ALIMENTATORI STABILIZZATI A COMMUTAZIONE o SWITCHING
SMPS : Switched Mode Power Supply
Sono tipici circuiti di potenza (fino alcuni KW) in cui gli elementi di controllo, BJT o MOS,
vengono fatti lavorare in commutazione (ossia ON / OFF). Sono ormai largamente usati per gli
innumerevoli vantaggi che offrono rispetto ai corrispondenti lineari.
Questi ultimi sono affidabili e semplici ma presentano lo svantaggio del basso rendimento (30 – 50
%) dovuto al fatto che molta potenza viene sprecata in calore sull’elemento di controllo, che dunque
scalda molto e quindi ha bisogno di ingombranti e costosi dissipatori.
Anche il trasformatore, lavorando a frequenza di rete (50 Hz in Europa) risulta ingombrante,
pesante e costoso.
Dunque sono limitati per basse potenze (< 50 W)
Gli alimentatori a commutazione viceversa ovviano a questi inconvenienti facendo lavorare
l'elemento di controllo in commutazione, a una frequenza piuttosto elevata, da 20 kHz ai 200 kHz e
più. In questo modo la potenza dissipata sull'elemento di cala drasticamente (il rendimento può
arrivare al 90% e oltre) e così pure le dimensioni dei componenti reattivi, trasformatore, induttori e
condensatori di filtro.
Circuitalmente gli alimentatori a commutazione sono piuttosto complessi; nella figura seguente è
illustrato lo schema generale a blocchi. L'ingresso è costituito da un raddrizzatore capacitivo,
collegato direttamente alla rete senza l'interposizione di alcun trasformatore.
L'isolamento
dalla rete
mediante
trasformatore
avviene più a
valle, all'interno
di detto inverter
o convertitore
DC/AC, che
converte la
tensione
raddrizzata e
filtrata di
ingresso in
un'onda quadra
ad alta
frequenza.
L’uso del
trasformatore
oltre a isolare
l’ingresso
dall’uscita permette di avere differenti tensioni tra ingresso e uscita anche notevoli nell'ordine delle
centinaia o migliaia di volt
La conversione viene svolta da un transistore che, lavorando in commutazione taglia a fette
(chopper) la tensione continua di ingresso, trasformandola in onda rettangolare. Un trasformatore,
di ridotte dimensioni e con nucleo in ferrite, trasferisce l'onda rettangolare a un secondo
raddrizzatore con filtro, che provvede a fornire al carico la tensione continua di uscita. Il ciclo di
utilizzo o duty cycle dell'inverter, da cui dipende il livello della tensione di uscita, è regolato da un
apposito circuito di controllo a PWM, cioè a modulazione larghezza degli impulsi.
Più precisamente un amplificatore di errore confronta un della tensione di uscita con una
tensione di riferimento, producendo un segnale Ve. Questo segnale a sua volta controlla il
modulatore PWM, che, mantenendo costante la frequenza, allarga o restringe il duty cycle dell'onda
quadra dell'inverter in modo da stabilizzare la tensione di uscita. Pertanto anche in questi
alimentatori, come in quelli lineari è presente un anello di reazione negativa con compiti di
stabilizzazione.
1
L’inverter della figura contiene un trasformatore per isolare galvanicamente la rete dal carico, e
dunque per mantenere tale isolamento la retroazione si avvale di un Optoisolatore (ad es.)
I Convertitori DC /DC a trasformatore interno (come quello di figura) possono essere realizzati
in diversi modi. I tipi fondamentali sono:
Flyback
Forward
Push Pull
Semiponte
Ponte
Nel seguito vediamo invece i convertitori DC DC senza trasformatore interno, che sono
utilizzati per potenze medio / basse e costituiscono comunque la base per tutta la famiglia
In elettronica, un convertitore DC-DC è un circuito che converte una sorgente di corrente continua
da una tensione a un'altra. Insomma è un trasformatore per correnti continue (DC).
Tipicamente compiono la conversione applicando tensione continua DC su un induttore per un certo
periodo di tempo (di solito in un range di frequenza da 100 kHz a 5 MHz) nel quale scorre una
corrente elettrica così da immagazzinare energia magnetica; quando viene tolta la tensione si
trasferisce l'energia immagazzinata come tensione d'uscita del convertitore in maniera controllata.
