Questo articolo analizza i concetti di base della conversione di potenza e presenta le topologie più comunemente utilizzate per progetti a componenti discreti e modulari. L'articolo affronta anche gli aspetti fondamentali dell'isolamento e della regolazione della tensione.

La conversione di potenza è ovunque.
Troverete applicazioni di conversione di potenza in quasi tutta la tecnologia che utilizzate. Prendete ad esempio il vostro telefono cellulare. Molto probabilmente ha una batteria al litio con una tensione di uscita nominale di 3,7 V. I numerosi circuiti integrati e le relative applicazioni del telefono possono funzionare a diversi livelli di tensione, i più comuni dei quali sono 1,8 V, 3,3 V o 5,0 V. Le applicazioni di conversione di potenza prendono i 3,7 V e li trasformano nel livello di tensione appropriato, superiore o inferiore alla tensione di uscita nominale della batteria.
Un altro esempio simile è il semplice ma diffuso caricabatterie USB portatile che ci permette di ricaricare i nostri dispositivi tecnologici ovunque. Anche questo utilizza una singola batteria al litio a sacchetto che fornisce 3,7 V e un convertitore CC/CC che aumenta la tensione di uscita per fornire la tensione standard di 5 V dell'USB.
Altoparlanti, TV, laptop e dispositivi smart convertono tutti la tensione di alimentazione al livello appropriato per i loro circuiti interni.
I metodi di conversione CA/CC e CC/CC includono due tecniche distinte: lineare e a commutazione. Il metodo lineare era comunemente utilizzato nelle apparecchiature alimentate dalla rete elettrica, ma richiedeva componenti ingombranti come trasformatori e grandi condensatori di livellamento. I regolatori lineari sono ancora utilizzati in alcune applicazioni specializzate di conversione CC/CC, ma oggi la maggior parte delle applicazioni impiega un regolatore switching.

Il metodo di conversione DC/DC a commutazione si basa sull'immagazzinamento di energia in un induttore o in un condensatore. A differenza del metodo lineare, la tensione di uscita fornita da un regolatore a commutazione può essere maggiore o minore della tensione di ingresso. La Figura 1 illustra il concetto di base di un convertitore DC/DC a commutazione.
Figura 1: Diagramma a blocchi funzionale di un convertitore DC/DC (fonte: Murata)

Un segnale PWM viene applicato a un dispositivo a semiconduttore come segnale di commutazione. Il duty cycle (rapporto mark-to-space) e la frequenza dell'ingresso PWM influenzano direttamente l'efficienza di conversione, la regolazione del carico e la tensione di uscita. In sostanza, il PWM e il semiconduttore di commutazione creano un circuito a pompa di carica per immagazzinare energia in un induttore o in un condensatore durante il ciclo ON. Questa energia viene rilasciata e raddrizzata durante il periodo OFF del segnale PWM. La regolazione della tensione di uscita viene applicata al segnale PWM. L'isolamento tra ingresso e uscita è ottenuto tramite un trasformatore, che funge da elemento induttivo, e un condensatore.
Nel corso degli anni, diverse architetture o topologie di convertitori DC/DC si sono diffuse, e le descriveremo brevemente.

Le topologie più comuni dei convertitori CC/CC

Il convertitore buck (o convertitore step-down)
Una topologia di convertitore buck asincrono converte una tensione di ingresso in una tensione di uscita inferiore (ad esempio, da 5 V CC a 3,3 V CC). La Figura 2 mostra una semplice spiegazione del circuito.

Immagine 2: La funzione principale di un convertitore step-down (fonte: Murata)

Nella Figura 2, SW1 è tipicamente un transistor pilotato da un segnale PWM, e SW2 è un diodo. Quando SW1 è chiuso o acceso, la corrente scorre attraverso l'induttore e l'energia viene immagazzinata. Quando SW1 è spento, l'energia viene rilasciata quando la corrente scorre attraverso il diodo, rappresentato da SW2, fornendo una tensione di uscita.
La tensione di uscita del convertitore buck dipende dal duty cycle del segnale PWM di commutazione, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: Effetto del duty cycle sulla tensione di uscita (fonte: Murata)

Nella topologia di un convertitore buck sincrono, il diodo viene sostituito da un altro elemento di commutazione, tipicamente un FET. Questo viene pilotato da un segnale di commutazione fuori fase. I FET offrono generalmente una minore resistenza in polarizzazione diretta, che riduce le perdite.
Il convertitore boost (o convertitore step-up):
come suggerisce il nome, in un convertitore boost la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso. Il grado di aumento dipende da diversi fattori, ma per la maggior parte delle applicazioni pratiche, il massimo è fino a cinque volte la tensione di ingresso. Un valore fino a tre volte è più fattibile per una corretta regolazione della tensione di uscita. Vedere la Figura 4. 

