UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE. Facoltà di Ingegneria. Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica. Dipartimento di Ingegneria Elettrica,

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Tesi di Laurea Studio e sviluppo di Librerie per test automatici di regolatori di tensione Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Selmi Luca Laureando Baliviera Mirco Correlatore Dott. Ing. Monetti Antonio Anno Accademico 2002/03

2 INTRODUZIONE I REGOLATORI DI TENS IONE INTRODUZIONE CONVERTITORI SWITCHING Principio di Funzionamento dei convertitori switching Convertitori Buck Convertitori Boost Convertitori Buck -Boost Convertitori Flyback I Convertitori Push-Pull I convertitori Half-Bridge I convertitori Full-Bridge Alcuni accorgimenti negli switching regulators Misura dell efficienza degli switching regulator: I REGOLATORI LINEARI Struttura base di regolatore lineare Le funzioni del Control Loop Tipici regolatori lineari I regolatori lineari Standard (NPN) I regolatori LDO I Quasi Low-Dropout (LDO) Regulator Confronto dei tre tipi di Regolatori Lineari CONFRONTO FRA I REGOLATORI SWITCHING-E LINEARI L AMBIENTE LABVIEW INTRODUZIONE LABVIEW Generalità Organizzazione Gerarchica dei VI Front Panel Diagramma a Blocchi Le strutture L ACQUISIZIONE DATI Confronto fra DAQ Devices e Special-Purpose Instrument Comunicazione pc - DAQ devices Comunicazone pc special purpose instrument Instrument Drivers in Labview GPIB e Instrument Control usati MISURA DELLA LOAD REGULATION INTRODUZIONE DEFINIZIONE DEL PROBL EMA DEFINIZIONE DEL SUBVI CHE IMPOSTA IL KE2400 COME GENERATORE DI CORRENTE GPIB Address to Resource Name.vi Ke24XXInizialize.VI Ke24xx Enable/Disable Beeper.vi Ke24xx Configure DCV.vi Ke24xx Configure Source Mode.vi Ke24xx Configure Source Compliance.vi Ke24xx Configure Source Volt/Cur Level.vi Ke24xx Enable/Disable Source Output.vi Ke24xx Read.vi Ke2400 PerformIV_Simple_sense DEFINIZIONE DEL SUBVI CHE IMPOSTA IL KE2000 COME MULTIMETRO ke2000 Configure Measurement.vi ke2000 Configure Trigger.vi

3 ke2000 Read.vi ke2000 Close.vi KE2000 SINGLE POINT MEASUREMENT.VI LIBRERIA LABVIEW PER LA CELLA TERMICA SUBVI PER IL TEST DI LOAD REGULATION AD UNA DATA TEMPERATURA VI CHE REALIZZA IL TEST LOAD REGULATION A DIVERSE TEMPERATURE Possibili miglioramenti della libreria ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLE MISURE DI LOAD REGULATION Connector Pane Definizioni delle Macro Excel UTILIZZO DELLE LIBRERIE SOMMARIO MISURA DELLA LINE REGULATION INTRODUZIONE DEFINIZIONE DEL PROBL EMA DEFINIZIONE DEL SUBVI CHE IMPOSTA IL KE2400 COME GENERATORE DI CORRENTE Ke24xx Configure DC IV.vi Ke24xx Configure V Source Protection.vi KE2400 PERFORM VI SINGLE POINT WITH CLOSE (2WIRES) CONSTANTS.VI SUBVI PER IL TEST DI LINE REGULATION AD UNA DATA TEMPERATURA VI CHE REALIZZA IL TEST LINE REGULATION A DIVERSE TEMPERATURE Possibili miglioramenti della libreria ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLE MISURE DI LINE REGULATION UTILIZZO DELLE LIBRERIE SOMMARIO MISURA DEL DROP OUT INTRODUZIONE DEFINIZIONE DEL PROBL EMA LIBRERIA CHE UTILIZZA SOLAMENTE DUE KE UTILIZZO DELLE LIBRERIE SOMMARIO MISURA DELLA TENSIONE DI BANDGAP INTRODUZIONE CIRCUITI DI BANDGAP Widlar Bandgap Reference Brokaw Bandgap Reference DEFINIZIONE DEL PROBL EMA LIBRERIA DELLA MISURA DEL BANDGAP PER UNA DATA TEMPERATURA SubVi che rileva la temperatura con un 4wire RTDs con il Ke LIBRERIA DELLA MISURA DEL BANDGAP ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLA MISURA DEL BANDGAP UTILIZZO DELLE LIBRERIE SOMMARIO MISURA DELLA CURRENT LIMITING INTRODUZIONE CIRCUITI DI CURRENT LIMITING Constant Current Limiting Voltage Dependent (foldback) Current Limiting DEFINIZIONE DEL PROBL EMA LIBRERIA LABVIEW PER LA MISURA DI CURRENT LIMITING PER UNA DATA TEMPERATURA LIBRERIA LABVIEW PER LA MISURA DI CURRENT ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLA MISURA DEL BANDGAP UTILIZZO DELLE LIBRERIE

