I Circuiti a Pompa di Carica
Le pompe di carica ad alta tensione semplificano la conversione di potenza rispetto ai regolatori di commutazione basati su induttore, rendendo più facile
il compito dei progettisti e contribuendo notevolmente alla riduzione dei costi di progetto. In questo articolo vediamo come e perché
di STEVE KNOTH Senior Product Marketing Engineer, Power Products Group Linear Technology Corporation
e pompe di carica, o convertitori di
tensione a capacità commutata, occupano un piccolo spazio dello spettro
operativo, tra i regolatori a commutazione lineari e quelli basati su induttore,
e offrono un progetto alternativo al progettista poco incline a utilizzare le induttanze. Rispetto agli LDO, le pompe di
carica hanno bisogno di un condensatore supplementare (detto “flottante”)
per funzionare, ma in genere sono leggermente più costose, hanno livelli di rumore in uscita più elevati e, solitamente, una corrente di uscita inferiore. Però
offrono diversi vantaggi rispetto ai regolatori lineari, ad esempio un’efficienza
maggiore e quindi una buona gestione
termica, flessibilità nell’aumentare o ridurre la tensione o generare tensioni
negative. In confronto ai tradizionali re-
L
golatori a commutazione, le pompe di
carica hanno una corrente di uscita e
un’efficienza inferiori, però sono più
semplici da progettare e non hanno bisogno dell’induttore. I progressi tecnici
recenti hanno consentito di ampliare il
campo di tensioni di ingresso rispetto alle generazioni precedenti. Nella tabella
1 vengono messi a confronto i parametri operativi principali delle topologie
citate.
La pompa di carica utilizza i condensatori come accumulatori di energia per
generare una tensione di uscita. Osserviamo, ad esempio, il circuito pompa di
carica di base, detto “duplicatore”, della figura 1. Esso raddoppia la tensione di
ingresso usando un solo condensatore
flottante (CFLY nello schema) e quattro
switch interni (contrassegnati dalla “x”
cerchiata) controllati da un clock a due
fasi. Nella prima fase del clock (teta1
nello schema) una coppia di switch carica il condensatore flottante fino alla
tensione di ingresso (VIN). Nella seconda fase del clock (teta2 nello schema) un terzo switch connette il terminale
negativo del condensatore a VIN generando 2*VIN sul suo terminale positivo.
Il quarto switch connette il terminale
positivo del condensatore flottante al
condensatore di uscita. In assenza di
carico, la carica passa al condensatore
di uscita in ogni ciclo finché l’uscita carica a 2*VIN, cioè raddoppiando la tensione di ingresso. In presenza di un
carico in uscita, il condensatore di uscita fornisce la
corrente di carico nella prima fase, mentre il condensatore flottante fornisce la
Figura 1. Circuito di base
di un duplicatore a pompa
di carica
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Mikroe
Figura 2. Tipico circuito applicativo LTC3245
corrente di carico e carica il condensatore di uscita nella seconda fase. Ai fini del trasferimento di carica, l’uscita regola la tensione a un valore di poco
inferiore a 2*VIN. La carica e la scarica
del condensatore di uscita nelle due
fasi del clock genera un ripple di uscita
che è una funzione del valore del condensatore di uscita, della frequenza di
clock e della corrente di carico di uscita. Tutte le altre implementazioni del
circuito a pompa di carica seguono
questo schema di base, aggiungendo/cambiando switch e condensatori,
oltre al numero di fasi del clock. Le
pompe di carica possono raddoppiare, triplicare, dimezzare, invertire le tensioni oppure moltiplicarle o scalarle per
fattori frazionari come x3/2, x4/3, x2/3,
43
ecc., e generare tensioni arbitrarie, a
seconda del controller e della tipologia del circuito. L’efficienza delle pompe di carica può essere piuttosto buona
quando si avvicina al loro rapporto di
carica ideale. Nell’esempio del duplicatore citato prima, l’alimentazione in
ingresso è pari a due volte la corrente di
carico in uscita, per cui la potenza di ingresso è uguale a quella di uscita nel
migliore dei casi. In realtà l’efficienza è
leggermente inferiore a quella ideale,
a causa della corrente di riposo e di
altre perdite. Per la loro versatilità le
pompe di carica possono essere utilizzate in una vasta gamma di applicazioni e segmenti di mercato. La loro
maggiore solidità, resa possibile da
tecniche di progettazione innovative,
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offre nuove opportunità nei difficili settori industriale ed automobilistico.
