore rispetto ai controllori digitali. In pratica, il primo chip contiene un amplificatore a elevata impedenza d’ingresso che si occupa di misurare la corrente di scarica e di ricarica della batteria e poi un amplificatore differenziale che misura la sua tensione istantanea.

La differenza fra i due modelli è che entrambi gli amplificatori sono a guadagno programmabile nell’AD8450 e a guadagno fisso nell’AD8451. L’uscita di questo chip è direttamente interfacciata all’ingresso del controllore PWM con frequenza programmabile da 50 a 300 kHz che si comporta come un regolatore buck durante la carica delle batterie e come un boost nella scarica quando previene i picchi di tensione e corrente e compensa le fluttuazioni termiche stabilizzando la potenza di alimentazione. I package e la tolleranza termica sono Lqfp a 80 pin da -40 a +85 °C per il front-end e Tssop a 16 pin da -40 a +125 °C per il PWM.

figura 2 ifm

La famiglia degli alimentatori IFM da 24V offre sette modelli per un’erogazione in corrente che va da 3,3 fino a 20 A e un’efficienza energetica che va dall’89,8% al 94,8%

IFM Electronic ha completato la famiglia degli alimentatori da 24 V aggiungendo nuovi modelli per un’offerta che ora consente un’erogazione in corrente che va da 3,3 fino a 20 A. Realizzati in fattori di forma compatti, questi alimentatori hanno un’efficienza energetica che va dall’89,8 al 94,8% e un’affidabilità certificata da un fattore MTBF (Mean Time Between Failures, o tempo medio senza guasti) di circa 1,4 milioni di ore.

Le versioni proposte a 24V sono sette e precisamente quattro singole con erogazione in corrente da 2,7 a 3,3A per il DN4011 che ha efficienza energetica dell’89,8%, da 4,3 a 5A per il DN4012 che offre il 90,2%, da 8,6 a 10A per il DN4013 da 91,6% e da 17,1 a 20A per il DN4014 da 94,0%, nonché tre versioni duali con ingresso di 2x24V ossia 48V ed erogazione da 4,3 a 5A per il DN4032 con efficienza del 90%, da 8,6 a 10A per il DN4033 da 92,9% e da 17,5 a 20A per il DN4034 da 94,8%.

figura 3 irinfineon

Il Power Block IRFH4257D presentato da International Rectifier (ora Infineon) in package PQFN da 4×5 mm può erogare fino a 25A fra -55 e +150 °C

Infineon Technologies ha cominciato il 2015 acquistando International Rectifier e tutti i suoi prodotti di potenza. Lo stesso giorno (13 gennaio) IR presentava il suo nuovo controller dc/dc IRFH4257D FastIRFET che si aggiunge alla famiglia Power Block caratterizzata dalle dimensioni contenute in 4×5 mm del package Pqfn con tolleranza termica estesa da -55 a +150 °C. Il modulo accetta all’ingresso ±25V e può erogare in uscita fino a 25A grazie allo stadio formato da due Mosfet entrambi con un diodo di protezione fra collettore ed emettitore.

Complessivamente i due transistor mostrano una carica in base Qg tipica di 9,7 nC e massima di 23 nC mentre la Rds(on) tipica è di 1,8 mΩ con un valore massimo di 4,7 mΩ. L’integrato può servire come convertitore buck sincrono negli alimentatori per le schede di linea nelle stazioni base telecom oppure per le schede multiple all’interno dei server nei centri di calcolo.

figura 4 8709

Il controller PWM Linear LT8709 funziona con tensione d’ingresso negativa da -4,5 a -80V e fornisce fino a 20A con tensione negativa da -1,4 a -80V o positiva da -0,1 a +60V

Linear Technology ha introdotto il regolatore a commutazione LT8490 di tipo buck-boost utilizzabile nei caricatori di batterie di ogni tipo agli ioni di litio, al piombo acido o in gel. Il profilo di carica è Constant-Current Constant-Voltage (CCCV) e consente di fornire una tensione stabilizzata più bassa, uguale o più alta di quella continua che si applica all’ingresso tramite un pannello solare oppure un alimentatore allacciato alla rete pubblica.

