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Due fasi di conversione migliorano le prestazioni in corrente e la risposta EMI

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 22 novembre 2010

Nelle applicazioni tipiche dei convertitori dc/dc e specialmente quando la tensione di ingresso può essere molto più alta o molto più bassa della tensione d’uscita, si può scegliere di usare un convertitore flyback oppure un SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter). I Sepic assicurano un ripple minore nella corrente di ingresso e una maggiore efficienza rispetto ai flyback, ma i convertitori usati in configurazione Sepic hanno un ripple nella corrente d’uscita più alto quando si trovano a lavorare con elevate correnti di carico e basse tensioni d’ingresso. Ciò significa che all’aumentare del ripple di corrente in uscita diventano più importanti i requisiti per la capacità di filtraggio all’uscita che dev’essere più grande e più costosa.

Si può, però, ridurre entrambi i ripple d’uscita in corrente e in tensione senza dover far crescere le dimensioni e i costi dell’applicazione se si sceglie di usare un convertitore Sepic o flyback multifase. Le configurazioni multifase, infatti, permettono di ridurre notevolmente i ripple della corrente e per avere un’idea di quanto sia vantaggioso un circuito a due fasi rispetto a un circuito monofase possiamo confrontare due circuiti Sepic che lavorano alla stessa frequenza di commutazione di 300 kHz e che utilizzano i medesimi componenti nello stadio di alimentazione ammettendo, naturalmente, che la potenza d’uscita del circuito a due fasi sia doppia rispetto al monofase. La scelta del Sepic è giustificata dall’efficienza migliore dall’1 al 2% che questi convertitori hanno rispetto ai flyback.

Il circuito Sepic a singola fase della figura 1 può generare 3 A di corrente d’uscita, mentre la figura 2 mostra nella traccia in basso la corrente sul diodo d’uscita alla tensione d’ingresso minima e al massimo carico e nella traccia in alto il ripple sulla tensione d’uscita. Il condensatore di filtraggio all’uscita del circuito deve saper sopportare la massima corrente di 14 A che può attraversare il diodo finale. Usando quattro condensatori a bassa ESR (Equivalent Series Resistance) il ripple di tensione in uscita risulta di 110 mVp-p. Il condensatore d’alluminio COUT2 non aiuta molto nel ridurre il ripple d’uscita perché ha una ESR tipicamente elevata, ma serve per ridurre i transitori sul carico giacché aggiunge una capacità parassita proprio sull’uscita.

Fig. 1 – Un convertitore Sepic a singola fase ha un ripple della corrente in ingresso relativamente basso e il suo livello tipico di potenza è compreso fra 5 e 50 W

Fig. 2 – Il circuito monofase della prima figura ha un picco di 14 A per la corrente sul condensatore d’uscita (traccia in basso)

La figura 3 mostra un convertitore a due fasi del tutto simile al convertitore monofase della prima figura, ma con in più il secondo stadio che serve ad aggiungere la seconda fase. Questo secondo stadio permette di dimezzare le dimensioni dell’induttore e del Mosfet e, quindi, la corrente sul diodo d’uscita. Ciò significa che se la corrente di picco sul diodo d’uscita è inferiore del 50% allora è altrettanto minore del 50% anche il ripple della corrente in uscita dall’intero convertitore, come si vede nella figura 4. Inoltre, la frequenza del ripple di corrente in uscita raddoppia e ciò ne rende più semplice il filtraggio, ad esempio, attraverso un banale LC.

Fig. 3 – Aggiungendo un secondo stadio di potenza sfasato di 180° si può ridurre il ripple nella corrente d’uscita di più del 50%

Fig. 4 – Pur avendo gli stessi componenti, nel Sepic a due fasi i ripple d’uscita in corrente e in tensione sono entrambi inferiori del 50% rispetto al circuito monofase

Il vantaggio di usare un convertitore a due fasi diventa ancora più evidente se si considera il ripple sulla corrente che attraversa il condensatore di uscita che, come si vede nella figura 5, è molto più basso rispetto a un circuito monofase. Il ripple di corrente nel condensatore d’uscita dipende dal duty cycle e può annullarsi già al 50% del suo valore. Il ripple nella corrente che attraversa l’induttore d’uscita è dimezzato, ma si può ulteriormente ridurre usando un induttore più grande.

Fig. 5 – Curve normalizzate dei ripple di corrente sul condensatore d’uscita nei Sepic a singola e doppia fase

Invero, due fasi di conversione permettono di diminuire le dimensioni non solo degli induttori, ma anche dei Mosfet, dei diodi e dei condensatori d’uscita rispetto ai circuiti monofase. Inoltre, nelle applicazioni ad alta potenza che richiedono più di un transistor Mosfet le configurazioni a due fasi sono ancor più vantaggiose perché consentono di ridurre le dimensioni complessive e anche quelle dei filtri finali LC, i quali possono essere dimezzati grazie al raddoppiarsi della frequenza dei ripple in uscita. Infine, le prestazioni in termini di EMI del convertitore Sepic a due fasi sono nettamente migliori rispetto al monofase perché viene abbattuto lo slew rate sulla corrente essendo molto più piccolo l’anello di retroazione che essa percorre. 

Linear Technology

Goran Perica, Linear Technology

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