Progettazione di alimentatori e convertitori di potenza

L’alimentazione di potenza è oggi una delle più grandi tematiche che interessano qualsiasi tipologia di applicazione: robotica, industria, settore automobilistico e apparecchiature sono solo alcune di queste. La ricerca della sempre più alta efficienza è al centro dello studio di aziende che, grazie anche ai nuovi materiali semiconduttori per componenti di commutazione all’avanguardia, riescono a produrre sistemi di alimentazione sempre più performanti e potenti. RECOM fornisce soluzioni di progettazione pronte all’uso a 360°, assieme un servizio di consulenza ai massimi livelli.

Criteri per la progettazione dei sistemi di alimentazione

Un alimentatore o un convertitore di potenza, probabilmente, costituisce il dispositivo più critico dell’intero sistema, contrariamente a quanto si potrebbe pensare. Costruire un semplice alimentatore stabilizzato, è cosa assai semplice e banale. Realizzarne uno con la tecnica switching è un po’ più complesso. Fabbricarne uno con la massima efficienza e senza rumori e interferenze è, praticamente, un’arte vera e propria. La figura 1 mostra il regolatore Buck della serie RPX-1.0 di Recom. Esso possiede un induttore integrato in un compatto contenitore di 3 mm x 5 mm x 1,6 mm QFN termicamente migliorato. La tensione di ingresso va da 4 a 36 V CC, consentendo una alimentazione di uscita di 5 V, 12 V o 24 V. Essa può essere impostata con due resistenze nel range da 0,8 fino a 30 VDC. La corrente di uscita è fino a 1A ed è completamente protetta da cortocircuiti continuati, sovracorrente in uscita o guasti per sovra temperatura.

Figura 1: il regolatore Buck della serie RPX-1.0 di Recom con la scheda di valutazione

Il settore di utilizzo finale dell’alimentatore contribuisce a prediligere una determinata soluzione operativa e a questa si aggiungono le numerose norme e certificazioni che il circuito finale deve seguire. I sistemi di alimentazione switching implicano indubbiamente molteplici vantaggi, in termini di alta efficienza e di dimensioni e peso ridotti. Per ottenere tali scopi occorre cercare di rimuovere anche il rumore elettrico generato dagli stessi circuiti. Oggi i moderni convertitori sono notevolmente migliori e utilizzano componenti all’avanguardia con soluzioni schematiche altamente sofisticate che, già in partenza, sono caratterizzate da un basso rumore intrinseco. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) costituiscono sempre un potenziale problema con gli alimentatori switching AC/DC che DC/DC. Per prestazioni migliori è necessario un filtraggio extra per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche (vedi in figura 2). L’origine del rumore e delle interferenze è la commutazione rapida di semiconduttori, con tempi di salita e discesa dei segnali nell’ordine dei nanosecondi, necessari per un’alta efficienza. Gli alti livelli dV/dt e di/dt non possono però essere eliminati dal convertitore e possono essere presenti come picchi di tensione e di corrente lungo linee d’ingresso o di uscita. Il rumore può essere di due tipi:

  • modo differenziale (DM);
  • modo comune (CM).

Il primo è misurato come tensione tra linea di potenza e il suo ritorno, ed è facilmente misurabile con un oscilloscopio o un analizzatore. Il secondo è misurato fra tutte e due le linee di potenza e la terra del sistema e la sua misura richiede l’uso di una rete di stabilizzazione dell’impedenza di linea (LISN). Un altro problema che si può presentare è l’instabilità del circuito di controllo del convertitore. Questo avviene quando l’impedenza d’uscita del filtro alla sua frequenza di risonanza è vicina all’impedenza d’ingresso del DC/DC (con un rapporto inversamente proporzionale, la corrente d’ingresso diminuisce all’aumentare della tensione d’ingresso). Per cui l’impedenza d’uscita del filtro d’ingresso deve essere molto inferiore all’impedenza d’ingresso del convertitore. Questo si può ottenere con un circuito smorzante extra. In alcune applicazioni all’ingresso del convertitore DC/DC può essere necessaria la soppressione dei transienti di tensione. La situazione con i convertitori AC/DC è più semplice. I prodotti ad alta potenza devono soddisfare la direttiva EMC e presentano un filtro montato internamente.

