Un singolo IC con ingresso da 30 a 400V può generare uscite a ±12 V con o senza isolamento

Veicoli elettrici, sistemi di energy storage su larga scala, automazione domestica e industriale, sistemi di alimentazione telecom, richiedono tutti, indistintamente, di ridurre tensioni elevate di alimentazione al valore di ±12V, dove la doppia polarità è impiegata per alimentare amplificatori, sensori, data converter e controllori di processi industriali. Una sfida comune a tutti questi sistemi consiste nel realizzare un regolatore a doppia polarità, efficiente e compatto, in grado di operare in un intervallo termico da –40°C a +125°C, caratteristica particolarmente importante in campo automotive e in altre applicazioni dove la temperatura ambientale è elevata.

I regolatori lineari sono ben noti e generalmente si trovano in cima alla lista dei dispositivi presi in considerazione per le alimentazioni bipolari, anche se non sono adatti per le applicazioni menzionate in precedenza con tensione di ingresso elevata e bassa tensione d’uscita, principalmente a causa del calore dissipato in presenza di alti rapporti di step-down. Inoltre, una soluzione a doppia polarità richiede almeno due circuiti integrati (IC): un regolatore lineare per l’uscita positiva e un convertitore per quella negativa. Una soluzione migliore dovrebbe utilizzare un singolo regolatore switching, che ricavi entrambe le uscite da un ingresso a tensione relativamente elevata, con un buon livello di efficienza e di regolazione collocabile in spazi ristretti e riducendo i costi.

In questo articolo verranno presentati due circuiti “eleganti” che, partendo da un ampio intervallo di tensioni di ingresso da 30V a 400V, generano uscite di ±12V avvalendosi, in entrambi i casi, di un singolo convertitore ad alta tensione LT8315. Uno dei circuiti è a topologia flyback isolata, mentre l’altro è basato su una topologia buck, priva di isolamento. Di per sé, l’LT8315 è un convertitore di tensione monolitico con un MOSFET integrato da 630V/300mA, circuito di controllo e di start-up ad alta tensione, il tutto racchiuso in un package TSSOP da 20 pin con ottime prestazioni di dissipazione.

Regolatore flyback isolato a doppia polarità, senza fotoaccopiatore

I convertitori flyback sono largamente utilizzati nelle applicazioni multi-uscita per fornire l’isolamento galvanico, aumentare la sicurezza e migliorare l’immunità al rumore. Le uscite possono essere positive o negative, indipendentemente da quale lato dell’uscita venga collegato a terra. Di solito, la regolazione della tensione d’uscita si ottiene mediante l’uso di fotoaccoppiatori, che trasferiscono informazioni dal circuito di riferimento del lato secondario al primario. Il problema consiste nel fatto che i fotoaccoppiatori aggiungono una notevole complessità al circuito e ne diminuiscono l’affidabilità, a causa del ritardo di propagazione, invecchiamento, variazioni di guadagno, etc. Tipicamente, il rail di uscita collegato al pin di feedback dell’IC ha il controllo completo del loop di regolazione, mentre le altre uscite sono controllate in modo più lasco, attraverso gli avvolgimenti del trasformatore, col risultato di una regolazione mediocre.

LT8315 non richiede fotoaccoppiatori e campiona la tensione riflessa isolata in uscita da un terzo avvolgimento del trasformatore di alimentazione. Inoltre, per ottenere un’eccellente regolazione del carico, il sense di questa tensione ha luogo quando la corrente sul secondario è prossima allo zero. In un progetto a due uscite, questo schema unico di rilevamento permette a ognuna di esse di ottenere una regolazione precisa: entrambe possono controllare il regolatore, e di conseguenza si raggiunge facilmente una regolazione tipica del carico di ±5%.

Figura 1. schema completo di un convertitore flyback isolato da ±12 V/50 mA per un’ampia gamma di tensioni di ingresso, da 30 V a 400 V.

La soluzione con LT8315, illustrata nella Figura 1, opera in modalità Boundary Conduction Mode quasi-risonante. Il MOSFET sul primario ha una perdita di turn-on minima, poiché passa allo stato di ON quando il nodo dello switch si trova alla tensione più bassa. Sul secondario del trasformatore non ci sono perdite dovute al tempo di recupero inverso dei diodi. Per migliorare l’affidabilità di sistema e rispondere ai severi requisiti di isolamento per l’alimentazione ad alta tensione, un trasformatore con isolamento rinforzato a 3kV è l’unico componente disposto attraverso la barriera di separazione.