Agendo sul rapporto di on/off time, detto anche duty cycle, la tensione d'uscita rimane regolata
anche se la corrente d'uscita cambia. Questo metodo di conversione è molto efficiente (compreso tra
80% e il 95%) a differenza del metodo lineare che dissipa potenza. Grazie all'elevata efficienza si
aumenta la durata delle batterie dei dispositivi portatili. Uno svantaggio dei convertitori a
commutazione è il rumore elettromagnetico generato dovuto alle brusche variazioni della
corrente che comunque può essere limitato con appositi filtri.
Utilizzo
I convertitori DC-DC sono importanti nei dispositivi elettronici mobili come i telefoni cellulari e i
computer laptop, che sono alimentati da batterie. Tali strumenti elettronici spesso contengono
diversi sottocircuiti, in cui ognuno necessita di un livello di tensione differente da quella fornita
dalla batteria (tipicamente più alta o più bassa della tensione della batteria, e qualche volta anche
tensioni negative). Inoltre, la tensione della batteria diminuisce man mano che la potenza viene
prelevata. I convertitori DC-DC offrono un metodo di generare diversi livelli di tensione controllati
a partire da una batteria a tensione variabile, risparmiando in tal modo spazio ed evitando di
utilizzare molte batterie per fornire energia alle diverse parti dello strumento.
Metodo di conversione a switch
I convertitori elettronici a switch DC-DC sono disponibili per convertire un livello di tensione in un
altro. Questi circuiti, molto simili agli alimentatori switching, Le varie topologie dei convertitori
DC-DC possono generare varie combinazioni di tensioni. Alcuni nomi di convertitori a seconda
della topologia sono:
buck
boost
buck-boost (inverter)
Ćuk
SEPIC
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In generale, il termine "convertitore DC-DC" si riferisce a uno di questi convertitori a
commutazione.
I convertitori DC-DC sono ora disponibili come circuiti integrati che necessitano di pochi
componenti esterni per costruire un convertitore completo. I convertitori DC-DC sono anche
disponibili come circuiti ibridi completi, pronti all'uso.
Lo studio che ora faremo si basa sulle seguenti assunzioni:
Il condensatore di uscita è abbastanza grande da fornire potenza al carico (una resistenza
semplice) senza osservabili variazioni in tensione. Ossia Vo = costante sempre
La caduta di tensione attraverso il diodo e l’interruttore durante la polarizzazione diretta è
zero.
L’induttore e il condensatore sono ideali (non hanno cioè elementi parassiti)
Non ci sono perdite di commutazione nel commutatore né nel diodo.
Queste assunzioni possono essere anche molto lontane dalla realtà, e i difetti dei componenti
reali possono avere notevoli effetti negativi sul funzionamento del convertitore. Soprattutto
l’Induttore dev’essere a bassissime perdite. Il Diodo a bassa VD (ON) e molto veloce è normalmente
di tipo Shottky e il Condensatore dev’essere a bassa resistenza serie (ESR ) e induttanza serie
(ELS) e quindi al Tantalio
Sul mercato vi sono una miriade di IC che realizzano il controllo, quali l’ L290, il LM2623 ecc.
E’ necessario aggiungere la L e il C esterni e pochi altri componenti. Vedere le applicazioni su
Internet
3
CONVERTITORE BOOST
Un convertitore boost (o convertitore
step-up) è un convertitore DC-DC con
una tensione di uscita maggiore
dell'ingresso. È una classe di alimentatori
a commutazione contenenti almeno due
commutatori a semiconduttore (un diodo e
un transistor) e almeno un elemento
accumulatore di energia. Filtri composti da combinazioni di induttori e capacità sono spesso
aggiunti ad un convertitore boost per migliorarne le caratteristiche.
Lo schema base di un convertitore boost. Il commutatore tipicamente è un MOSFET, IGBT, o BJT.
Panoramica
La tensione di una presa elettrica non può alimentare direttamente dispositivi come computer,
orologi digitali o telefoni. La presa fornisce corrente alternata mentre il dispositivo richiede corrente
continua. La conversione di potenza permette a dispositivi alimentabili in cc di utilizzare potenza
proveniente da una sorgente in ca. Un dispositivo chiamato raddrizzatore è in grado di convertire
una tensione ca in cc.
L'alimentazione cc può essere anche fornita direttamente da batterie, pannelli solari fotovoltaici
generatori in cc. Il processo che converte una tensione cc in un'altra tensione cc viene chiamato
conversione cc-cc o anche conversione dc-dc usando la sigla inglese per la corrente continua.