4 7.8 SOMMARIO MISURA TERMAL SHUTDOWN INTRODUZIONE CIRCUITO DI TERMAL SHUTDOWN DEFINIZIONE DEL PROBL EMA SUBVI PER LA MISURA DI VOUT E DI TEMPERATURA LIBRERIA LABVIEW PER IL TEST DI TERMAL SHUTDOWN UTILIZZO DELLA LIBRERIA SOMMARIO MISURA PSRR INTRODUZIONE POWER SUPPLY REJECTION RATIO DEFINIZIONE DEL PROBL EMA LIBRERIA HP33250.VI hp33120a Configure Output Mode.vi hp33120a Configure Operation Mode.vi hp33120a Configure Standard Waveform.vi hp33120a Configure Ref Clock Source.vi LCLT 584_ACQUISITIONCH1_MATHCH2.VI: lcltxxxx Auto Setup.vi lcltxxxx Read Waveform.vi lcltxxxx Actual Sample Rate.vi lcltxxxx Reset Math Channel.vi lcltxxxx Channel Math.vi PSRR_SIMPLE FFT Spectrum (Mag-Phase).vi LIBRERIA PSRR ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLA MISURA DI PSRR UTILIZZO DELLE LIBRERIE SOMMARIO MISURA ESR INTRODUZIONE STABILITÀ NEGLI LDO DEFINIZIONE DEL PROBL EMA LCLT 584_AVG(CH1)_AVG(CH2)+PMT(ESR).VI Configure PMT.vi LTDSO Parameter Value.vi MISURA DI ESR AL VARIARE DELLA TEMPERATURA ELABORAZIONE AUTOMATICA DELLA MISURA DI ESR UTILIZZO DELLA LIBRERIA SOMMARIO CARATTERIZZAZIONE DI UN BJT MULTICOLLETTORE INTRODUZIONE DEFINIZIONE DEL PROBLEMA TEST _CHIP_SWEEP _IB_VB_SWEEP _VC.VI KE2700 Set Channel List.vi KE2700 Configure Multi-Point.vi KE2700 Read Multi-Point.vi ELABORAZIONE DEI DATI DEL TESTCHIP SOMMARIO CONCLUSIONI APPENDICE A: INTERFACCIA GPIB

5 A.1 INTRODUZIONE A.2 STRUTTURA A.3 POLLING A.4 SOMMARIO APPENDICE B: INTERFACCIA SERIALE RS B.1 INTRODUZIONE B.2 CARATTERISTICHE DELL INTERFACCIA SERIALE RS B.2.1 Pinout DB B.2.2 Pinout DB APPENDICE C : CAMERA TERMOSTATICA ANGELANTONI CH60T C.1 CARATTERISTICHE TECNICHE C.2 STRUTTURA DEI REGISTRI DEL MICROCONTROLLORE APPENDICE D: REGOLATORE DI TENSIONE TLE BIBLIOGRAFIA

6 INTRODUZIONE La maggior parte dei circuiti elettronici richiedono, per il loro corretto funzionamento, una tensione di alimentazione continua, di valore costante indipendente dalla corrente richiesta e dalla temperatura ambiente. I circuiti che forniscono in uscita una tensione (o più tensioni) costante(i) indipendente(i) dalla tensione al loro ingresso, dalla corrente richiesta dal carico e dalla temperatura ambiente sono chiamati regolatori di tensione. Le applicazioni per le quali si rende necessario l uso di un regolatore di tensioni sono innumerevoli, dalla centralina elettronica delle auto alla scheda madre di un computer. I regolatori di tensione sono prodotti sotto forma di circuiti integrati e necessitano di test sia in fase di sviluppo che in produzione. In particolare i circuiti integrati impiegati nel settore automobilistico devono rispondere a standard di funzionamento militari e necessitano quindi di test anche in temperatura, tra -40 C e +150 C. Normalmente, almeno in fase di progettazione, i test sui circuiti integrati vengono effettuati manualmente in laboratorio e su un numero limitato di campioni. I test effettuati su un componente in fase di progettazione servono a verificare il rispetto delle specifiche di progetto e tutte queste operazioni si possono definire caratterizzazione di un componente. La maggior parte di questi test sono ripetitivi e comportano la necessità di impostare strumenti di misura e acquisire dati da altri strumenti di misura e possono durare anche giorni. Da qui nasce la richiesta di ottimizzare e rendere automatici questi test permettendo così all operatore di risparmiare tempo. Scopo di questa tesi è quello di studiare e realizzare un insieme di metodologie che consentano di effettuare, in maniera del tutto automatica, un insieme di test per la caratterizzazione dei regolatori di tensione. Per risolvere questo problema ho utilizzato due pacchetti software commerciali, Labview della National Instrument ed Excel della Microsoft. Labview è un linguaggio di programmazione che negli ultimi anni è diventato uno standard per quanto riguarda lo sviluppo di applicazioni che comportano la comunicazione tra strumenti di misura. Grazie a questo linguaggio è infatti possibile realizzare in modo semplice e veloce applicazioni grafiche per il controllo remoto di strumenti di misura. Excel è un software per l elaborazione di dati che ho utilizzato per completare l automazione dei test, rendendo automatica la realizzazione dei report. All operatore resta il compito di collegare il circuito al banco di prova, scegliere la libreria Labview adatta per il tipo di test da effettuare, impostare opportunamente tutti gli strumenti e definire dove salvare i dati, il tutto tramite una chiara interfaccia utente, costruita appositamente per quel test. Al termine dell esecuzione del programma Labview, l operatore troverà i dati acquisiti già elaborati e salvati con il software Excel. Se durante l esecuzione del test si verificassero degli errori sugli strumenti di misura o nella comunicazione tra il 5