Figura 4: Concetto base di un convertitore boost (fonte: Murata).
Rispetto alla configurazione del convertitore buck in Figura 2, il transistor di commutazione S1, l'induttore L1 e il diodo D1 (che nella Figura 1 fungeva da interruttore) sono posizionati in punti leggermente diversi. Quando S1 è acceso, l'energia viene immagazzinata in L1, mentre quando è spento, l'energia viene aggiunta alla tensione di ingresso che scorre attraverso il condensatore di ingresso e quindi al condensatore di uscita.
I convertitori boost e buck utilizzano pochissimi componenti e questo metodo consente loro di raggiungere un'elevata efficienza energetica, tipicamente fino al 97%.

Né la topologia del convertitore buck né quella del convertitore boost sono isolate. Ciò significa che qualsiasi tensione di ingresso può comparire in uscita. Se il convertitore DC/DC è alimentato da una sorgente CA, un guasto potrebbe causare la comparsa della tensione di rete CA in uscita, con conseguenze potenzialmente fatali. Molte applicazioni richiedono l'isolamento galvanico tra ingresso e uscita, come ad esempio le applicazioni mediche e sanitarie. Ad esempio, un modo per ottenere l'isolamento galvanico in un regolatore switching quando la connessione di terra non è comune è quello di utilizzare un trasformatore. Un esempio è il convertitore inverso isolato (vedere Figura 5).

Immagine 5: Schema semplificato di un convertitore inverso isolato (fonte: Wikipedia)

Il convertitore inverso isolato
In un convertitore inverso isolato, il trasformatore funge da induttore di accumulo di energia e allo stesso tempo fornisce isolamento. Questa topologia è forse la più semplice di tutti i convertitori CC/CC, poiché ha pochi componenti. Le applicazioni sono in genere limitate ad applicazioni a bassa potenza (

I convertitori push-pull, a semiponte e a ponte intero
sono esempi di altre topologie di commutazione isolate attualmente in uso. La configurazione push-pull utilizza due dispositivi di commutazione che condividono la corrente ed è adatta per applicazioni ad alta potenza. Questa topologia utilizza avvolgimenti primari e secondari sdoppiati con presa centrale, il che richiede un trasformatore più costoso. Le topologie a semiponte e a ponte intero sono simili alla push-pull ma richiedono un solo avvolgimento primario. Il semiponte utilizza due dispositivi di commutazione, mentre il ponte intero ne utilizza quattro. (Vedi Figura 6.)

Figura 6: Schema semplificato di un convertitore CC/CC a ponte intero isolato

Regolazione della tensione di uscita:
Oltre a basare la progettazione di un convertitore DC/DC su una topologia specifica, anche la scelta della modalità di regolazione della tensione di uscita è un aspetto fondamentale. Regolare con precisione la tensione di uscita in qualsiasi condizione di carico è particolarmente importante per i processori con carichi di lavoro dinamici e in rapida evoluzione. La tensione di uscita deve essere riportata alla funzione di commutazione PWM in modo rapido e preciso per consentire le variazioni del duty cycle. Oggi, la maggior parte dei circuiti integrati di controllo dei convertitori DC/DC include questa funzione, facilmente realizzabile in una topologia non isolata.
Tuttavia, mantenere l'isolamento tra ingresso e uscita richiede componenti aggiuntivi, aumentando il costo della distinta base. I metodi di feedback isolato più comuni prevedono l'utilizzo di un trasformatore o di un optoaccoppiatore. La necessità di componenti aggiuntivi non solo aumenta il costo della distinta base, ma anche lo spazio occupato sul circuito stampato. E nei progetti odierni, caratterizzati da vincoli di spazio, quest'ultimo deve essere ridotto al minimo. Oltre a considerare il costo della distinta base, è importante ricordare che maggiore è il numero di componenti utilizzati in un progetto, più complesse diventano le sfide logistiche e di approvvigionamento dei componenti. L'utilizzo di un numero maggiore di componenti influirà negativamente anche sull'affidabilità del prodotto finale.