Applicazioni
I sistemi alimentati a batterie spesso sono costituiti da molte celle poste in serie per ottenere tensioni
più elevate. Non è sempre possibile, per mancanza di spazio o per questioni di peso, mettere in serie
tante batterie soprattutto nelle applicazioni dove è richiesta alta tensione. I convertitori boost
possono aumentare la tensione e ridurre di conseguenza il numero di celle necessarie a questo
scopo. Due tipiche applicazioni a batterie che usano i convertitori boost sono i veicoli elettrici ibridi
(HEV) e i sistemi di illuminazione.
La Toyota Prius contiene un motore che usa tensioni di circa 500 V. Senza un convertitore boost, la
Prius necessiterebbe di 417 batterie per alimentare il suo motore elettrico. In realtà la Prius usa solo
168 batterie e quindi eleva la tensione delle batterie da 202 V a 500 V. I convertitori boost
alimentano anche dispositivi di scala molto più piccola, come i sistemi di illuminazione portatili. Un
LED bianco richiede tipicamente 3.3V per emettere luce, e un convertitore boost può innalzare la
tensione di una singola cella alcalina da 1.5 V per alimentare la lampada. I convertitori boost
possono produrre anche tensioni più elevate per far funzionare i tubi fluorescentia catodo freddo
(CCFL) in dispositivi come retro illuminatori di LCD e lampade flash.
Dato che la potenza (V*I) deve conservarsi, la corrente di uscita sarà in genere all'incirca
inversamente proporzionale al rapporto Vi/Vo, non considerando le perdite
Convertitore Boost
Un convertitore boost è un convertitore DC-DC con una tensione d'uscita maggiore di quella in
ingresso. Un convertitore boost viene spesso chiamato anche convertitore step-up, (da step= passo
o gradino in inglese) ossia circuito "innalzatore di tensione" dato che esso "eleva" la tensione in
ingresso.
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Funzionamento del circuito
Fig. 2: le due configurazioni di un convertitore boost, secondo
lo stato del commutatore S.
Il principio base di funzionamento di un convertitore boost consiste in due stati distinti (vedere
figura 2):
nello stato "on", il commutatore S (vedere figura 1) è chiuso, provocando un aumento di
corrente nell'induttore;
nello stato "off", il commutatore è aperto e l'unico percorso offerto alla corrente
dell'induttore è attraverso il diodo D, la capacità C e il carico R. Ciò provoca il trasferimento
dell'energia accumulata durante lo stato "on" nella capacità.
Modo di funzionamento continuo (CCM Continuos Current Mode)
Fig. 3: forme d'onda A REGIME della corrente e
della tensione in un convertitore boost operante in
modo continuo.
Quando un convertitore boost opera in modo continuo,
la corrente che passa attraverso l'induttore (IL) non
scende mai a zero.
La tensione di uscita può essere calcolata come di
seguente, nel caso di un convertitore ideale (cioè usando
componenti con un comportamento ideale) operante in
condizioni stazionarie:
Durante lo stato di funzionamento acceso (on), il commutatore S è chiuso e la tensione di ingresso
(Vi) appare ai capi dell'induttore; ciò provoca un cambiamento nella corrente (IL) che scorre
attraverso l'induttore durante il periodo di tempo (t). Questo funzionamento viene descritto dalla
formula:
Infatti un induttore “caricato” a tensione costante fornisce una rampa di corrente di valore I =
(V/L) t e dunque alla fine della carica si ha ∆I = (V/L) ∆t Qui ∆t = TON = D T e D = duty cycle
(o rapporto acceso/spento). Esso rappresenta la frazione del periodo di commutazione T durante la
quale il commutatore S è acceso. Perciò D può variare tra 0 (S non è mai acceso) e 1 (S è sempre
acceso).
Durante lo stato di spento (off), il commutatore S è aperto, perciò la corrente dell'induttore fluisce
attraverso il carico. Se consideriamo la caduta di tensione attraverso il diodo idealmente uguale a
zero, e una capacità abbastanza grande da mantenere la sua tensione costante, l'evoluzione di IL è:
il segno meno indica che la I alla fine è
minore che all’inizio
A regime, come si vede dalla fig.3, i due
∆ (a parte il segno) devono essere uguali. Sostituendo, con un po’ di algebra abbiamo:
5
Fig. 6: andamento della tensione di uscita di
un convertitore boost al variare del duty cycle
del commutatore.