7 computer e gli strumenti, il test verrà interrotto e i dati fin li raccolti saranno comunque disponibili. Questa tesi è stata sviluppata durante uno stage presso il Design Center di Infineon Technologies s.r.l. di Padova, specializzato nella progettazione di regolatori di tensione per il settore automotive. Nel capitolo 1 vengono spiegate le caratteristiche principali dei dispositivi ai quali sono rivolte le librerie, ossia gli switching converter ed i linear regulator. Nel capitolo 2 verranno spiegati gli aspetti fondamentali del software Labview per permettere di capire le librerie che verranno sviluppate. Nel capitolo 3 viene affrontato lo sviluppo della libreria per la misura di Load Regulation, che definisce la apacità del regolatore a mantenere la tensione d uscita costante al variare del carico. In questo capitolo viene anche creata una libreria per il controllo della cella termica, fondamentale per eseguire automaticamente i vari test in temperatura. Il capitolo 4 riguarda la misura di Line Regulation, che definisce la capacità del regolatore di mantenere un corretto funzionamento al variare della tensione di alimentazione. Nel capitolo 5 viene sviluppata una libreria per il test della tensione di Dropout, che affronta il problema di quanto l alimentazione (es. una batteria) possa scendere mantenendo in uscita la tensione di funzionamento minima garantita. Il capitolo 6 riguarda il test di Bandgap: all interno di un regolatore vi è una tensione, chiamata tensione di Bandgap, che deve essere stabile in temperatura in quanto viene presa come riferimento per tutta la circuiteria interna al dispositivo. Il capitolo 7 effettua il test di Current limiting: è un test che determina la corrente di massima di carico oltre la quale si attiva la protezione di current limiting. Nel capitolo 8 viene effettuato un test rivolto ad un altra protezione presente nei regolatori, chiamato Termal Shutdown: con questa misura si verifica a che temperatura si attiva la protezione contro eventuali surriscaldamenti nel dispositivo. Il capitolo 9 è intitolato Power Supply Rejection Ratio e affronta il problema di come un dato rumore in ingresso si ripercuote nell uscita. Nel capitolo 10 viene sviluppata una libreria che da una stima della resistenza equivalente serie (ESR) di un condensatore, parametro molto importante per la progettazione e studio della stabilità dl dispositivo. Infine nel capitolo 11 viene sviluppata una libreria in grado di caratterizzare un componente comune in tutti i regolatori lineari a bassa dropout, ossia un particolare transistor PNP. Nell appendice A sono poi riportate le caratteristiche principali dell interfaccia GPIB usate per la comunicazione fra gli strumenti ed il pc, mentre l appendice B riguarda l interfacia seriale RS 232 usata per la comunicazione fra il microcontrollore della cella termica ed il pc. Nell appendice C sono riportati tutti i registri presenti nel microcontrollore della cella termica che vengono utilizzati per il controllo remoto da Labview via porta seriale. 6

8 Nell appendice D è riportato il data sheet del regolatore Infineon TLE 4270, le cui specifiche sono state utilizzate come esempio durante lo sviluppo delle varie librerie. 7

9 I regolatori di tensione 1 I regolatori di tensione 1.1 INTRODUZIONE I convertitori Switching stanno aumentando di popolarità poiché offrono i vantaggi di una più alta efficienza nella conversione di potenza e un incremento nella flessibilità del design (differenti tensioni in uscita possono essere generati da un unica tensione d ingresso). In queste pagine verranno esposte le principali caratteristiche dei regolatori switching e di quelli lineari, quindi seguirà un confronto fra le due categorie [1]. 1.2 Convertitori switching I convertitori switching si possono suddividere in queste categorie: Buck: usato per abbassare una tensione DC a una minore. Boost: provvede a una tensione d uscita maggiore di quella d ingresso. Buck-Boost: la tensione in uscita ha polarità opposta a quella di ingresso. Flyback: una tensione d uscita, minore o maggiore di quella in ingresso può essere disponibile in uscite multiple. Push-Pull: è un convertitore a due transistor efficiente soprattutto per basse tensioni in ingresso. Half-Bridge: è un doppio transistor converter usato in molte applicazioni in cui è richiesta una potenza elevata. Full-Bridge: è caratterizzato da quattro transistor e fra tutti i convertitori switching può generare la maggior potenza di uscita Principio di Funzionamento dei convertitori switching Lo schema a blocchi di un alimentatore a commutazione (o switching ) è rappresentato in figura: 8