Figura 2: i filtri possono ridurre o eliminare le interferenze di commutazione

Convertitori CA/CC, CC/CC isolati e CC/CC switching

Gli alimentatori CA/CC distribuiti da Recom prevedono un montaggio su PCB oppure off-board (su telaio). Essi sono stati sviluppati tenendo conto dei requisiti di alimentazione più attuali. I convertitori AC/DC di oggi devono essere sicuri, economici, efficienti dal punto di vista energetico, affidabili e significativamente più piccoli dei loro predecessori. Essi utilizzano i più recenti progressi per creare alimentatori con densità di potenza doppia rispetto a quanto possibile in precedenza, senza sacrificare la sicurezza, l’affidabilità, l’efficienza e le prestazioni. Gli alimentatori CA/CC di Recom (integrati ed esterni) funzionano con una tensione che va da 100 V CA fino a 277 V CA, per permetterne l’utilizzo in tutto il mondo e sono certificati a livello internazionale per la sicurezza, secondo gli standard UL/IEC/EN. Un convertitore CA/CC deve funzionare in modo efficiente su tutta la gamma di carico, da pieno carico e carico leggero, fino a condizioni di vuoto. La vasta linea di modelli da 1 W a 960 W presenta un’elevata densità di potenza, un isolamento minimo di 3 kVAC e ampi intervalli di temperatura operativa. Sono anche certificati a livello internazionale, conformi alla Classe B EMC. I convertitori CC-CC isolati convertono una sorgente di corrente continua da una tensione a un’altra. Essi prevedono la presenza di una barriera elettrica tra l’ingresso e l’uscita per aumentare la sicurezza. Sono utilizzati per apparecchiature di telecomunicazioni, industriali, medicali ed elettronica di consumo. Le applicazioni critiche necessitano proprio di questa tipologia di convertitori, la cui uscita non è direttamente collegata con l’ingresso e l’energia viene trasmessa senza un collegamento elettrico diretto ma attraverso un accoppiamento induttivo, per cui i criteri di sicurezza sono molto più elevate. Non esistono, quindi, i presupposti per un contatto accidentale pericoloso. RECOM produce convertitori DC/DC dall’isolamento molto alto, anche superiore a 20 kV DC con dimensioni compatte. Ci sono molti motivi per cui si dovrebbero usare i convertitori DC/DC isolati, ma le applicazioni più comuni sono:

  • per accoppiare i carichi all’alimentazione;
  • per isolare i circuiti del primario e del secondario;
  • per semplificare gli alimentatori.

La famiglia RHV3 (e specificatamente il convertitore RHV3-2424S/R20) prevede un portafoglio di convertitori DC/DC con un isolamento eccezionalmente elevato di 20 kV DC, contenuti in package SIP16 compatto. Le tensioni di ingresso possono essere 5, 12 o 24 V CC mentre quelle di uscita sono di 5 V, 12 V, 24 V, +/- 5 V o +/- 12 V, con una dissipazione di potenza di circa 3 W (vedi figura 3). La temperatura operativa di esercizio va da -40° C a +80° C. Le vaste applicazioni prevedono il monitoraggio a vuoto spinto, apparecchiature a raggi X, sistemi di estrazione della polvere HV AC e altre applicazioni industriali ad alta tensione, in cui è richiesta un’alimentazione remota isolata molto elevata.

Figura 3: il convertitore RHV3-2424S/R20

Una densità di potenza sempre maggiore

La densità di potenza di un convertitore CA/CC o CC/CC è misurata solitamente in watt di potenza di uscita per centimetro cubo. Più è alto questo valore e più l’alimentatore risulta vantaggioso per l’utente finale. Un’alta densità consente più potenza per un dato volume o, in altri termini, delle dimensioni inferiori per un certo ammontare di potenza. Tuttavia, l’aumento di densità non deve abbassare la qualità del dispositivo, specialmente per quanto riguarda un aumento eccessivo della temperatura e i dispositivi non devono sottostare ad alcun tipo di compromesso. Per questo motivo è essenziale un’elevata efficienza del convertitore e delle ottime prestazioni termiche. Un fattore di estrema importanza è il design innovativo dei packaging del circuito, attraverso tecniche molto sofisticate per ottimizzare le prestazioni dei prodotti. Una di queste si basa sul “3D Power Packaging” (vedi in figura 4), che permette la creazione di un PCB interno multistrato che utilizza percorsi chiusi e ciechi per una buona conduttività termica e un uso efficiente dello spazio disponibile.