Dall'espressione precedente si può vedere che la
tensione di uscita è sempre maggiore di quella di
ingresso (come il duty cycle va da 0 a 1), e che
essa cresce con D, teoricamente all'infinito come
D raggiunge il valore di 1. Questa è la ragione
per la quale questo convertitore viene spesso
chiamato convertitore step-up (trad. un passo in alto).
Progetto di massima
Considerando che C mediamente non assorbe corrente, si ha che la corrente media ID nel diodo
coincide con quella continua di uscita Io.
ID (AVG) = Io e ID(MAX) = IL(MAX) = IL(AVG)+ ∆IL / 2 = Ii(AVG)+ ∆IL / 2
La corrente di ingresso la si può ricavare dalla Vi Ii = Vo Io ( rendimento = 1 ossia perdite nulle,
approssimazione abbastanza buona in questi circuiti), quindi Ii/Io = Vo / Vi e quindi
Ii(AVG) = Io / (1-D) volendo la si può maggiorare del 10% per tener conto delle perdite
Poiché Ii = IL si ha
IL(AVG) = Io / (1-D) ; (∆IL)pp = (Vo –Vi) Vi / ( f L Vo )
L = (Vo-Vi) / ( f Vo ∆IL) : per il progetto si fissa ∆IL al 40 - 50 % della Io
Verificare poi che IL(AVG) - ∆IL/2/ > 0 (modo CCM)
Sul condensatore si ha un ripple, il cui valore ∆Vo è un dato di progetto. Poiché C si scarica sul
carico durante Ton e quindi la corrente di scarica è Io che supponiamo costante, si ha
∆Vopp = (Io/C) Ton da cui C = Io Ton /∆Vopp da cui
C = (Vo-Vi) Io / ( f Vo ∆Vopp) ∆Vopp = (Vo-Vi) Io / ( f Vo C)
Esempio: Progettare un Boost con Vi = 5V; Vo = 12 V @ 100 mA con ripple pp dell’ 1%
Scelgo f = 30 KHz e ∆IL = 40%
1) D = 1 – Vi/Vo = 1 – 5/12 = 58,3 %
2) ∆Vo = 0,01 Vo = 0,01 12= 0,12 V
3) Ii(AVG) = IL(AVG) = Io / (1-D) = 100 / (1-0,583) = 240 mA
6
4) ∆IL = 0,4 IL = 0,4 240 = 96 mA => verifica OK
5) L = (12-5) /( 30k 12 0,12) = 0,16 mH
6) C = (12-5) / (30k 12 0,12) = 16 uF (TANTALIO)
7) Id(AVG) = Io = 100mA ; Id(MAX) = 240 + 96/2 = 288 mA
Modo di funzionamento discontinuo (DCM
Discontinuos Current Mode )
Fig. 4: forme d'onda di tensione e
corrente in un convertitore boost
operante in modo discontinuo.
In molti casi, l'ammontare dell'energia
richiesta dal carico è abbastanza piccola da
essere trasferita in un tempo più piccolo
della durata dell'intero ciclo di
commutazione. In questo caso, la corrente
che passa attraverso l'induttore cade a zero
durante parte del periodo. L'unica
differenza nel principio descritto in
precedenza è che l'induttore viene
completamente scaricato alla fine del ciclo
di commutazione (vedere le forme d'onda
presenti in figura 4). Malgrado piccola, la differenza ha un grande effetto sull'equazione della
tensione di uscita. Non consideriamo però questo modo di funzionamento
Effetti delle resistenze parassite Dell’Induttore
Fig. 7: andamento della tensione di
uscita e del duty cicle di un convertitore
boost all'aumentare della resistenza
parassita nell'induttore.
Normalized Voltage = Vo/Vi ;
Parametro RL / R(indutt)
Nell'analisi precedente, non sono stati
considerati gli elementi dissipativi di
potenza, cioè le (resistenze). Ciò significa
che la potenza viene trasmessa senza
perdite dalla sorgente al carico. In realtà, esistono sempre delle resistenze parassite in tutti i circuiti
reattivi, dovute alla resistività dei materiali di cui sono fatti i componenti che li compongono.
Perciò, una frazione della potenza gestita dal convertitore, viene dissipata da queste resistenze
parassite.