10 I regolatori di tensione Figura 1-1 Schema di massima di un convertitore switching La tensione alternata di alimentazione viene dapprima raddrizzata mediante, ad esempio, un circuito raddrizzatore a ponte e successivamente livellata con un condensatore. La tensione continua così ottenuta è quindi applicata al convertitore DC/DC. In esso un transistore interrompe opportunamente la tensione continua, effettuando in altre parole una modulazione PWM (pulse width modulation). Gli impulsi ottenuti sono poi applicati ad un trasformatore il cui compito è di portare la tensione al livello richiesto; il circuito di raddrizzamento ed il filtro di livellamento all uscita convertono la tensione da impulsiva in continua. Il circuito di controllo consente di regolare e stabilizzare la tensione d uscita contro variazioni del carico o fluttuazioni della tensione di alimentazione; il controllo è realizzato o agendo sul transistore che funge da interruttore, variandone il tempo di chiusura, o mediante un avvolgimento avvolto sullo stesso nucleo del trasformatore del convertitore. Un esempio di uso di un segnale PWM può essere il seguente: Applicando una serie di impulsi rettangolari a frequenza costante ma duty cicle variabile su un filtro L-C, si può ricavare una tensione continua pari al prodotto del valore della tensione di picco degli impulsi per il duty cycle: questa relazione 9

11 I regolatori di tensione dimostra come la tensione d uscita può essere direttamente controllata cambiando il tempo di chiusura dello switch. Nella seguente figura sono riportati tre diversi casi di impulsi modulati, caratterizzati rispettivamente da un duty-cicle di 0,25 0,5 e 0,75. supponendo che la tensione di picco Vp degli impulsi sia di 48 V, se si filtrano tali impulsi con la rete L- C si ottiene proprio in uscita una tensione DC uguale a Vp moltiplicato il duty-cicle: E chiaro come modulando la larghezza dell impulso, sia possibile ottenere qualsiasi tensione d uscita, senza dissipare inutile potenza. Naturalmente affinché il segnale così ottenuto sia esente da disturbi e ondulazioni, occorrerà dimensionare opportunamente il filtro. Il vantaggio principale di questo modo di funzionamento sta proprio nella caratteristica di un segnale PWM: possiamo ottenere correnti considerevoli semplicemente utilizzando impulsi di brevissima durata, e quindi in un periodo di funzionamento il dispositivo resterà spento per gran parte del tempo, dissipando così pochissima energia Convertitori Buck I convertitori switching più comunemente utilizzati per abbassare una tensione continua ad un altra (mantenendo la stessa polarità) sono i convertitori Buck. Questi dispositivi risultano essenziali nelle reti di distribuzione (da 24 V a 48 V) che devono essere convertite localmente in 15 V, 12 V, 5 V con bassissime perdite di potenza. Un Buck converter usa un transistor come convertitore che alternativamente connette disconnette la tensione di alimentazione sull induttore: Figura 1-2 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Buck 10

12 I regolatori di tensione La fig 1-2 mostra come la corrente scorra in due rami quando l interruttore è aperto o chiuso. Quando l interruttore è chiuso, esiste una tensione ai capi dell induttore pari alla differenza fra la tensione d ingresso e quella di uscita, causando così un aumento della corrente dell induttore stesso. Durante il tempo in cui l interruttore resta chiuso la corrente dell induttanza scorre sia nel carico sia nella capacità d uscita (in questo modo caricandola) ed il diodo risulta polarizzato in inversa. Aprendo l interruttore si disconnette l alimentazione dal resto del circuito ma, poiché la corrente in una induttanza non può interrompersi istantaneamente, si crea ai capi di quest ultima una tensione che tenterà di mantenere la corrente in circolo. La corrente fluisce allora nel carico assieme alla corrente proveniente dal condensatore e, attraverso il diodo, ritorna nell induttanza. ll comando di switch è affidato ad un apposito circuito (PWM control) che verifica la tensione presente su carico e, di conseguenza, varia la durata dei tempi di accensione e spegnimento. Come appena spiegato, la rampa di corrente nell induttore cresce finché l interruttore resta chiuso, mentre cala quando è aperto. La corrente DC equivalente presente nel carico è la media della corrente sull induttore. La differenza peak-to-peak della corrente nell induttore è riferita al suo ripple e tipicamente l induttanza è scelta abbastanza grande da sopportare ripple di correnti entro il 20% - 30% del valore medio DC. Confronto fra modo di funzionamento continuo e discontinuo: In molte applicazioni con convertitori Buck, la corrente dell induttanza non può scendere a zero durante tutto il ciclo di carico (questo è definito continuous mode operation). Si può ottenere la prestazione migliore usando il modo continuo, che permette pure la massima potenza sul carico per una data tensione di alimentazione e una data frequenza di attivazione degli interruttori. In altre applicazioni dove generalmente la massima corrente di carico è bassa, può essere vantaggioso progettare convertitori che operino in modo discontinuo (discontinuous mode operation). Questo modo di operare può essere utile per ricavare convertitori di piccole dimensioni (perché viene adoperato un piccolo induttore). In genere il modo discontinuo alle basse correnti non causa nessun problema e ogni convertitore progettato per operare in modo continuo a pieno carico può essere portato a operare in modo discontinuo al diminuire della corrente richiesta Convertitori Boost I convertitori Boost funzionano con una tensione continua d ingresso e producono in uscita una tensione continua più elevata. Lo schema di massima di questi convertitori è riportato nella seguente figura, accompagnato dai dettagli del percorso della corrente a seconda dello stato dello switch: 11