SFIDE DELLA PROGETTAZIONE
NEI SETTORI AUTOMOBILISTICO
E INDUSTRIALE
I sistemi elettronici progettati per le
applicazioni automobilistiche sono impegnativi per molti motivi; tra questi
un ampio intervallo di temperature
d’esercizio, severi requisiti in termini di
interferenze elettromagnetiche (EMI)
e transienti e livelli qualitativi elevati richiesti dagli OEM (Original Equipment
Manufacturers) del settore auto. L’ambiente in cui è alloggiato il cruscotto di
un veicolo è zeppo di dispositivi elet-
Caratteristiche
tronici ai quali si aggiungono le radio
con connettività Bluetooth e reti basate sul cellulare. Pertanto è indispensabile che qualsiasi altro dispositivo inserito in questo ambiente,
limitato dal punto di vista termico, non
comporti una generazione di calore o
EMI eccessivi. Esistono norme di compatibilità elettromagnetica (EMC) rigorose che riguardano le emissioni irradiate e condotte, l’immunità o
suscettibilità irradiata e condotta e le
scariche elettrostatiche (ESD). L’osservanza di queste norme influisce sulle caratteristiche prestazionali di un
progetto di circuito integrato. Per i
bassi livelli di EMI e di rumore di usci-
Regolatore LDO
ta, le pompe di carica (senza dispositivi
magnetici, né induttori) sono la soluzione ideale. In genere le pompe di carica hanno livelli di EMI inferiori rispetto ai convertitori induttivi perché il
funzionamento del condensatore flottante può essere ridotto al minimo per
diminuire l’accoppiamento capacitivo
e gli effetti antenna. Gli induttori tendono a essere più grandi dei condensatori e fungono da antenna, soprattutto quando non sono schermati. In
realtà le uscite del condensatore flottante non generano più interferenze
elettromagnetiche di una normale uscita digitale, anzi ne generano di meno
perché la pista della scheda è ridotta al
Convertitore
Regolatore di commutazione
di tensione a capacità commutata
basato su induttore
Complessità design
Bassa
Medio-bassa
Medio-alta
Costo
Medio-basso
Medio-alto
Medio-alto
Rumore
Bassissimo
Basso
Medio-basso
Efficienza
Medio-bassa
Medio-alta
Alta
Gestione termica
Scarsa-media
Medio-buona
Ottima
Corrente di uscita
Medio-bassa
Medio-bassa
Alta
Disp. magnetici
No
No
Sì
Limiti
No step-up
Rapporto Vin/Vout
Consideraz. su layou
Tabella 1. Confronto tra le prestazioni degli LDO, delle pompe di carica e dei regolatori a commutazione
44
minimo. Partendo dall’ampio intervallo di temperature d’esercizio, gli IC di
potenza sono impegnati su due fronti.