Per semplicità, consideriamo che l'induttore sia l'unico componente non ideale del circuito, e che sia
equivalente ad un induttore ideale in serie ad una resistenza ideale. Quest'assunto è accettabile dato
che un induttore è costituito solitamente da un lungo spezzone di filo avvolto, che è probabile che
presenti una resistenza parassita non trascurabile (RL).RL tiene anche conto delle perdite nel
7
nucleo magnetico. Inoltre la corrente scorre attraverso l'induttore, sia durante lo stato acceso (on)
che durante quello spento (off).
Se la resistenza nell'induttore è zero, la precedente equazione diventa uguale a quella del caso
ideale. Ma come aumenta RL, il guadagno in tensione del convertitore diminuisce in confronto al
circuito ideale. Inoltre, l'influenza di RL cresce con il duty cycle. Tutto ciò è descritto in figura 7.
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CONVERTITORE BUCK
Un convertitore buck è un convertitore DC-DC riduttore (convertitore step-down). La topologia è
simile al convertitore boost e fa parte della categoria dei convertitori switching.
Fig 3: Simboli convenzionali dei componenti, tensione e corrente del convertitore Buck.
Funzionamento del circuito
E’ analogo al precedente, solo che qui la rampa in salita è prodotta dalla (Vi – Vo) e quella in
discesa solo da Vo
Fig 2: Le due configurazioni del convertitore Buck: stato "on",
quando l'interruttore è chiuso, e stato "off", quando
l'interruttore è aperto.
Il funzionamento del convertitore buck è semplice: tramite l'interruttore si connette l'induttore alla
fonte di energia che così si carica di energia magnetica; scollegandolo esso si scarica sul carico.
Modo di funzionamento continuo (CCM)
Si hanno grafici e formule analoghe a prima e il modo di studiarlo è lo stesso. Si ha:
Da questa equazione, si può osservare che la tensione di uscita del convertitore varia linearmente
con il duty cycle per una data tensione di ingresso. Dato che il duty cycle D è uguale al rapporto tra
TOn ed il periodo T, esso non può essere maggiore di 1. Perciò,
. Questa è la ragione per
cui questo convertitore viene chiamato anche convertitore step-down (trad. un passo in basso).
Se, per esempio, si volesse abbassare una tensione di 12V fino a 3V (cioè una tensione di uscita
uguale ad un quarto di quella di ingresso), nel nostro circuito teorico ideale ciò richiederebbe un
duty cycle del 25%.
Anche in questo caso si ha un Modo di funzionamento discontinuo che non studieremo
Effetti delle resistenze parassite
Dell’Induttore
Fig. 7: Andamento della tensione di
uscita e del duty cycle di un
convertitore buck all'aumentare della
resistenza parassita dell'induttore.
Normalized Voltage = Vo/Vi ;
Parametro RL / R(indutt)
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Progetto di massima
Procedendo in modo simile al circuito precedente:
ID (AVG) = Io (1 – D) e
ID(MAX) = IL(MAX) = IL(AVG)+ ∆IL / 2 = Io(AVG)+ ∆IL / 2
La corrente di ingresso la si può ricavare dalla Vi Ii = Vo Io ( rendimento = 1 ossia perdite nulle,
approssimazione abbastanza buona in questi circuiti), quindi Ii/Io = Vo / Vi e quindi
Ii(AVG) = Io D volendo la si può maggiorare del 10% per tener conto delle perdite
Poiché mediamente C non assorbe corrente si ha
IL(AVG) = Io ; ∆IL = (Vi-Vo) Vo / ( f Vi L)
L = (Vi-Vo) Vo / ( f Vi ∆IL) : per il calcolo si fissa ∆IL al 40 - 50 % della Io
Verificare poi che IL(AVG) - ∆IL/2/ > 0 (modo CCM)
Sul condensatore si ha un ripple, il cui valore picco picco ∆Vo è un dato di progetto
C = (Vi-Vo) Vo / ( 8 f
2
L Vi ∆Vopp)
∆Vopp = (Vi-Vo) Vo / ( 8 f
2
L Vi C)
Esempio: Progettare un Boost con Vi = 5V; Vo = 12 V @ 100 mA con ripple massimo dell’ 1%
Scelgo f = 30 KHz e ∆IL = 40%
1) D = 1 – Vi/Vo = 1 – 5/12 = 58,3 %
2) ∆Vo = 0,01 Vo = 0,01 12= 0,12 V
3) Ii(AVG) = IL(AVG) = Io / (1-D) = 100 / (1-0,583) = 240 mA
4) ∆IL = 0,4 IL = 0,4 240 = 96 mA => verifica OK
5) L = (12-5) /( 30k 12 0,12) = 0,16 mH
6) C = (12-5) / (30k 12 0,12) = 16 uF (TANTALIO)
7) Id(AVG) = Io = 100mA ; Id(MAX) = 240 + 96/2 = 288 mA
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CONVERTITORE BUCK-BOOST - INVERT
Con il termine convertitore buck-boost ci si può riferire a due diverse tipologie di convertitori DCDC. Entrambe possono produrre una tensione maggiore (in valore assoluto) rispetto alla tensione di
ingresso; possono altresì produrre una tensione di uscita che varia dal massimo valore possibile,
fino quasi a zero.
