La topologia del circuito è il modo in cui i dispositivi di potenza e i componenti elettromagnetici sono collegati in un circuito; dalla topologia dipendono la progettazione dei componenti magnetici, la progettazione dei circuiti di compensazione ad anello chiuso e tutti gli altri progetti di componenti del circuito. Le topologie di base sono Buck (buck), Boost (boost) e Buck/Boost (boost/buck), flyback single-ended (flyback isolato), forward, push-pull, half-bridge e full-bridge. Cambiamento. Esistono circa 14 topologie comuni di alimentatori a commutazione, ciascuna con le proprie caratteristiche e situazioni applicabili. Il principio di scelta dipende dal fatto che si tratti di alta o bassa potenza, di uscita ad alta tensione o a bassa tensione e che richieda il minor numero possibile di componenti. Per scegliere una topologia in modo appropriato, è importante conoscere i vantaggi, gli svantaggi e l'applicabilità delle varie topologie. Una scelta sbagliata può portare al fallimento del progetto di un alimentatore fin dall'inizio.
In questo articolo, esamineremo in modo approfondito i diversi aspetti delle topologie buck, boost e buck-boost. E un riepilogo delle 20 topologie di base degli alimentatori a commutazione.
Indice dei contenuti
Convertitore buck
La Figura 1 mostra un diagramma schematico di un convertitore buck non sincrono. Un convertitore buck riduce la tensione di ingresso a una tensione di uscita più bassa. Quando l'interruttore Q1 si accende, l'energia viene trasferita all'uscita.
Figura 1: Schema del convertitore buck non sincrono
L'equazione 1 calcola il ciclo di funzionamento:
L'equazione 2 calcola la sollecitazione massima del transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico (MOSFET):
L'equazione 3 fornisce la sollecitazione massima del diodo:
Dove Vin è la tensione di ingresso, Vout è la tensione di uscita e Vf è la tensione di andata del diodo.
Maggiore è la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita, maggiore è l'efficienza di un convertitore buck rispetto a un regolatore lineare o a un regolatore a bassa caduta (LDO).
Sebbene il convertitore buck abbia una corrente pulsata all'ingresso, la corrente di uscita è continua grazie al filtro induttore-condensatore (LC) situato all'uscita del convertitore. Di conseguenza, l'ondulazione di tensione riflessa all'ingresso sarà maggiore rispetto all'ondulazione in uscita.
Per i convertitori buck con cicli di lavoro ridotti e correnti di uscita superiori a 3A, si consiglia di utilizzare raddrizzatori sincroni. Se l'alimentatore richiede una corrente di uscita superiore a 30A, si consiglia di utilizzare stadi di potenza multifase o interfogliati per ridurre al minimo lo stress dei componenti, distribuire il calore generato tra più stadi di potenza e ridurre le riflessioni sul ripple di ingresso del convertitore.
Il duty cycle è limitato quando si utilizzano gli N-FET perché il condensatore di bootstrap deve essere ricaricato a ogni ciclo di commutazione. In questo caso, il duty cycle massimo è compreso nell'intervallo 95-99%.
I convertitori buck hanno solitamente una buona dinamica grazie alla loro topologia forward. La larghezza di banda ottenibile dipende dalla qualità dell'amplificatore di errore e dalla frequenza di commutazione scelta.
Le figure da 2 a 7 mostrano le forme d'onda di tensione e corrente dei FET, dei diodi e degli induttori in un convertitore buck non sincrono in modalità di conduzione continua (CCM).
Convertitore di boost
Un convertitore boost aumenta la tensione di ingresso per ottenere una tensione di uscita maggiore. Quando l'interruttore Q1 non è in conduzione, l'energia viene trasferita all'uscita. La Figura 8 illustra lo schema di un convertitore boost non sincrono.
Figura 8: Schema del convertitore boost non sincrono
L'equazione 4 calcola il ciclo di funzionamento:
L'equazione 5 calcola la sollecitazione massima del MOSFET:
L'equazione 6 fornisce la sollecitazione massima del diodo:
Dove Vin è la tensione di ingresso, Vout è la tensione di uscita e Vf è la tensione di andata del diodo.
Con un convertitore boost, è possibile vedere la corrente di uscita pulsata perché il filtro LC si trova all'ingresso. Pertanto, la corrente di ingresso è continua e l'ondulazione della tensione di uscita è maggiore dell'ondulazione della tensione di ingresso.
Quando si progetta un convertitore boost, è importante sapere che anche quando il convertitore non commuta, esiste un collegamento permanente dall'ingresso all'uscita. È necessario prendere precauzioni per proteggere l'uscita da possibili cortocircuiti.
Per correnti di uscita superiori a 4A, è necessario utilizzare un raddrizzatore sincrono in sostituzione del diodo. Se l'alimentatore deve fornire una corrente di uscita superiore a 10A, si raccomanda vivamente di utilizzare stadi di potenza multifase o interfogliati.
Quando si opera in modalità CCM, la dinamica del convertitore boost è limitata a causa del semipiano zero destro (RHPZ) della sua funzione di trasferimento. Poiché l'RHPZ non può essere compensato, la larghezza di banda ottenibile sarà in genere inferiore a un quinto o un decimo della frequenza RHPZ. Vedere l'equazione 7:
dove Vout è la tensione di uscita, D è il duty cycle, Iout è la corrente di uscita e L1 è l'induttore del convertitore boost.