13 I regolatori di tensione Figura 1-3 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Boost Nel caso in cui l interruttore risulti chiuso, la tensione in ingresso ai capi dell induttore forza la corrente a crescere (rampa crescente). Quando l interruttore è aperto la corrente dell induttanza scorre attraverso il diodo permettendo al condensatore di caricarsi raggiungendo una tensione più alta di quella d ingresso; come si può vedere in figura, durante questo stato la corrente scorre sia sul carico che sul condensatore, mentre quando l interruttore è chiuso la corrente nel carico è dovuta solo alla scarica del condensatore. CORRENTE E POTENZA IN USCITA : Un importante aspetto da tener in considerazione nei Boost regulator è che la corrente sul carico e quella sull interruttore non sono uguali, e la corrente massima disponibile sul carico è sempre minore del valore della corrente dello switch transistor. Dovrebbe essere noto che in ogni regolatore la potenza massima disponibile della conversione è uguale alla tensione d ingresso moltiplicata per il valor medio della corrente d ingresso. Dato che la tensione d uscita del Boost è più alta di quella d ingresso ne consegue che necessariamente la corrente d uscita dovrà essere minore di quella d ingresso Convertitori Buck-Boost I convertitori Buck-Boost (chiamati anche Inverting regulator) data una tensione continua d ingresso producono una tensione d uscita di polarità opposta che, in valore assoluto, può essere sia più grande che più piccola di quella di alimentazione. Questo tipo di regolatore è raffigurato nella seguente figura: 12

14 I regolatori di tensione Figura 1-4 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Buck-Boost Quando l interruttore è chiuso, la tensione d ingresso applicata all induttanza, provoca un aumento della corrente in essa. Durante questo stato, la sola sorgente di corrente per il carico risulta dalla scarica del condensatore. Questo richiede che la quantità di carica persa dalla capacità durante questo periodo di tempo, debba essere recuperata nell altro stato. Infatti quando l interruttore (switch transistor) è aperto, la diminuzione della corrente nell induttanza causa uno swing negativo sul catodo del diodo, consentendo così la sua accensione e permettendo alla corrente di scorrere sia sul carico sia sul condensatore.come mostrato in figura, la corrente sul carico è dovuta all induttanza mentre lo switch è aperto, e al condensatore quando lo switch è chiuso Convertitori Flyback I regolatori Flyback sono i più versatili tra tutte le architetture viste in precedenza poiché permettono al progettista di creare, data una singola tensione d ingresso, una o più tensioni d uscita, alcune delle quali di polarità opposta.i convertitori Flyback hanno guadagnato in popolarità nei sistemi a batteria, dove una singola tensione deve essere convertita in quelle richieste dal sistema (per esempio +5 V, +12 V, - 12 V) con un alta efficienza di conversione di potenza. La struttura base dei convertitori Flyback è qui riportata: 13