1. Invert: invertente: la tensione di uscita è di polarità opposta rispetto all'ingresso
2. Convertitore buck (step-down) seguito da convertitore boost (step-up): la tensione di uscita è
della stessa polarità dell'ingresso, e può essere maggiore o minore in valore. Questo tipo di
buck-boost non invertente può impiegare un singolo induttore utilizzato sia come induttore
del buck e come induttore del boost.
Fig 1: Schema di un convertitore Invert .
Funzionamento del circuito
Fig 2: I due stati di operazione di un buck-boost: quando
l'interruttore è acceso, l'ingresso fornisce corrente all'induttore e la
capacità fornisce corrente al resistore (carico di uscita). Quando
l'interruttore è spento, l'energia dell'alimentazione è immagazzinata
dell'induttanza, e l'induttore fornisce corrente al carico tramite il
diodo D.
1. in stato ON (interruttore chiuso), la tensione di ingresso è direttamente connessa all'induttore
L; si accumula pertanto energia in L. In questo stadio, il condensatore fornisce energia al
carico di uscita.
2. in stato OFF (interruttore aperto), l'induttore è collegato all'uscita ed alla capacità, in modo
da trasferire energia da L a C ed R.
3. Rispetto ai circuiti precedenti le caratteristiche dell’Invert sono principalmente:
4. la polarità dell'uscita, opposta a quella dell'ingresso;
5. l'uscita può variare in modo continuo da 0 a
(per un convertitore ideale). Le variazioni
dell'uscita per un buck ed un boost sono rispettivamente da 0 a Vi e da Vi a .
6.
Modo di funzionamento continuo (CCM
Continuos Current Mode)
Se la corrente nell'induttore L non giunge mai a zero durante un ciclo di commutazione, si dice che
il convertitore opera in continua (continuous current mode, CCM). Le forme d'onda di corrente e
tensione in un convertitore ideale sono analoghe a prima
Durante TON = DT , il convertitore è in stato ON, e lo switch S è pertanto chiuso. Al termine della
fase ON, l'incremento di IL è:
cioè
∆ILON = (Vi/L) TON
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Durante lo stato OFF, lo switch è aperto, quindi la corrente dell'induttore fluisce verso il carico. Se
si suppone pari a zero la caduta di tensione sul diodo e si suppone un condensatore grande
abbastanza da poter considerare la sua tensione costante, l'evoluzione di IL è:
∆ILOFF = (Vo/L) TOFF = (Vo/L) (1 –D) T
Considerando come precedentemente fatto cha a regime i due ∆ devono essere uguali (a parte il
segno) sostituendo si ha:
Dalla precedente espressione, si può notare che la polarità dell'uscita è sempre negativa (dato che il
duty cycle varia tra 0 e 1), e che il suo valore assoluto cresce con D, teoricamente fino a meno
infinito, man mano che D tende a 1. A parte la polarità, questo convertitore è sia step-up (come un
convertitore boost) che step-down (come un convertitore buck): questo è il motivo per cui ha nome
buck-boost. Il Regime discontinuo (DCM) al solito non lo studiamo
Effetto delle resistenze parassite per un Induttore non ideale
Fig 6: tensione di uscita in un
convertitore buck-boost in funzione
del duty-cycle, al crescere della
resistenza parassita dell'induttore
Normalized Voltage = Vo/Vi ;
Parametro RL / R(indutt)
Se la resistenza dell'induttore è nulla, quest'ultima equazione torna ad essere uguale a quella del
caso ideale. Al crescere di RL, però, il guadagno di tensione del convertitore diminuisce rispetto al
caso ideale. Inoltre, l'influenza di RL aumenta all'aumentare del duty-cycle; questo effetto è
raffigurato in figura 6.