Innanzitutto la conversione di potenza,
anche con un’efficienza medio-alta,
deve dissipare una certa quantità di
potenza sotto forma di calore. Questo
aspetto, associato a un ampio campo
di temperature d’esercizio, fa sì che
la temperatura di giunzione massima
dell’IC superi spesso i 125°C. Anche
nell’elettronica di bordo la temperatura ambiente all’interno di un modulo
di controllo elettronico di plastica sigillato può raggiungere i 95°C. A causa
di questi problemi molti IC progettati
per temperature di 85°C, e perfino
125°C, non sono adatti per ambienti
operativi in cui le temperature sono
molto elevate. Pertanto molte di queste
applicazioni hanno bisogno di circuiti
integrati in grado di operare con temperature fino a +150°C. L’ambiente auto presenta anche altri problemi, ad
esempio le basse temperature che
comportano la capacità di superare
l’avviamento a freddo a bassa tensione (~3V), per arrivare a 5V quando il
valore dell’ingresso scende al di sotto
dell’uscita desiderata. Solitamente in
questo caso serve un dispositivo in
grado di diminuire (buck) e di aumentare (boost). Inoltre i convertitori DC/DC
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Caratteristiche
Vantaggi
Ampia escursione di VIN: da 2,7V a 38V
Applicazioni automotive e ‘general purpose’
Topologia buck-boost
Conversione step-down e step-up
Corrente di uscita IC totale: 250mA
Molteplici applicazioni ‘general purpose’
Corrente di riposo 18uA
Funzionamento micropower; prolunga
la durata della batteria
Alta efficienza: 81% 12VINà 5Vout
Funzionamento nella modalità buck come
nei regolatori di commutazione non sincroni
Figura 3. Circuito applicativo dell’LTC3255– Loop di corrente da 4mA a 20mA
collegati agli ingressi della batteria
dell’auto devono resistere a notevoli
oscillazioni della tensione dovute a occasionali variazioni di tensione dell’alternatore o ad un avvio di emergenza
quando la batteria dell’auto è scarica.
In questo caso occorre un dispositivo dotato di una protezione in ingresso
contro le tensioni transitorie. Il segmento industriale ha esigenze simili a
quelle del settore auto, soprattutto per
quanto riguarda i livelli estremi di temperatura e il campo di tensioni di alimentazione. In sintesi tra i problemi
principali che riguardano i progettisti
dei sistemi automobilistici e industriali figurano:
- bilanciamento della dissipazione di
potenza con funzionamento a tempe-
45
rature elevate
- immunità a rumori irradiati e condotti, con contenimento delle emissioni
- gestione di elevate escursioni di tensione
- regolazione a 5V (o 3,3V) durante le
condizioni di avviamento a freddo
- riduzione delle dimensioni e dell’ingombro della soluzione
Il modo tradizionale per risolvere questi problemi di progettazione consiste
nel combinare convertitori buck e boost ad alta tensione o veri convertitori
DC/DC buck-boost a quattro switch.
Queste soluzioni, però, possono essere molto grandi e costose e spesso
richiedono ulteriori misure per evitare
problemi dovuti alle interferenze elettromagnetiche.
Funzionamento a più modalità (2:1, 1:1, 1:2)
Ottimizza l’efficienza sulla base di VIN
con commutazione automatica
e punti operativi di carico
Funzionamento a frequenza costante 450kHz
Riduce al minimo il ripple di entrata e uscita
e il rumore di commutazione
Funzionamento Burst Mode®
Bassa IQ, prolunga la durata della batteria.
selezionabile tramite pin
Controbilancia il basso ripple di uscita
con una migliore efficienza/una bassa IQ.
Bassa corrente in shutdown = 4µA
Prolunga la durata della batteria
Protezione contro i cortocircuiti e le sovratemperature
Robustezza
Nessun induttore necessario
Ingombro ridotto, meno componenti esterni,
riduzione dei costi
Solo 3 componenti esterni
Meno componenti e costi ridotti
Contenitori DFN-12 (3mm x 4mm x 0,75mm)
Soluzione compatta, basso profilo
e MSOP-12
Tabella 2. Caratteristiche e vantaggi dell’LTC3245
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Parallax Sensori Sensors
Una soluzione alternativa potrebbe essere quella di utilizzare una pompa di
carica buck ad alta tensione oppure
una pompa di carica buck-boost con
ampia protezione, efficiente e in grado di funzionare con temperature elevate. Queste richiedono solo tre condensatori di modesta capacità.