15 I regolatori di tensione Figura 1-5Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Flyback La caratteristica più importante dei regolatori Flyback è il trasformatore; quando l interruttore è chiuso la tensione d ingresso è applicata ai capi dell avvolgimento primario, causando un aumento del flusso della corrente. Si noti come le polarità delle tensioni sugli avvolgimenti siano fra loro opposte (in figura la polarità negativa è rappresentata col punto). In questo modo la tensione che si crea sull avvolgimento secondario tiene spento il diodo, evitando che la corrente scorra in questo avvolgimento. Durante questa fase la corrente sul carico è dovuta soltanto dalla scarica del condensatore. Quando l interruttore è aperto la diminuzione della corrente nel primario causa alla tensione individuata, nella figura, da un punto, uno swing positivo. Contemporaneamente la tensione sul primario è riflessa sul secondario con la stessa polarità. In questo modo il diodo si accende permettendo alla corrente di scorrere sia sul carico sia sulla capacità. La quantità di carica persa dalla capacità nella fase precedente (switch on) è recuperata in questa fase (switch off). I convertitori Flyback possono operare sia in continuous mode (in cui la corrente è sempre maggiore di zero), che in discontinuous mode (in cui la corrente nel secondario raggiunge lo zero in ogni ciclo). Il nome Flyback deriva proprio dal fattoche l energia è fornita al carico durante l intervallo di ritorno, cioè quando il transistor non conduce. COME GENERARE USCITE MULTIPLE: Un altro grande vantaggio dei convertitori Flyback è la capacità di prevedere uscite multiple (vedi figura seguente). In queste applicazioni una delle uscite (solitamente quella con corrente più alta) è adibita al PWM feedback, e quindi è direttamente regolata. La tensione sugli altri avvolgimenti è indirettamente regolata e segue quella dell avvolgimento retroazionato. In genere, però, la regolazione del carico su questi avvolgimenti non è buona (tipicamente 5-10%) ma comunque risulta adeguata per molte applicazioni. Se è richiesta una regolazione più precisa, una eccellente soluzione è quella di usare un regolatore lineare a basa dropout (LDO) sulle uscite. La tensione secondaria è mantenuta a 1 Volt oltre a quella desiderata e questo ulteriore regolatore permette di migliorare il controllo dell uscita con una minima perdita di efficienza (il dropout indica la tensione che si perde nel regolatore). 14

16 I regolatori di tensione Figura 1-6 Esempio di convertitore Flyback a tre uscite I Convertitori Push-Pull I convertitori Push-Pull usano due transistor per effettuare una conversione DC-DC : Figura 1-7 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Push-pull Questi convertitori operano accendendo alternativamente i due transistor all interno del ciclo (i due transistor non sono mai accesi contemporaneamente). La corrente dell avvolgimento secondario scorre contemporaneamente a quella nel primario ( quando uno dei due transistor risulta acceso). Per esempio, quando il transistor A è acceso, vi è una corrente dovuta alla tensione d ingresso nella parte alta del primario e per una questione di polarità, si accenderà il secondo diodo,cioè quello inferiore del secondario, consentendo ad una corrente di scorrere nell induttanza alimentando così sia il carico che la capacità d uscita. Quando invece è il transistor B ad essere acceso, dallo schema si può vedere che la corrente interesserà la parte inferiore del primario, mente sul secondario risulterà acceso il primo diodo (quello superiore) e, come prima, ci sarà una corrente nell induttanza e nel carico più condensatore. Una importante caratteristica dei convertitori Push-Pull è che i due transistor devono essere in grado di sopportare una tensione doppia di quella in ingresso: 15

17 I regolatori di tensione quando è acceso un transistor, la stessa tensione di alimentazione è indotta anche nell altra parte dell avvolgimento primario non interessato dalla corrente, ma risulta floating rispetto al polo positivo di ingresso: in questo modo, rispetto a massa, sul collettore del transistor spento vi sarà una tensione doppia dell alimentazione. Questo fatto riduce l uso dei convertitori Push-pull per basse tensioni di ingresso; essi sono largamente usati per sistemi a batteria a 12 V e 24 V. Figura 1-8 Diagramma temporale del circuito di fig 1-7 È importante notare come la frequenza d uscita dell onda rettangolare sul secondario sia doppia rispetto al controllo PWM dei due transistor. Per esempio, se il controllore PWM opera a 50 Hz sul primario, la frequenza del segnale sul secondario sarà di 50 Hz. Dalla fig 1-8 risulta ovvio che la tensione DC complessivamente ottenuta sul carico risulti: Ton Vout = Vpk * Tper Ai capi dell avvolgimento primario vi è una tensione pari a quella di ingresso meno quella di saturazione dei transistor (Vin-Vswitch); posto Ns/Np il rapporto spire e Vrect la tensione su un diodo (rectified diode), il valore di picco della tensione d uscita risulta ( Vin - Vswitch )*( Ns/Np) Vrect Vpk = Queste due relazioni evidenziano come i convertitori Push-pull siano adatti a operare a basse tensioni. Se si usano come interruttori dei MOS, con questi convertitori si possono ricavare varie tensioni d uscita (aggiungendo più avvolgimenti secondari), alcune delle quali con polarità opposta rispetto alle altre, permettendo, con un unica alimentazione, tutte le tensioni necessarie per una data applicazione. Il convertitore push-pull è più complesso del convertitore flyback; il suo uso è conveniente quando le potenze sono elevate, al di sopra di 1 Kw. 16