Figura 4: la tecnica de 3D Power Packaging consente di ottenere densità di potenza maggiori

Che componenti elettronici usare? BOM, costi e ottimizzazioni

Un componente elettronico è disponibile, sul mercato, in differenti esemplari forniti da diversi produttori. Sembrerebbe, a prima vista, che un induttore di un determinato valore possa fornire il suo utile contributo, qualunque sia la tipologia e la provenienza. Ma, in realtà, non è così. Le prestazioni finali del sistema potrebbero cambiare sostituendo un componente con un altro di uguali caratteristiche ma prodotto da un’altra azienda. Occorre, ovviamente, distinguere il settore di applicazione che, ovviamente, diversifica di tanto le problematiche, le tipologie di componenti coinvolti, le potenze in gioco e, infine, i costi. A grandi linee, la RECOM focalizza la propria attenzione sulle seguenti categorie applicative:

  • mediche;
  • mobilità elettrica;
  • alta potenza e densità;
  • test e misure;
  • potenza industriale;
  • automazione;
  • componenti convenienti.

Brevemente esaminiamo caso per caso, per comprendere come la diversa settorializzazione non prescinde una analisi attenta e ponderata delle problematiche e delle esigenze. Le applicazioni mediche odierne hanno requisiti normativi rigorosi in ambienti sia ospedalieri che non. Sono disponibili alimentatori CC/CC e CA/CC che soddisfano tutte le esigenze senza compromessi. Le apparecchiature elettroniche mediche devono possedere standard molto elevati di sicurezza e di affidabilità. I convertitori modulari della serie REM e RACM offrono soluzioni complete e conformi che riducono i tempi di progettazione, semplificano la certificazione degli utenti finali e garantiscono tempi di commercializzazione più rapidi. Sono caratterizzati da un altissimo isolamento e bassa dispersione (classificazione BF e CF) per una conformità di sicurezza medica ES/IEC/EN 60601-1 3a ed. Per esempio la serie REM10 di convertitori CC/CC presenta un isolamento rinforzato di 5 kV CA/1 minuto con una bassa dispersione di 2 µA ed è certificata per un funzionamento continuo a 250 VAC. Per quanto riguarda i veicoli elettrici, scooter per disabili e piccoli veicoli, essi richiedono caricabatterie e convertitori di potenza a bordo per azionamenti del motore e apparecchiature ausiliarie (vedi figura 5). I prodotti più complessi devono anche prevedere il condizionamento della batteria e una conversione bidirezionale per il bilanciamento dell’energia. Per esempio, la serie di convertitori CA/CC RAC02E-K/277 ha un intervallo di ingresso da 100 V CA nominali a 277 V CA potenziati, offrendo una potenza di uscita di 2 watt senza compromessi con uscite regolate da 3,3 V a 24 V CC. Questi moduli prevedono anche una stampa a basso profilo.

Figura 5: i veicoli elettrici richiedono caricabatterie e convertitori di potenza a bordo

Sul fronte dell’alta potenza, oggi, si cerca sempre più di innalzare la densità, misurata in watt di potenza di uscita per centimetro cubo. Un alto valore è chiaramente un vantaggio per l’utente finale, consentendo più potenza per un dato volume o delle dimensioni inferiori per una data potenza. Ovviamente, ciò non deve avvenire a scapito di un forte declassamento o di un aumento eccessivo della temperatura, pertanto è essenziale un’elevata efficienza del convertitore e delle ottime prestazioni termiche (vedi figura 6). Per raggiungere questo obiettivo, è necessario un design innovativo del circuito. Il “3D Power Packaging” consente di raggiungere questi obiettivi. La serie RPM-1.0 raggiunge egregiamente questi traguardi.

Figura 6: efficienza e densità sono strettamente correlate con l’alta potenza

I test e le misurazioni coprono un’ampia gamma di applicazioni, ma fondamentalmente hanno lo scopo di rilevare una determinata variabile fisica (corrente, tensione, temperatura, ecc). Per lo scopo è richiesto un alto isolamento da terra poiché il dispositivo da testare potrebbe trovarsi a una tensione di riferimento di terra diversa dall’apparecchiatura di misura. Quando l’apparecchiatura è alimentata, un convertitore CA/CC fornisce il giusto isolamento e può essere seguito da un convertitore CC/CC per provvedere all’isolamento galvanico. Si evita così la diafonia o interferenze tra gli ingressi del segnale. La DC/DC può essere necessaria se l’unità di misura stessa è alimentata a batteria. Come convertitore a singola uscita CC/CC isolati SMD da 1 W a basso costo, basso profilo è degno di nota l’R1SX (vedi figura 7), disponibile con ingressi da 3,3 V o 5 V e offre un’unica uscita non regolata da 3,3 V o 5 V. Non è richiesto un carico minimo e il consumo a riposo è inferiore a 150 mW. L’isolamento standard è 1kVDC/1s.