Figura 2. Curva di efficienza a pieno carico su tensione d’ingresso del convertitore flyback della Figura 1.

La Figura 2 illustra la curva di efficienza a pieno carico con differenti tensioni di ingresso. Questo convertitore flyback raggiunge un livello massimo di efficienza dell’85,3% con una tensione di ingresso di 70V e un carico di 50mA su entrambe le uscite.

La Figura 1 mostra lo schema completo di un convertitore flyback con un ampio range di tensione di ingresso da 30V a 400V, che genera ±12V e mantiene una regolazione precisa del carico con correnti da 5mA a 50mA; come si nota dal tracciato della Figura 2, ha un’efficienza massima dell’85,3%.

Figura 3. Schema di convertitore buck non isolato a doppio induttore che utilizza un singolo IC LT8315: con ingresso da 30 V a 400 V genera uscite da ±12 V, 30 mA ciascuna.

Regolatore buck non isolato bipolare con due induttori

La capacità di applicare tensioni elevate all’ingresso dell’LT8315 può essere sfruttata in soluzioni non isolate, utilizzando induttori di comune reperibilità sul mercato. Nella Figura 3 è illustrato lo schema di un regolatore buck a doppio induttore, che richiede solo qualche componente supplementare. Questo convertitore accetta all’ingresso un intervallo di tensione molto ampio, da 30V a 400V e genera uscite a ±12V/30mA. Il circuito raggiunge un elevato livello di efficienza dell’87% a pieno carico su entrambe le uscite, con una tensione d’ingresso di 30V.

In questa topologia, il pad GND dell’LT8315 viene lasciato intenzionalmente scollegato da terra e configurato come nodo comune dello switch, per pilotare entrambe le uscite. Per quanto riguarda il layout, poiché in questa topologia la traccia GND rappresenta un nodo particolarmente rumoroso dello switch, per ridurre le interferenze elettromagnetiche verso altri componenti la dimensione del pad GND realizzato sul PCB dell’LT8315 dovrebbe essere limitata a quella del pad esposto dello stesso chip.

Il diodo D2 e due resistenze all’1% verso il pin FB costituiscono la rete di feedback che regola la tensione d’uscita positiva. Il D2 serve a impedire che il pin FB si scarichi quando il MOSFET entra in conduzione. Il partitore resistivo non deve tener conto della caduta di tensione diretta su D2, poiché è identica a quella su D3 e le due si elidono; pertanto, la rete di feedback esegue il tracking e la regolazione precisa della tensione positiva in uscita.

La linea negativa comprende un condensatore di accoppiamento a bassa tensione CFLY, un secondo induttore L2, un diodo di soppressione D4 e il condensatore d’uscita CO2. Per la caratteristica di equilibrio volt/secondo dell’induttore, per il loop circuitale CO1-L1-CFLY-L2 il valore medio della tensione su L1 e L2 è pari a zero, per cui la tensione del condensatore di accoppiamento CFLY equivale alla tensione positiva d’uscita. CFLY carica L2 durante il periodo ON del MOSFET, mentre D4 scarica L2 durante il relativo periodo OFF. La tensione d’uscita negativa è regolata in modo indiretto, basandosi sul presupposto che la tensione di CFLY rimanga costante e identica a quella positiva d’uscita. Come mostrato dalla curva di regolazione di Figura 4, l’alimentazione negativa mantiene una regolazione di ±5% per un intervallo di carico da 3mA a 30mA a varie tensioni di ingresso, quando il lato positivo è a pieno carico a 30mA.

Figura 4. Curva di regolazione negativa su carico a 12 V, con varie tensioni d’ingresso, per il convertitore buck a doppio induttore di Figura 3.

Conclusioni

Questo articolo presenta due soluzioni di converter a doppia polarità per un’ampia gamma di tensioni di ingresso da 30V a 400V: una isolata, l’altra priva di isolamento. In entrambi i casi è utilizzato l’LT8315, grazie al MOSFET ad alta tensione integrato, all’assenza di fotoaccoppiatori nel loop di feedback e al circuito interno di startup ad alta tensione. Altre caratteristiche comprendono il funzionamento in Burst Mode a basso ripple, soft start, limitazione programmabile della corrente, blocco per undervoltage, compensazione in temperatura e un valore minimo di corrente a riposo. L’elevato livello di integrazione dell’LT8315 semplifica la progettazione di circuiti con tensione di ingresso elevata e uscita a polarità doppia, per un’ampia varietà di applicazioni.

A cura di Zhijun (George) Qian, Senior Engineer e William Xiong, Applications Engineer presso Analog Devices.

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