18 I regolatori di tensione I convertitori Half-Bridge I convertitori Half-Bridge prevedono l uso di due transistor e sono largamente usati nella progettazione ad alta potenza. Essi sono molto indicati per tutte quelle applicazioni che richiedono una potenza sul carico compresa fra 500W e 1500W, e spesso funzionano direttamente dalla rete di alimentazione AC. Il principale vantaggio dei convertitori Half-Bridge è l isolamento fra ingresso ed uscita ( la tensione DC pilotata in uscita è elettricamente isolata da quella AC della rete). Ma questo significa anche che il circuito di controllo PWM deve essere riferito alla massa della sezione DC. La struttura base di un convertitore Half-Bridge è rappresentato in figura: Figura 1-9 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Half-bridge Come si vede dallo schema, con le due capacità in serie, uguali fra loro, collegate alla tensione DC non regolata, si riesce a portare un capo dell avvolgimento primario del trasformatore a metà della tensione V in. L altra estremità dell avvolgimento è alternativamente pilotata alta e bassa dal circuito con i due transistor, i quali, per non essere distrutti, non devono mai essere contemporaneamente accesi. I diagrammi temporali sono riportati qui sotto: Figura 1-10 Diagramma temporale del circuito di fig 1-9 Quando è acceso il transistor A, date le polarità, risulterà acceso nel secondario il diodo superiore, consentendo alla corrente di scorrere sul carico e sulla 17

19 I regolatori di tensione capacità. Viceversa, quando è acceso il transistor B si invertono le polarità e nel secondario sarà acceso l altro diodo. In questi convertitori, vi è la scarica del condensatore sul carico solo quando non scorre alcuna corrente nel trasformatore, cioè quando i due transistor sono entrambi spenti. Si noti dai diagrammi come gli impulsi in uscita siano a frequenza doppia di quelli del controllo PWM che pilota i due transistor. Utilizzando la stessa terminologia del caso precedente, la tensione in uscita può essere calcolata come: Ton Vout = Vpk * Tper Mentre il valore di picco della tensione : Vpk Vin = 2 - Vswitch * ( Ns- Np) Vrect I convertitori Full-Bridge I convertitori Full-Bridge richiedono complessivamente quattro switching transistors per realizzare la conversione DC-DC. Il Full-Bridge è spesso impiegato in applicazioni che utilizzano la potenza direttamente dalla linea AC, provvedendo ad una potenza disponibile sul carico da 1 Kw a 3 Kw. Un aspetto importante di questo dispositivo è l isolamento dalla la rete AC grazie allo switching transformer. Il circuito di controllo PWM è riferito alla massa d uscita, richiedendo un alimentazione a parte solitamente ricavata da un piccolo trasformatore a 50 Hz. Inoltre, per mantenere l isolamento, la base dei convertitori switching è pilotata con altri piccoli trasformatori, come si evince dalla seguente figura: Figura 1-11 Struttura e principio di funzionamento di un convertitore Full-bridge Il trasformatore principale è sottoposto a tutta la tensione di ingresso quando tutti e due i transistor A o i B sono accesi. Dall utilizzo dell intera tensione di alimentazione deriva i nome Full-Bridge Converter, che mette a disposizione la più alta potenza disponibile sul carico di tutti i tipi di convertitori. 18

20 I regolatori di tensione Come è ovvio, può scorrere una corrente nel primario e secondario quando i transistor A o B sono accesi e, dualmente, sarà attivo il diodo superiore o inferiore del circuito secondario, mentre la capacità in uscita potrà scaricarsi sul carico solamente quando tutti e quattro i transistor saranno spenti. I diagrammi temporali sono stati rappresentanti precedentemente. La tensione DC in uscita sarà: Ton Vout = Vpk * Tper Mentre il picco di tensione sul secondario è dato da : Vpk = ( Vin - 2Vswitch )*( Ns- Np) Vrect Alcuni accorgimenti negli switching regulators Si possono apportare alcuni miglioramenti alle prestazioni dei regolatori switching con una attenta scelta delle capacità di ingresso e uscita, l uso di capacità bypass, una attenta connessione dei componenti a ground, e una scelta oculata del tipo di trasformatore-induttore. Ricordiamo a proposito come è fatta una capacità reale e come i suoi componenti parassiti riducano il comportamento ideale: ESR : l ESR (Equivalent Series Resistance) comporta un riscaldamento interno al condensatore dovuto alla dissipazione termica. L ESR può comportare casi di instabilità nel loop di regolazione e la capacità stessa può distruggersi se il ripple di corrente supera il limite. Il valore di ESR aumenta al diminuire della temperatura ed è funzione della frequenza. ESL : l ESL (Equivalent Series Inductance)limita l efficienza del condensatore alle alte frequenze, infatti dopo la frequenza di risonanza il condensatore si comporta come una induttanza. Questo è anche il motivo per cui i condensatori elettrolitici devono essere sostituiti con condensatori a film o ceramici per migliorare le prestazioni alle alte frequenze. ESR, ESL e C formano un circuito risonante, la cui frequenza di risonanza deve essere più alta possibile, perché oltre l impedenza equivalente avrebbe un comportamento induttivo. I regolatori switching generano segnali con componenti in alta frequenza ( anche maggiori di 10 MHz) e quindi se tale frequenza risulta troppo bassa c è il pericolo che nascano segnali spuri. 19

