I convertitori DC-DC
I convertitori DC-DC, noti anche come convertitori CC-CC, rivestono un ruolo fondamentale nei circuiti di alimentazione, in quanto permettono di generare diversi livelli di tensione continua in uscita a partire da una tensione continua in ingresso. Rispetto al valore presente in ingresso, la tensione in uscita può essere superiore, inferiore, oppure esattamente uguale.
Impieghi dei DC-DC converter
I principali motivi per cui si utilizzano i convertitori DC-DC sono i seguenti:
- per ottenere una tensione di uscita più bassa rispetto a quella in ingresso (convertitore “step-down”);
- per ottenere una tensione di uscita più alta rispetto a quella in ingresso (convertitore “step-up”);
- per bilanciare i carichi collegati al circuito di alimentazione;
- per realizzare un isolamento tra un circuito primario e uno secondario.
I convertitori DC-DC sono molto comuni nei circuiti elettronici in quanto sono componenti affidabili, economici e consentono di ridurre lo spazio occupato sul circuito stampato.
Esistono due classi principali di convertitori DC-DC, selezionabili in base alle specifiche esigenze e requisiti dell’applicazione: convertitori non isolati e convertitori isolati.
I convertitori DC-DC isolati includono al loro interno un trasformatore che, oltre ad applicare un opportuno fattore di trasformazione tra tensione in ingresso e in uscita, fornisce un elevato grado di isolamento tra i due circuiti. L’isolamento, richiesto in diverse applicazioni come il settore automotive, telecomunicazioni e quello elettromedicale, impedisce il trasferimento della tensione in ingresso verso l’uscita in caso di malfunzionamento interno.
I principali svantaggi offerti dai convertitori isolati sono legati alle caratteristiche fisiche ed elettriche del trasformatore: maggiore peso ed ingombro, nonché riduzione dell’efficienza a causa delle perdite del trasformatore stesso. Occorre inoltre notare come i convertitori DC-DC non isolati siano in genere disponibili con e senza regolazione della tensione di uscita.
I convertitori DC-DC non isolati, viceversa, non offrono alcun tipo di isolamento dielettrico tra circuito di ingresso e circuito di uscita. Utilizzati tipicamente per basse o medie tensioni, questi convertitori sono in grado di aumentare o ridurre il valore della tensione in ingresso, oppure di svolgere entrambe le funzionalità con il medesimo componente. Caratterizzati da dimensioni estremamente compatte, peso ridotto ed elevata efficienza, i convertitori DC-DC non isolati sono ampiamente utilizzati sia nel settore elettronico industriale, sia nelle applicazioni consumer.
Applicazioni dei convertitori DC-DC
I convertitori DC-DC sono utilizzati in ogni applicazione elettronica in cui siano richieste tensioni di alimentazione in corrente continua, con e senza isolamento, come: industria, trasporti, distribuzione dell’energia, energie rinnovabili, automotive, elettromedicale, domotica e telecomunicazioni.
A titolo di esempio, si consideri l’applicazione nel settore automotive, dove il numero e la complessità dei dispositivi elettronici integrati a bordo del veicolo è in continua crescita. Si pensi, ad esempio, ai sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), al sistema di navigazione e infotainment e alla guida autonoma. Un considerevole impulso in questo settore è derivato dalla progressiva e crescente elettrificazione del parco veicoli, con un sempre maggiore numero di vetture circolanti di tipo mild hybrid, plugin hybrid ed elettrico.
Nello schema visibile in Figura 1, possiamo osservare una sezione del circuito elettrico relativo a un autoveicolo di tipo ibrido o elettrico. Possiamo notare la presenza di un motore elettrico con relativo inverter, driver di potenza IGBT, pacchi batterie e diversi circuiti di controllo e monitoraggio. Più precisamente, nello schema si possono anzitutto individuare due convertitori DC-DC da 1W, di tipo SMD, con tensione di ingresso e uscita pari a 5V (TPET) che forniscono alimentazione al circuito di rilevamento della tensione del bus e al circuito di monitoraggio delle batterie (BMS). È poi presente un convertitore da 2W con package SIP, tensione di ingresso 12V e tensioni di uscita +15V/-8V (TPJXXX) che alimenta i driver di potenza IGBT. Infine, un convertitore DC-DC da 20W, con package DIP e tensione di uscita di 12V (TP20DC24S12W) fornisce alimentazione a vari dispositivi di bordo, come display e circuiti di controllo, oltre ad alimentare direttamente un altro convertitore DC-DC.