Figura 7: il convertitore a singola uscita R1SX

Per quanto riguarda i processi industriali, essi richiedono una varietà di apparecchiature di conversione di potenza: convertitori CA/CC e CC/CC ad alta potenza, caricabatterie, condizionatori e front-end di correzione del fattore di potenza. RECOM ha una lunga esperienza sui caricabatterie monofase e trifase di alta qualità con potenze di uscita da 3,2 kW fino a 11 kW e oltre. Gli alimentatori per l’automazione (vedi serie RACM60-K in figura 8) rivestono un ruolo estremamente importante e di continuo sviluppo tecnico. Esso coinvolge quella tecnologia che utilizza sensori, attuatori e feedback per creare un sistema che funziona senza il controllo umano continuo. Può essere semplice come un termostato o complesso come la sala di controllo di una centrale nucleare, ma in quasi tutti i casi è necessaria un’alimentazione locale isolata per alimentare il sistema di controllo sensore-feedback-attuatore. I requisiti per gli alimentatori di questo genere prevedono un alto isolamento, in modo che interferenze incrociate, loop di terra o differenze di potenziale non interferiscano con il sistema di controllo automatico. L’uso di un convertitore CC/CC isolato e regolato risolve i problemi di conversione della tensione, d’isolamento dal rumore elettrico e d’immunità a cali e sovratensioni.

Figura 8: la serie di convertitori CA/CC multiuso RACM60-K (industriale, domestico, medicale) fornisce 60 Watt di potenza in uscita da -40° C a + 55° C solo con convezione naturale dell’aria e fino a + 85 ° C con raffreddamento forzato

Infine, per quanto riguarda gli alimentatori di alta qualità economici, la RECOM permette di tenere sotto controllo il proprio BOM risparmiando anche il tempo di sviluppo. L’azienda è in grado di offrire alcune serie di convertitori selezionati a prezzi molto interessanti, grazie all’economia di scala. Gli alimentatori a basso costo di RECOM sono disponibili in forme compatte e sono offerti a prezzi bassi, ideali per la produzione di massa. Con tale economia di scala, RECOM è possibile raggiungere risparmi sui costi fino al 50% rispetto a prodotti simili, senza compromettere la qualità.

I componenti per la protezione

Esistono in commercio moduli di protezione contro le sovratensioni, progettati per proteggere i convertitori CC/CC dai transitori di sovratensione (vedi in figura 9). Le tensioni di uscita seguono quella di ingresso con dei limiti preimpostati. Tra questi annoveriamo:

  • RSP20-168 è un modulo DIP24 che può essere semplicemente inserito in serie con l’ingresso delle famiglie di convertitori RP08-110xxSAW, RP08-110xxDAW, RP20-110xxSFR e RP20-110xxDFR, per renderli conformi RIA12 e NF F 01-510;
  • RSP150-168 è un modulo per montaggio su scheda da inserito in serie con l’ingresso delle famiglie di convertitori RP40-110xxSFR, RP75H-110xxSRW, RP90Q-110xxSRW, RPA100H-110xxSRUW, RPA120H-110xxSRW e RP120Q-110xxSRW, per una conformità alle specifiche di immunità alle sovratensioni RIA12 e NF F 01-510;
  • RSP300-168 è un modulo per montaggio su scheda che viene inserito in serie con l’ingresso dei convertitori RP180H-110xxSRW, RPA200H-110xxSRUW e RP240H-110xxSRW per renderli conformi sia a RIA12 che a NF F 01-510 con specifiche d’immunità ai picchi.
Figura 9: i circuiti di protezione RSP20-168, RSP150-168 e RSP300-168

Ancora sulla protezione

Un ottimo sistema di alimentazione deve possedere non solo il circuito intrinseco per la fornitura di energia ma anche, e soprattutto, un ottimo sistema di protezione. Esso si occupa della salvaguardia del sistema di alimentazione elettrica dagli eventuali guasti implementando una disconnessione delle parti guaste dal resto della rete elettrica. In questo modo si garantisce la stabilità dell’alimentatore isolando solo i componenti guasti e, soprattutto, mantenendo ancora in funzione la maggior parte della rete.

