Indicazioni sugli induttori di linea dei convertitori di potenza per i filtri di rumore

Le performances su tutta la gamma di frequenza possono variare in modo significativo, tra i diversi fornitori di componenti con le stesse caratteristiche nominali. Esaminiamo le prestazioni relative agli induttore.

Introduzione

I filtri induttore-condensatore (LC) sono normalmente utilizzati negli ingressi e nelle uscite dei convertitori di potenza switching, per ridurre l’ondulazione riflessa e il rumore di uscita. Nei circuiti switching Boost o Buck è, infatti, inevitabile la presenza di interferenze, rumore e altre tipologie di segnali indesiderati, a causa delle rapide commutazioni sugli induttori principali, come si può osservare in figura 1. La maggior parte dei moderni convertitori di potenza e tutti i convertitori CC-CC isolati sono del tipo switching, in cui le tensioni CC esterne vengono trasformate ad alta frequenza per produrre corrente alternata per il trasformatore d’isolamento interno. L’uscita CA del trasformatore viene riportata in CC, con regolazione mediante variazione del duty cycle, il tutto con alta efficienza e basse perdite. Uno svantaggio è che il processo di commutazione genera un’ondulazione ad alta frequenza all’ingresso e all’uscita. Inoltre vi è la presenza di picchi di rumore condotti e irradiati che possono disturbare altre apparecchiature limitrofe. L’attuale tendenza del mercato e della tecnologia è quella di produrre convertitori di potenza con frequenze di switching sempre più elevate, al fine di aumentare l’efficienza. Purtroppo lo spettro di rumore risultante è molto ampio. Sebbene sia possibile calcolare abbastanza facilmente il valore dell’induttore del filtro relativo, le prestazioni nell’intero intervallo di frequenza possono variare in modo significativo tra i diversi fornitori di componenti con le stesse caratteristiche nominali. Questa problematica può produrre scarsi risultati e la presenza di molteplici interferenze irradiate nei sistemi elettrici. Alla base di tutto c’è la necessità di adottare un’altissima qualità nella componentistica. Offrire l’induttore ottimizzato è una priorità che la RECOM si è posta in principio. I componenti, oltre che progettati e realizzati, devono essere anche testati nei convertitori di potenza CC/CC, raccogliendo e analizzando i diversi risultati delle verifiche, mediante misurazioni del rumore condotto e irradiato nelle camere EMC interne.

interferenze su circuiti buck o boost
Figura 1: nei circuiti Boost o Buck sono sempre presenti interferenze, rumore e altre tipologie di segnali indesiderati, a causa delle rapide commutazioni degli elementi switching

Filtri LC

I filtri LC riducono il rumore in uscita. Tale tipologia di filtro minimale è inclusa in qualsiasi convertitore di potenza commerciale per ridurre l’ondulazione e il rumore a un valore picco-picco di circa l’1% dell’uscita CC. Ciò potrebbe risultare accettabile nella maggior parte dei casi, ma se sono richiesti livelli di rumore più bassi in applicazioni critiche, una soluzione semplice è quella di aggiungere un ulteriore filtro LC esterno, come visibile in figura 2.

filtri LC esterni
Figura 2: i filtri LC esterni riducono significativamente l’ondulazione e il rumore in uscita negli alimentatori switching

L’impedenza di un induttore è teoricamente zero in corrente continua mentre l’impedenza del condensatore è infinita. Tuttavia, con l’aumentare della frequenza, l’impedenza dell’induttore ZL aumenta e l’impedenza del condensatore ZC si riduce, creando una sorta di “divisore di tensione”. I parametri di taglio del filtro sono scelti per ridurre l’ondulazione alla frequenza di commutazione del convertitore. E’, invece, più complicato prevedere l’attenuazione dei picchi di rumore, che possono verificarsi in uno spettro di frequenze fino a decine di MHz. La ragione di ciò è che a una certa frequenza, quando i valori di ZL e ZC si equivalgono, la rete LC “risuona” e il rumore, invece di essere attenuato, è amplificato sebbene tale effetto sia ridotto dal resistore di carico. Sebbene il rumore venga attenuato si verificano altri effetti parassiti. Ad esempio l’induttore potrebbe produrre un’altra risonanza a una frequenza molto più elevata, scavalcando l’induttore stesso. A frequenze ancora più elevate, aumentano le perdite del nucleo nell’induttore e la resistenza del suo filo aumenta a causa dell’effetto pelle. Inoltre il condensatore inizia a fungere da resistenza poiché la sua impedenza diventa piccola rispetto alla sua resistenza equivalente in serie (ESR). L’induttanza equivalente in serie del condensatore produce effetti ad alta frequenza. Se questi elementi parassiti vengono considerati, il circuito di un filtro LC è simile a quello della figura 3.