21 I regolatori di tensione Le capacità d ingresso: Tutti i convertitori switching visti nei precedenti paragrafi hanno bisogno di assorbire della corrente dall alimentazione DC ad una frequenza piuttosto alta; l impedenza di ingresso è estremamente importante e per taluni persino una piccola induttanza potrebbe causare significativi disturbi nell alimentazione del dispositivo. Un modo per ovviare a questo problema è quello di usare capacità di bypass vicine all ingresso degli switching converter. Ancor meglio è usare un condensatore elettrolitico con in parallelo una capacità ceramica o a film per ottimizzare i bypassing in frequenza. Effetti dell ESR nelle capacità d uscita: La funzione principale delle capacità d uscita in uno switching regulator è quella di filtro; mentre il convertitore funziona, ci deve essere una corrente carica/scarica sul condensatore. L ESR della capacità d uscita limita direttamente le prestazioni degli switching regulator ed in genere le case costruttrici definiscono un dato ESR per una data frequenza. Ad esempio i condensatori elettrolitici hanno la specifica di ESR a 120 Hz, ma in particolari applicazioni con i regolatori di tensione si deve avere una ESR stabile anche per alte frequenze (20KHz 100 KHz). Per questo motivo, ho anche sviluppato una libreria che, con gli strumenti disponibili in laboratorio, fosse in grado di definire in modo automatico il valore di ESR per un dato range di frequenze. Sono molti i parametri che dipendono dall ESR: Ripple Voltage: in molti casi, la maggior parte del ripple della tensione d uscita dipende dal valore di ESR; se l ESR aumenta, (come si vedrà dai risultati della libreria che ho sviluppato, ciò avviene alle basse temperature), il ripple in uscita aumenta sensibilmente. Efficiency: l ESR è causa della dissipazione interna al condensatore e questa potenza persa riduce l efficienza del regolatore e può addirittura arrivare a bruciare il condensatore stesso se è troppo alta. Loop stability: il valore di ESR delle capacità di uscita modificano anche la stabilità del controllo di retroazione dei regolatori. Come si vedrà meglio nella descrizione dei regolatori lineari, generalmente viene definito un range di ESR entro il quale il sistema resta stabile. Avere un condensatore con un definito e stabile ESR non è cosa semplice se tutto il dispositivo deve essere operare in un vasto range di temperatura: ad esempio l ESR di un tipico condensatore elettrolitico può crescere fino a 40 volte se la temperatura passa da 25 C a 40 C. In questi casi è utile utilizzare in parallelo al condensatore elettrolitico in alluminio, un altro condensatore con una curva di ESR più stabile in temperatura, esempio quelli in Tantalium, consentendo così all effettivo ESR di restare nel range di stabilità. 20

22 I regolatori di tensione Capacità di Bypass: Le capacità di bypass sono raccomandate sui pin di alimentazione, ma diventano indispensabili quando ci sono anche altri dispositivi vicino ai convertitori switching per ridurre l interferenza elettromagnetica irradiata. Collegamenti di Ground: La ground in un circuito è supposta essere ad un solo e definito potenziale, ma in realtà non è così. Quando una corrente scorre verso massa, il filo di collegamento presenta comunque una seppur piccola resistenza, e quindi si crea una differenza di potenziale lungo il circuito di massa. Nei circuiti DC a bassa frequenza, la gestione della ground è abbastanza semplice: il solo parametro critico è la resistenza di collegamento del conduttore che ne definisce la tensione ai suoi capi. In alta frequenza, diventa importante anche l induttanza interna della traccia o del conduttore di massa. Nei switching converter, ci sono impulsi di corrente ad alta frequenza che causano seri problemi se l induttanza parassita è alta. Molti dei disturbi sulla tensione dei switching converter sono il risultato della corrente attraverso queste induttanze. È noto che in un conduttore ad alte frequenze la corrente, tende per effetto pelle a scorrere sulla sua superficie, e quindi è conveniente avere piste di ground larghe, in molti casi si usa tutto un lato della board. Un esempio di un pessimo layout è il seguente: Si può osservare come la corrente di ritorno del Power Switch scorra su un unica pista comune al PWM Control Chip e al Logic Circuits: questa corrente causa spike di tensioni positivi e negativi (che seguono la legge v=l(di/dt) ), la cui ampiezza, come si vede in figura, è tanto maggiore quanto si è vicini al power switching. Quindi il pin di massa dei tre blocchi non è fisso ad un punto stabile e ben definito, ma è sottoposto a considerevoli sbalzi di tensione, oltremodo diversi ed in istanti differenti fra loro. Questo rumore presente sui pin di ground può causare una errata regolazione della tensione di uscita con un eccessivo ripple, e molto spesso i regolatori che soffrono di rumore di ground possono diventare instabili ed entrare in oscillazione al crescere della corrente ( cioè al crescere della corrente di ground). 21