Circuiti integrati e moduli per convertitori DC/DC:
una recente soluzione innovativa utilizza il rilevamento sul lato primario per fornire un metodo di regolazione molto più semplice. Durante la fase "OFF" del flyback, il circuito integrato driver rileva l'uscita secondaria riflessa attraverso il trasformatore. Un esempio di circuito integrato driver flyback "opto-free" è il Maxim MAX17687: vedere la Figura 7.
Figura 7: Esempio di un circuito integrato convertitore flyback opto-free con un numero minimo di componenti per creare un'uscita di 12 V/750 mA da una sorgente di 16 A 60 V. Il Maxim MAX17687 (fonte: Maxim)

Il driver MAX17687 include due MOSFET on-chip in grado di pilotare una corrente primaria massima di 3,2 A. Grazie al rilevamento sul lato primario, la tensione di uscita è regolata entro un intervallo di +/-1,2%. La frequenza PWM del circuito integrato può essere programmata tra 100 e 500 kHz e l'efficienza di conversione è tipicamente superiore al 90%.
Un esempio di modulo convertitore DC/DC inverso completo è la serie Murata UWS-Q12, un modulo isolato a telaio aperto assemblato con tecnologia a foro passante.
Questi moduli offrono un'alternativa interessante ai convertitori DC/DC discreti. In primo luogo, semplificano notevolmente il processo di sviluppo del progetto, portando potenzialmente a una sostanziale riduzione dei tempi di ingegneria. Sono inoltre vantaggiosi dal punto di vista della distinta base, riducendo il numero di componenti e semplificando la logistica. Un altro aspetto da considerare è che i moduli sono solitamente già certificati in conformità con le normative EMC/EMI e gli standard di salute e sicurezza, il che semplifica ulteriormente l'approvazione del prodotto.
La serie compatta UWS-Q12, con un'efficienza del 91%, offre le consuete tensioni nominali di uscita singola di 3,3, 5, 12, 15 o 24 V e può erogare fino a 54 watt da una tensione di ingresso compresa tra 9 e 36 V. Include una serie completa di funzioni di autoprotezione, come la protezione contro la bassa tensione di ingresso e il surriscaldamento. Immagine 8: Murata UWS-Q12 (fonte: Murata)

La serie Traco TSR 1.5E rappresenta una valida alternativa ai vecchi e inefficienti regolatori lineari. Questo dispositivo plug-and-play da 1,5 A utilizza una topologia buck (o step-down) non isolata per raggiungere un'efficienza fino al 97% e supporta un'ampia gamma di tensioni di ingresso. I dispositivi di questa serie sono disponibili con tensioni di 3,3 V CC (sostituisce il codice 7803), 5 V CC (sostituisce il codice 7805) e 12 V CC (sostituisce il codice 7812).
Texas Instruments (TI) ha adattato la topologia del convertitore buck con la sua tecnologia di controllo DCS (Direct Control Smooth Transition). La topologia DCS modificata offre una risposta ai transitori, una regolazione e caratteristiche di ripple significativamente migliori rispetto a un convertitore buck sincrono. TI fornisce il convertitore sia come circuito integrato driver, il TPS6282x, sia come modulo convertitore con induttore integrato. La Figura 9 mostra lo schema a blocchi funzionale del modulo convertitore buck non isolato con i FET e l'induttore integrati.

Figura 9: Diagramma a blocchi funzionale del modulo convertitore buck (o step-down) TI TPSM82821 con il circuito integrato di controllo TPS6282x (fonte: TI)

Conversione energetica semplificata:
in questo articolo abbiamo analizzato alcune delle topologie di conversione energetica CC/CC più comuni e abbiamo evidenziato alcuni prodotti di esempio. I circuiti integrati convertitori sono un metodo diffuso per la conversione CC/CC, efficiente in termini di spazio e distinta base. I circuiti integrati convertitori a bassa potenza che integrano transistor di commutazione o FET sono estremamente diffusi in molti prodotti industriali, commerciali e di consumo. I moduli convertitori CC/CC che incorporano il circuito integrato driver, l'induttore e tutti i componenti aggiuntivi sono i più facili da integrare in un prodotto finale e sono facilmente reperibili.

Autore: Mark Patrick, Mouser Electronics
www.mouser.com