La frequenza di commutazione è regolabile da 100 a 400 kHz mentre la VBAT va da 1,3 a 80V con una VIN ammessa da 6 a 80V. A bordo c’è un controllo automatico che compensa le variazioni di temperatura e insegue il Maximum Power Point Tracking (MPPT) indicando il proprio stato di funzionamento tramite gli appositi LED Status e Fault. Il package è Qfn a 64 pin da 7x11x0,75 mm. Nuovo è il controller LT8709 di tipo PWM caratterizzato da uno stadio Mosfet a canale P con erogazione fino a 20A mentre la tensione d’ingresso è ammessa negativa e va da -4,5 a -80V con una tensione d’uscita che può essere negativa da -1,4 a -80V oppure positiva da -0,1 a +60V.

figura 5 maxi17

Il Power Module Maxim MAXM17514 consente di alimentare i sistemi particolarmente sensibili alla qualità dell’energia e può erogare fino a 4A stabili fra 0,75 e 3,6V

Maxim Integrated ha aggiunto nella sua vasta offerta di chip due integrati per il controllo della potenza di alimentazione in continua. MAX17531 è un convertitore dc/dc step-down con stadio Mosfet a frequenza di commutazione programmabile da 100 kHz a 2,2 MHz. Questo chip può ricevere all’ingresso da 4 a 42V ed erogare in uscita una tensione che va da 0,8V a 0,9xVIN e al massimo 50 mA stabili con un’accuratezza di ±1,75% su tutta l’escursione termica operativa da -40 a +125 °C.

I package sono Tdfn da 3×2 mm e µMAX da 3×3 mm entrambi con 10 pin e con 22 µA di corrente assorbita senza carico. Il Power Module MAXM17514 con frequenza di commutazione fissa di 1 MHz serve per alimentare i sistemi elettronici particolarmente sensibili alle irregolarità dell’energia. All’ingresso accetta da 2,4 a 5,5V di tensione e all’uscita può erogare fino a 4 A fra 0,75 e 3,6V con un’efficienza di conversione del 94%. Il package è SiP a 28 pin da 10×6,5 mm con tolleranza termica estesa da -40 a +125 °C.

figura 6 LC051112

Due chip che On Semiconductor propone per correggere l’alimentazione delle celle agli ioni di litio e proteggerle dagli eccessi di carica e di corrente

On Semiconductor ha presentato due controllori di potenza specifici per la protezione delle batterie agli ioni di litio. I nuovi LC05111CMT e LC05112CMT sono forniti in package Wdfn a sei pin da 4×2,6×0,8 mm con tolleranza termica da -40 a +85 °C e consentono di proteggere le singole celle di accumulo Li-ion dagli eccessivi valori di carica con precisione di ±25 mV, dall’eccesso di scarica fra ±50 mV, nonché dalle sovracorrenti che possono crearsi durante le fasi di carica e di scarica con precisione di ±0,7A.

A bordo c’è uno stadio Mosfet con resistenza di conduzione di 11,2 mΩ che rileva il livello della tensione della cella da 2 a 5V e la potenza istantanea dissipata fino a 0,45W nel primo chip e fino a 0,35W nel secondo. Questi chip sono ideali per correggere l’alimentazione dei prodotti palmari e indossabili. Nuovo è il regolatore NCV891330 che consente di convertire la tensione da 3,7 a 36,5V delle batterie automotive nei valori d’uscita fissi di 5, 4 o 3,3 V e può erogare fino a 3A stabili per l’alimentazione delle applicazioni a bordo auto.

figura 7 vishay

Vishay propone in tre package PowerPAK da 6×6 mm, 5×5 mm e 4,5×3,5 mm il convertitore in continua SiC788/9, SiC620 e SiC521 con erogazione in corrente di 60, 70 e 40A

Vishay Intertechnology ha rilasciato il nuovo integrato di potenza VRPower con dentro uno stadio DrMOS che viene proposto come SiC788/9 in package PowerPAK MLP66-40L da 6×6 mm, SiC620 in package MLP55-31L da 5×5 mm e SiC521 in package MLP4535-22L da 4,5×3,5 mm, tutti con tolleranza termica operativa da -40 a +125 °C.

Questo chip consente di convertire l’alimentazione in continua filtrando tutti i difetti e le eventuali interferenze che possono associarsi in modo da soddisfare la qualità di prestazioni delle schede grafiche, dei router telecom e di molte altre applicazioni specifiche. La tensione d’ingresso è ammessa da 4,5 a 18V con un’erogazione in uscita nei valori fissi di 3,3V nella versione AR e 5V nella versione R e con una corrente di 60, 70 e 40A rispettivamente nei tre package. La frequenza di commutazione è fissa di 1,5 MHz con un’efficienza energetica dichiarata del 95%.

Lucio Pellizzari



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