UNA SEMPLICE SOLUZIONE
AD ALTA TENSIONE
Per le applicazioni nei settori auto e
industriali, Linear Technology ha realizzato semplici e innovative pompe di
carica buck-boost e buck, monolitiche, ad alta tensione.
La prima di queste è l’LTC3245, una
versatile pompa di carica buck-boost
ad alta tensione, da 250mA, che utilizza una conversione frazionale commutata dei condensatori per mantenere la regolazione su un ampio
intervallo di tensioni di ingresso (da
2,7V a 38V) e produce un’uscita regolata di 3,3V, 5V o regolabile da 2,5V a
5V. Il circuito interno seleziona automaticamente il rapporto di conversione (2:1, 1:1 o 1:2) per ottimizzare l’efficienza al variare della tensione di
ingresso e delle condizioni di carico.
La bassa corrente di esercizio (18 A
senza carico, 4 A in shutdown) e il basso numero di dispositivi esterni (tre
46
piccoli condensatori ceramici e nessun induttore) rendono l’LTC3245 ideale per applicazioni automotive a bassa
potenza e con limiti di spazio quali gli
alimentatori transceiver ECU/CAN, gli
alimentatori di servizio industriali e la
conversione a bassa potenza da 12V a
5V. Nella figura 2 è illustrato un tipico
circuito applicativo.
L’esclusiva architettura a frequenza
costante dell’LTC3245 consente un rumore condotto e radiato inferiore rispetto ai regolatori di commutazione
tradizionali.
Il dispositivo presenta il funzionamento Burst Mode® selezionabile tramite
pin che consente all’utente di controbilanciare il basso ripple di uscita con
una migliore efficienza e una corrente
di riposo inferiore.
Altre caratteristiche sono il basso numero di componenti esterni con la stabilità dei condensatori ceramici, il circuito soft-start per impedire una
corrente eccessiva durante l’avvio, oltre alla protezione contro i cortocircuiti e alla protezione termica.
L’LTC3245 è disponibile in un contenitore DFN-12 da 3mm x 4mm a basso
profilo (0,75mm) e in un MSOP-12, entrambi con dissipatore termico nella
parte posteriore. Il campo di temperature di giunzione di esercizio dei livelli
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Caratteristiche
Vantaggi
Ampio range VIN: da 4V a 48V
Applicazioni automotive e ‘general purpose’
Topologia buck
Efficiente conversione step-down
E ed I è compreso tra -40°C e +125°C,
quello di livello H è compreso tra 40°C e +150°C e quello di livello MP è
compreso tra -55°C e +150°C.
Nella tabella 2 sono elencati le caratteristiche e i vantaggi dell’LTC3245.
Corrente di uscita IC totale: 50mA
Molteplici applicazioni ‘general purpose’
POMPA DI CARICA
BUCK LTC3255
Corrente di riposo 16uA
Funzionamento micropower; prolunga
la durata della batteria
Alta efficienza: 81% 12Vinà 5Vout
Simile a regolatori di commutazione non sincroni
Funzionamento a più modalità (2:1, 1:1)
Ottimizza l’efficienza sulla base di VIN
con commutazione automatica
e punti operativi di carico. Mantiene la regolazione
su un ampio range VIN.
Frequenza di commutazione 500kHz
Riduce al minimo il rumore di commutazione
ed evita bande di interferenza.
Bassa corrente in shutdown = 3µA
Prolunga la durata della batteria
Protezione da sovratensione (60V)
Robustezza
e contro la polarità inversa (-52V)
Nessun induttore necessario
Ingombro ridotto, meno componenti
esterni, riduzione dei costi
Solo 3 componenti esterni
Meno componenti e costi ridotti
Contenitori DFN-10
Soluzione compatta, basso profilo
(3mm x 3mm x 0,75mm) e MSOP-10
Tabella 3. Caratteristiche e vantaggi dell’LTC3255
47
L’LTC3255 offre la robustezza di un
LDO, ma è più semplice di un convertitore. Si tratta di un versatile convertitore step-down a capacità commutata e ad alta tensione che fornisce
una corrente di uscita fino a 50mA.
