μPower Buck Regulator Safely Rides Through Automotive

Regolatore buck μPower gestisce senza problemi
i load dump nelle applicazioni automotive
di Juan G. Aranda
Senior Design Engineer
Introduzione
Quando un regolatore buck viene usato in applicazioni soggette a condizioni di cortocircuito e
sovraccarico dell’uscita, il duty cycle necessario per tenere sotto controllo la corrente
dell’induttore può essere inferiore al duty cycle minimo del regolatore nel funzionamento alla
massima frequenza. Pertanto, per proteggere in modo efficace un regolatore tradizionale in
presenza di tali condizioni, occorre ridurre la frequenza di commutazione a un valore in grado di
gestire senza problemi la massima tensione di ingresso prevista.
In alcuni casi il foldback della frequenza può contribuire a ridurre il duty cycle effettivo riducendo
la frequenza di commutazione quando la tensione di uscita va fuori regolazione. Questa tecnica,
però, potrebbe non garantire una protezione sufficiente se la frequenza ripiegata non è
abbastanza bassa. Alla fine il problema del duty cycle pone un limite alla frequenza di
commutazione massima con la quale il regolatore può funzionare in sicurezza, soprattutto nelle
applicazioni automotive in cui l’alimentatore può vedere tensioni positive molto più elevate della
normale tensione d’esercizio di 12V.
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L’LT 3682 è un nuovo regolatore buck da 1A che risolve il problema del duty cycle monitorando
la corrente mediante il diodo di ricircolo esterno e ritardando la generazione di nuovi impulsi di
switch se questa corrente supera un valore predefinito. L’LT3682 funziona senza problemi in
condizioni di cortocircuito e sovraccarico dell’uscita fino a una massima frequenza operativa
regolabile di 2,2MHz, a prescindere dalla tensione di ingresso. Questo ulteriore livello di
protezione consente ai progettisti di sistemi automotive di sfruttare la frequenza di commutazione
massima del regolatore, senza preoccuparsi delle correnti transitorie sull’alimentatore.
L’LT3682 supporta tensioni di ingresso comprese tra 3,6V e 36V e tensioni transitorie fino a 60V.
Nel package DFN-12 da 3mm x 3mm sono previste anche altre funzioni, tra cui soft-start,
indicatore ‘power good’, foldback della frequenza e arresto termico.
Figura 1. L’LT3682 controlla la corrente che attraversa il diodo di ricircolo esterno sul pin DA
Figura 2. Tipica applicazione a 800kHz
On-time minimo dello switch
In presenza di carichi normali il limite di corrente dello switch interno è regolato in base alla
prevista corrente di picco dell’induttore. A causa di ritardi interni, lo switch di potenza non si
disattiva immediatamente al raggiungimento del limite di corrente interno, bensì impiega il
cosiddetto on-time (tON (MIN)) minimo.
Questo ritardo consente alla corrente dell’induttore di continuare a raggiungere valori che
dipendono dalla pendenza della corrente e dal valore di tON (MIN). In presenza di transienti di
tensione in ingresso positivi, la pendenza positiva della corrente dell’induttore aumenta
nettamente, aumentando il suo valore di picco. Un convertitore buck ben progettato implementare
il pulse-skipping tralasciando alcuni impulsi dello switch per mantenere la regolazione, qualora
non fosse possibile soddisfare i nuovi requisiti del duty cycle per limitazioni dell’on-time minimo.
La situazione può ulteriormente peggiorare a causa di un sovraccarico durante le tensioni
transitorie in ingresso. In presenza di sovraccarichi molto elevati il limite di corrente interno viene
bloccato sul suo valore massimo, ILIM, e la tensione di uscita non è più regolata, con conseguente
riduzione della pendenza negativa della corrente dell’induttore. Se durante lo switch off la
corrente dell’induttore non ritorna allo stesso valore o assume valori superiori a quelli che aveva
alla fine del ciclo precedente, il suo valore di picco aumenta ad ogni ciclo, raggiungendo livelli
inaccettabili.
Monitoraggio della corrente mediante il pin DA
L’LT3682 tiene sotto costante controllo la corrente dell’induttore durante il tempo di disattivazione
monitorando la corrente che attraversa il diodo di ricircolo esterno mediante il pin DA (anodo
diodo) (v. figura 1) e ritarda la generazione di nuovi impulsi dello switch se la corrente non
scende al di sotto di una soglia stabilita, IDA, con conseguente riduzione del duty cycle effettivo
del regolatore.
Cosi è possibile utilizzare gli induttori di piccole dimensioni delle applicazioni ad alta frequenza
senza sacrificare la robustezza in caso di guasto. Le figure 2 e 5 mostrano come configurare
l’LT3682 in una applicazione a 5VOUT con una frequenza di commutazione programmata di,
rispettivamente, 800kHz e 1,7MHz. Il carico resistivo a VOUT aumenta finché il regolatore
raggiunge il suo limite di corrente massimo. Le figure 3, 4, 6 e 7 mostrano la protezione del
rilevamento della corrente nel pin DA per tensioni di ingresso di 12V e 36V per entrambe le
applicazioni. In tutti i casi il valore più basso della corrente dell’induttore viene bloccato a circa
1,1A in modo da tenere sotto controllo il suo valore di picco. Ritardando la generazione di nuovi
impulsi dello switch, la frequenza di commutazione viene effettivamente ridotta per soddisfare i
nuovi requisiti del duty cycle introdotti dalla condizione di guasto.
Figura 3. Applicazione a 800kHz con VIN = 12V. L’evento di sovraccarico fa sì che VOUT scenda a circa
3,2V
Figura 4. Applicazione a 800kHz con VIN = 36V. L’evento di sovraccarico fa sì che VOUT scenda a circa
3,5V
Conclusioni
L’LT3682 è un regolatore di commutazione buck monolitico da 1A che opera con tensioni di
ingresso comprese tra 3,6V e 36V e tensioni transitorie fino a 60V. La frequenza di
commutazione regolabile e sincronizzabile va da 250kHz a 2,2MHz. Il dispositivo è in grado di
monitorare la corrente che attraversa il diodo di ricircolo esterno, garantendo un maggiore livello
di protezione contro eventuali guasti sull’uscita nell’intero range di frequenze operative, a
prescindere dalla tensione di ingresso. Queste caratteristiche, oltre alla corrente di riposo in
assenza di carico di 75μA tipica, rendono l’LT3682 la soluzione ideale per applicazioni
automotive ad alta frequenza e alimentate a batteria.
Data
Sheet Download
Figura 5. Tipica applicazione a 1,7MHz
Figura 6. Applicazione a 1,7MHz con VIN = 12V. L’evento di sovraccarico fa sì che VOUT scenda a circa
4,4V
Figura 7. Applicazione a 1,7MHz con VIN = 36V. L’evento di sovraccarico fa sì che VOUT scenda a circa
4,4V