Il sistema di gestione delle batterie (BMS) assume un’importanza particolarmente rilevante, in quanto deve operare in tempo reale monitorando le condizioni di carica di ogni singola cella, controllare che lo stato di tutte le celle sia all’interno dei limiti operativi e proteggere le celle da ogni condizione operativa che possa danneggiarla. Il BMS visibile in Figura 1 deve quindi fornire informazioni precise e aggiornate sullo stato di carica (SOC) e sullo stato di salute (SOH) della batteria, consentendo di fornire al guidatore importanti informazioni come l’autonomia residua.
Criteri di selezione dei convertitori DC-DC
La scelta del convertitore DC-DC più adatto a una specifica applicazione dipende da alcuni parametri che, una volta quantificati, possono guidare il progettista verso la soluzione migliore. Un elenco sufficientemente completo di tali parametri è il seguente:
- tensioni di ingresso e di uscita: in commercio, esistono convertitori DC-DC con uscita singola, con uscita duale (stesso valore di tensione, ma con polarità opposta) oppure con due o più uscite con valori identici o differenti (ad esempio, +5V e +15V). Per quanto riguarda la tensione di ingresso, il valore può essere fisso (ad esempio, +3,3V oppure +5V) oppure variabile entro un range prefissato (ad esempio, da 6,5V a 30V);
- potenza di uscita: i produttori consigliano di utilizzare i convertitori DC-DC con potenze operative pari a circa il 30-80% della potenza nominale. Anche se la maggior parte dei convertitori è in grado di tollerare condizioni di overloading, la permanenza prolungata in questa modalità può provocare il danneggiamento del componente;
- tipo di package: i package disponibili sono di vario tipo, come SIP, DIP, SMD, quarter-brick, half-brick, enclosed, open frame e Din rail. L’attuale tendenza verso una crescente miniaturizzazione dei circuiti elettronici, richiede in genere dei package con dimensioni più piccole possibile;
- range di temperatura: in base alla specifica applicazione e ai suoi requisiti di sistema, occorre selezionare il convertitore DC-DC in base al range di temperatura, che può essere di tre tipi: grado commerciale (da 0°C a +70°C), grado industriale (da -40°C a +85°C) e grado militare (da -55°C a +125°C);
- tipo di isolamento: molti tipi di circuiti richiedono di essere isolati, consentendo al carico di non subire le conseguenze causate da perturbazioni, rumore e sovratensioni che si verificano nel circuito di alimentazione. Molto importante in questo contesto è il grado di isolamento del convertitore, indicato come la massima tensione che lo stesso può sopportare per un secondo senza subire danneggiamenti. Se, ad esempio, si vuole progettare un alimentatore a basso rumore, l’impiego di un convertitore DC-DC con elevato grado di isolamento rappresenta sicuramente la scelta ideale;
- valore di MTTF (Mean Time To Failure): si tratta di una delle principali metriche per la valutazione dell’affidabilità di un componente elettronico. Nelle applicazioni particolarmente critiche (settore militare, elettromedicale e telecomunicazioni) questo parametro consente di prevedere la durata media di un circuito senza subire guasti;
- assorbimento di potenza ed efficienza: l’efficienza deve essere in genere massimizzata, riducendo così le perdite di potenza. Analogamente, un basso assorbimento consente di prolungare l’autonomia nei dispositivi alimentati a batteria.
In Figura 2 è visibile una pagina del sito web di Elstore, il distributore di componenti elettronici che offre i convertitori DC-DC di Top Power Electronics Technology, azienda leader nella produzione di convertitori di potenza, convertitori DC-DC e convertitori AC-DC. Come visibile, i criteri per la selezione del componente corrispondono ai parametri precedentemente menzionati.
La serie di convertitori DC-DC di Top Power
Top Power dispone di un’ampia gamma di convertitori DC-DC, isolati e non isolati, con tensione di uscita regolata e non regolata. La serie con package SMD include convertitori DC-DC con tensione di ingresso costante, tensione di uscita non regolata e potenze comprese tra 0,25W e 2W. I convertitori DC-DC con package differente si suddividono in tre gruppi principali, con range di potenza (0,1W – 3W), (5W – 10W) e (10W – 40W).
In Figura 3 sono visibili i convertitori DC-DC della serie TP78Lxx-1 di Top Power. Racchiusi in un package SIP compatto (17,50 x 11,50 x 9,00 mm) questi convertitori erogano una potenza di uscita di 15W con un’efficienza del 97%. Ciò implica che una quantità minima di potenza viene dissipata sotto forma di calore e, pertanto, non è richiesto alcun dissipatore esterno.
Il componente visualizzato in Figura 3 ha una tensione di uscita di 15V regolata, tensione di ingresso compresa tra 20 e 32 VDC, range di temperatura di grado industriale e dispone di protezione dai corto circuiti. I convertitori di questa serie, che richiedono solo un condensatore esterno in ingresso e uno in uscita, rappresentano la soluzione ideale per applicazioni di controllo industriale, strumentazione, e circuiti alimentatori.