Progetto di massima
Procedendo in modo simile al circuito precedente:
ID (AVG) = Io e ID(MAX) = IL(MAX) = IL(AVG)+ ∆IL / 2 = Io + ∆IL / 2
La corrente di ingresso la si può ricavare dalla Vi Ii = Vo Io ( rendimento = 1 ossia perdite nulle,
approssimazione abbastanza buona in questi circuiti), quindi Ii/Io = Vo / Vi e quindi
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Ii(AVG) = Io D / (1 – D) volendo la si può maggiorare del 10% per tener conto delle perdite
Poiché mediamente C non assorbe corrente si ha
IL(AVG) = Io / (1 – D) ; ∆IL = (Vi |Vo|) / ( f L (Vi + |Vo|))
L = Vi |Vo| / ( f (Vi + |Vo| ) ∆IL) : per il calcolo si fissa ∆IL al 40 - 50 % della IL(AVG)
Verificare poi che IL(AVG) - ∆IL/2/ > 0 (modo CCM)
Sul condensatore si ha un ripple, il cui valore picco picco ∆Vo è un dato di progetto
C = Io |Vo| / (f (Vi + |Vo|) ∆Vopp)
∆Vopp = Io |Vo| / (f (Vi + |Vo|) C)
Esempio: Progettare un Invert con Vi = 12V; Vo = -12 V @ 100 mA con ripple massimo dell’
1%
Scelgo f = 50 KHz e ∆IL = 40%
1) D = Vo/(Vo-Vi) = -12/ (-12 (-12))= 50%
2) ∆Vo = 0,01 Vo = 0,01 12= 0,12 V
3) Ii(AVG) = Io D / (1-D) = 100 mA
4) ∆IL = 0,4 Io = 0,4 100 = 40 mA
5) L = (12 (-12))/( 50k (12 +12) 40m) = 3 mH
6) C = 0,1 12/((12+12) 50k 0,12) = 25 uF (TANTALIO)
7) Id(AVG) = Io = 100mA ; Id(MAX) = 100 + 40/2 = 120 mA
8) IL(AV) = 100 /(1-0,5) = 200 mA => verifica OK
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BUCK MULTIFASE
Il convertitore buck multifase è una topologia di
circuito dove i componenti del circuito convertitore
buck base sono posti in parallelo tra l'ingresso e il
carico. Ognuna di queste "fasi" viene accesa ad
intervalli di tempo uguali fra loro nel periodo di
commutazione. Questo circuito viene usato
tipicamente con la topologia del buck sincrono
(che usa un interruttore anche per sostituire il
diodo)
Il vantaggio primario di questo tipo di convertitore
è che la corrente di carico viene divisa tra le n-fasi
del convertitore. Questa separazione del carico
permette di distribuire la potenza dissipata su tutti
su commutatori in un'area più estesa. Un altro
vantaggio ugualmente importante fornito da questo
convertitore è che il "ripple" di uscita viene diviso per il numero di fasi, n. Il carico quindi viene
sottoposto ad una frequenza di ripple che è n-volte la frequenza di commutazione.
La foto evidenzia i componenti costituenti un
alimentatore a tre fasi per il microprocessore AMD
con zoccolo 939. Sono distinguibili i tre induttori
toroidali neri. Il piccolo induttore in prossimità del
dissipatore, fa parte del filtro d'ingresso.
Questa topologia di circuiti viene usata negli
alimentatori di potenza per computer per convertire
i 12V CC in una tensione più bassa (attorno al
Volt), apposita per le CPU. Le moderne CPU
necessitano attualmente di correnti oltre le 100A
con tensioni di ripple molto basse, meno di 10mV.
Gli alimentatori tipici delle moderne schede madri
usano 3 o 4 fasi (ma sono in arrivo schede con fino
a 8 fasi), sebbene i costruttori dei circuiti integrati di controllo permettano fino a 6 fasi.
Una topologia multifase fornisce ulteriori significativi benefici. Per esempio, la risposta
cambiamenti dinamici di corrente di carico può essere migliorata attraverso un'attenta progettazione
del controllore. Ampi aumenti della corrente di carico possono essere ottenuti accendendo
selettivamente più fasi secondo le esigenze del carico.
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