filtro esterno con elementi parassiti
Figura 3: un filtro esterno con elementi parassiti

Induttori RECOM

Tra i numerosi prodotti di RECOM rivestono notevole importanza gli induttori serie RLS (vedi figura 4), di tipo SMD, progettati per la conformità con i convertitori CC/CC. Con valori compresi tra 3,9 uH e 100 uH, tali induttori sono stati testati e approvati per funzionare specificamente con i moduli CC/CC, per soddisfare i requisiti di EMC irradiate e condotte di Classe A o Classe B.

induttore RLS
Figura 4: gli induttori serie RLS (RLS-126, RLS-186, RLS-105)

Ad esempio, il modello RLS-126-R, osservabile in figura5 assieme ad altre relative informazioni, è un ottimo induttore, molto ridotto nelle sue dimensioni, con caratteristiche ben precise. Come per gli altri modelli, il nome dell’articolo specifica la tipologia del componente, secondo le seguenti regole:

  • il suffisso 126 indica l’induttanza, in questo caso 12,0 uH;
  • il suffisso R indica il tipo di packaging.

Ecco, di seguito, alcune caratteristiche di tale modello:

  • induttanza: 12.0 uH +/-20% a 100 kHz e 10 mV;
  • resistenza DC: 420 mOhm max. a 25° C;
  • corrente: 0,80 A max. a T<=40° C;
  • temperatura di esercizio: da -40° C a +125° C;
  • temperatura di stoccaggio: da -55° C a +125° C;
  • dimensioni (LxWxH): 4,5 x 3,2 x 2,6 mm;
  • peso: 0,15 g.
induttore RLS-126-R
Figura 5: l’induttore RLS-126-R

In aggiunta, la RECOM mette a disposizione dei progettisti dei modelli 2D e 3D, valutabili online attraverso comodi visualizzatori, da utilizzare nei più diffusi programmi CAD e disegno elettronico. Per correnti ancora più importanti è disponibile l’induttore RLS-105 (vedi in figura 6). Con una corrente e una induttanza maggiore del modello precedente, le sue caratteristiche sono le seguenti:

  • induttanza: 100 uH +/-10% a 100 kHz e 0,25 mV;
  • resistenza DC: 350 mOhm max. a 25° C;
  • corrente: 1.02 A max. a T<=40° C;
  • temperatura di esercizio: da -40° C a +105° C;
  • temperatura di stoccaggio: da -55° C a +125° C;
  • dimensioni (LxWxH): 10 x 9 x 5,4 mm;
  • peso: 1,80 g.
induttore RLS-105
Figura 6: l’induttore RLS-105

Anche in questo caso risultano disponibili i relativi modelli 2D e 3D.

Conclusioni

La scelta di un induttore ottimale è un’operazione molto difficile. Nella peggiore delle ipotesi, esso può portare a livelli di rumore che superano i limiti operativi o, addirittura, di legge. Il valore ottimale può essere trovato solo quando un prodotto finale viene sottoposto a test EMC indipendenti, ma a quel punto le modifiche sarebbero molto costose da implementare. Con sofisticate apparecchiature di test e verifiche, con antenne e camere EMC, è possibile provare campioni di induttori con gli stessi valori nominali di diversi fornitori per verificare i risultati reali. Si potrebbe utilizzare una induttanza di alto valore ma la frequenza di risonanza si abbasserebbe e provocherebbe elevati picchi di tensione, mentre un componente fisicamente più piccolo potrebbe possedere un’elevata resistenza CC che provocherebbe una caduta di tensione e dissiperebbe una certa potenza. Un’altra buona soluzione sarebbe quella di utilizzare un’induttanza piccola e un condensatore più grande. Ma i costi degli elettrolitici o ceramici sono alti e il circuito non possiederà buone caratteristiche in alta frequenza. La saggia combinazione di un induttore e una capacità produce un buon compromesso. La scelta dell’induttanza deve risultare, dunque, oculata, tra le tante tipologie disponibili sul mercato. Ci sono tipi con nuclei di ferrite e polvere di ferro o policristallini, su forme diversificate (a tamburo, ad anello e a “E”), quelle a foro passante o SMD, che possono anche influenzare le prestazioni. Ogni induttore si adatta a particolari applicazioni. Quelli di ferrite hanno perdite più basse. La polvere di ferro è più tollerante alla sovracorrente e mantiene l’induttanza meglio della ferrite. I nuclei ad anello o toroidali hanno una bassa perdita magnetica ma sono più difficili da caricare. Gli ingegneri e i progettisti dovranno, quindi, scegliere i componenti con perizia, per una soluzione ottimale.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.