La protezione, inoltre, protegge anche il carico e gli attuatori connessi contro possibili danneggiamenti a causa proprio dei guasti all’alimentazione. I circuiti di protezione sono sempre in funzione ma intervengono solo in rarissimi casi, probabilmente mai. Si possono manifestare per guasti ai singoli componenti elettronici o ai collegamenti oppure per errori di cablaggio. I sistemi di protezione raddoppiano senz’altro il costo del sistema di alimentazione ma la tranquillità e la sicurezza dell’intero complesso elettronica è un valore incommensurabile e non ha prezzo. Ma occorre comprendere bene cosa si vuol proteggere. Paradossalmente si tratta di una difesa bilaterale nell’ambito dell’alimentatore e del carico:

  • l’alimentatore deve essere protetto da guasti possibili che avvengono sul carico e sull’utilizzatore come, ad esempio, un suo cortocircuito o una sua accidentale erogazione di energia a ritroso;
  • il carico deve essere protetto da possibili guasti che possono avvenire nell’alimentatore, come sovratensioni o altro.

Le casistiche sono numerose, si va dalle correnti o tensioni eccessive, cortocircuiti, transitori, picchi di tensione, scariche elettrostatiche, fulmini. Un sistema di protezione lavora “dietro le quinte”, in silenzio. Non migliorano la funzionalità dell’alimentatore, anzi, occupano spazio aggiuntivo sul PCB e lievitano i costi del sistema. Ma essi danno il meglio di sé non appena intervengono, reagendo rapidamente ai guasti e difendendo i dispositivi elettronici, non facendo affatto rimpiangere la spesa maggiore sostenuta nell’acquisto. E’ compito dell’ingegnere progettista valutare se è necessaria la protezione dai guasti. A grandi linee ecco quali sono alcuni sistemi di protezione:

  • protezione da sovracorrente a monte per mezzo di fusibili: Protegge anche da un cortocircuito esterno o interno all’alimentatore che, in cascata, potrebbe innescare anche un incendio. Quando la corrente supera una determinata soglia, il filo interno al fusibile si surriscalda, interrompendosi e aprendo il circuito. Per ripristinare il sistema occorre inserire un nuovo fusibile e, ovviamente, risolvere il problema che ha generato l’aumento di corrente;
  • protezione da interruttore termico: si tratta di un interruttore che apre il circuito automaticamente quando la corrente supera un determinato livello. E’ sufficiente premerlo per ripristinare il sistema;
  • blocco per sotto-tensione: tale sistema di protezione assicura che l’alimentatore smetta di funzionare. Esso utilizza un circuito di confronto a bassa potenza che compara la tensione di ingresso con una soglia preimpostata e pone l’unità in “attesa” finché la soglia non viene superata. E’ prevista, ovviamente, una piccola quantità di isteresi;
  • protezione da sovratensione: a volte, per un guasto, un alimentatore a tensione fissa potrebbe essere affetto da un aumento di tensione con il conseguente danneggiamento del carico. Si implementa, così, una funzione che monitora continuamente l’uscita dell’alimentatore (via hardware o software). Se essa supera una determinata soglia deve subito interrompere l’erogazione istantaneamente, prima che il carico venga danneggiato.

Per le applicazioni ferroviarie che devono essere conformi alle specifiche RIA12 e NF F 01-150 per i transitori di sovratensione, RECOM ha sviluppato una gamma di moduli di protezione da sovratensioni per il montaggio su PCB (vedi in figura 10). Le serie RSPxxx-168 sono progettate per essere inserite prima dello stadio del filtro EMI in modo che sia i componenti del filtro che i convertitori CC/CC siano immuni a sovratensioni ad alta energia. Sono disponibili tre versioni con potenza nominale continua di 20 W, 150 W o 300 W. L’uscita del dispositivo di protezione da sovratensioni traccia la tensione di alimentazione nell’intervallo da 40 a 165 V CC (pass-through), ma poi blocca la tensione di uscita a 168 V CC anche se la tensione di alimentazione aumenta fino a 385 V CC, come mostrato nel grafico. Pertanto, i moduli RSPxxx-168 bloccano eventuali sovratensioni a un valore sicuro per proteggere il modulo di alimentazione da eventuali danni e i carichi collegati. Secondo RIA12, il modulo CC/CC dovrebbe continuare a funzionare durante gli eventi di sovratensione in ingresso.

Figura 10: un sistema di protezione è il primo fattore da considerare in un alimentatore o convertitore
Redazione Fare Elettronica