Nelle applicazioni in cui la tensione di
ingresso supera due volte la tensione di
uscita, una pompa di carica offre quasi il doppio dell’efficienza di un regolatore lineare equivalente e fornisce
un’alternativa salva-spazio e senza induttori ai regolatori di commutazione
DC/DC.
L’LTC3255 produce un’uscita regolata
compresa tra 2,4V e 12,5V, regolabile
da un ampio intervallo di ingresso compreso tra 4V e 48V, che sopporta tensioni di ingresso tra +60V e -52V. In
assenza di carico il funzionamento
Burst Mode riduce la corrente di riposo VIN ad appena 16µA e la pompa di
carica capacitiva 2:1 estende la capacità della corrente di uscita a circa il
doppio della corrente di ingresso.
L’LTC3255 è adatto a una gamma di
applicazioni quali il controllo industriale, automazione di fabbrica, sensori e sistemi SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition), alimentatori per elettrodomestici, regolatori di tensione, amplificatori di corrente per i loop da 4mA a 20mA (v.
figura 3).
L’LTC3255 funziona sia come pompa di
carica per uso generico con rapporti di
conversione 2:1 o 1:1 oppure come regolatore shunt per il raddoppio della
corrente. In modalità normale, il rapporto di conversione viene scelto in
base ai valori V IN , V OUT e alle condizioni di carico, mentre la commutazione tra le modalità di conversione è automatica. In modalità shunt il
dispositivo viene forzato in modalità
2:1, consentendo all’LTC3255 di fornire una tensione di uscita regolata,
partendo da una corrente di ingresso
pari a poco più della metà di quella in
uscita sul carico.
Ad esempio, questa funzionalità consente a un loop di corrente di 4mA di
alimentare costantemente un carico
da 7,4mA con una tensione di uscita regolata da 3,3V. L’LTC3255 sopporta
alimentazioni a polarità inversa fino a 52V e il cortocircuito delle uscite sen-
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Demmel
Tabella 4. Nuova generazione di pompe di carica ad alta tensione
za danni. Le funzioni di sicurezza, tra
CONCLUSIONI
cui un limite di corrente sulle uscite e la
Ormai la pompa di carica ha raggiunto
un elevato numero d’impieghi. Per certi versi era quasi caduta nel dimenticatoio a causa di un campo di tensioni
limitato e di prestazioni un po’ datate,
che l’avevano collocata a metà strada
tra un LDO e un regolatore a commutazione. Nonostante questo, le innovative
e più recenti tecniche di progettazione
ne hanno migliorato le prestazioni e le
funzionalità, tra cui le architetture buckboost, una potente protezione contro le
sovratensioni in ingresso e la capacità
di moltiplicare la corrente nelle applicazioni con loop da 4mA a 20mA. Le
pompe di carica sono in grado di raggiungere livelli di efficienza simili a quelli di un regolatore a commutazione, a
seconda delle condizioni operative. Pertanto non c’è più alcun motivo per non
utilizzarle correntemente nei progetti
ad alta tensione.
protezione contro la sovratemperatura,
migliorano ulteriormente la robustezza
del dispositivo.
L’LTC3255 è disponibile in un contenitore DFN-10 da 3mm x 3mm a basso
profilo (0,75mm) e in contenitore MSOP10, entrambi con cuscinetto metallico
nella parte posteriore per prestazioni
termiche migliorate.
Le temperature operative di giunzione
delle versioni di grado E e I sono comprese tra -40°C e +125°C. La versione di
grado H offre il funzionamento alle temperature da -40°C a +150°C, mentre la
versione di grado MP ad alta affidabilità è specificata per l’intervallo da -55°C
a +150°C.
Nella tabella 3 sono elencati le caratteristiche e i vantaggi dell’LTC3255.
Nella tabella 4 sono elencate le nuove
pompe di carica ad alta tensione di Linear Technology.
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