Le figure da 9 a 14 mostrano le forme d'onda di tensione e corrente dei FET, dei diodi e degli induttori nel convertitore boost non sincrono in modalità CCM.
Convertitore buck-boost
Un convertitore buck-boost è una combinazione di stadi di potenza buck e boost che condividono lo stesso induttore. Si veda la Figura 15.
Figura 15: Schema del convertitore buck-boost a due interruttori
La topologia buck-boost è pratica perché la tensione di ingresso può essere più piccola, più grande o uguale alla tensione di uscita, richiedendo una potenza di uscita superiore a 50W.
Per potenze di uscita inferiori a 50W, il convertitore induttore primario single-ended (SEPIC) è un'opzione più economica perché utilizza meno componenti.
Quando la tensione di ingresso è maggiore della tensione di uscita, il convertitore buck-boost funziona in modalità buck; quando la tensione di ingresso è inferiore alla tensione di uscita, funziona in modalità boost. Quando il convertitore opera nella regione di trasmissione in cui la tensione di ingresso si trova all'interno dell'intervallo di tensione di uscita, esistono due concetti per gestire queste situazioni: o gli stadi buck e boost sono attivi simultaneamente, oppure i cicli di commutazione tra gli stadi buck e boost si alternano, ciascuno dei quali opera tipicamente alla metà della normale frequenza di commutazione. Il secondo concetto può indurre un rumore subarmonico in uscita e, sebbene la precisione della tensione di uscita possa non essere altrettanto precisa rispetto al normale funzionamento buck o boost, il convertitore sarà più efficiente rispetto al primo concetto.
La topologia buck-boost presenta correnti pulsanti sia all'ingresso che all'uscita perché non ci sono filtri LC in entrambe le direzioni.
Per un convertitore buck-boost, i calcoli degli stadi di potenza buck e boost possono essere utilizzati separatamente.
I convertitori buck-boost con due interruttori sono adatti per potenze comprese tra 50W e 100W (come l'LM5118), con raddrizzamento sincrono fino a 400W (come l'LM5175). Si consiglia di utilizzare un raddrizzatore sincrono con lo stesso limite di corrente dello stadio di potenza buck e boost non combinato.
È necessario progettare la rete di compensazione del convertitore buck-boost per lo stadio boost, poiché l'RHPZ limita la larghezza di banda del regolatore.
Fonte: Texas Instruments
Supplemento: Confronto tra 20 topologie di alimentazione a commutazione
1. Topologie di base comuni:
Buck
Aumento
Buck-Boost Buck-Boost
Flyback
In avanti
Due transistor in avanti
Push-Pull push-pull
Mezzo ponte Mezzo ponte
Ponte intero Ponte intero
SEPIC
Regno Unito
2. Forma d'onda di base della modulazione di larghezza di impulso
Queste topologie sono legate ai circuiti di commutazione. La forma d'onda di base della modulazione di larghezza d'impulso è definita come segue:
3. Buck riduce la pressione sanguigna
Caratteristiche:
■ Ridurre l'ingresso a una tensione inferiore
Possibilmente il circuito più semplice
Il filtro induttore/capacitore appiana l'onda quadra dopo la commutazione
L'uscita è sempre inferiore o uguale all'ingresso
Corrente di ingresso discontinua (chopping)
Smussamento della corrente di uscita
4. Aumento
Caratteristiche:
Boost dell'ingresso a una tensione più alta
Come il buck, ma con induttore, interruttore e diodo riorganizzati.
L'uscita è sempre maggiore o uguale all'ingresso (ignorando la caduta di tensione in avanti del diodo).
Smussamento della corrente d'ingresso
Corrente di uscita discontinua (chopping)
5. Buck-Boost
Caratteristiche:
Un'altra disposizione di induttori, interruttori e diodi
Combina gli svantaggi dei circuiti buck e boost
Corrente di ingresso discontinua (chopping)
La corrente di uscita non è continua (chopping).
L'uscita è sempre opposta all'ingresso (si noti la polarità del condensatore), ma l'ampiezza può essere minore o maggiore dell'ingresso.
Un convertitore "flyback" è in realtà una forma isolata (accoppiata al trasformatore) di un circuito buck-boost.
6. Flyback
Caratteristiche:
Funziona come un circuito buck-boost, ma l'induttore ha due avvolgimenti e funge sia da trasformatore che da induttore.
L'uscita può essere positiva o negativa, determinata dalla polarità della bobina e del diodo.
La tensione di uscita può essere maggiore o minore della tensione di ingresso, determinata dal rapporto di spire del trasformatore.
Questa è la più semplice delle topologie di isolamento.
È possibile ottenere più uscite aggiungendo avvolgimenti e circuiti secondari.
7. In avanti
Caratteristiche:
Forma di accoppiamento del trasformatore nel circuito step-down.
Corrente di ingresso discontinua, corrente di uscita regolare.
Grazie al trasformatore, l'uscita può essere più o meno grande dell'ingresso e può avere qualsiasi polarità.
È possibile ottenere più uscite aggiungendo avvolgimenti e circuiti secondari.
Il nucleo del trasformatore deve essere smagnetizzato durante ogni ciclo di commutazione. Una pratica comune è quella di aggiungere un avvolgimento con lo stesso numero di spire dell'avvolgimento primario.
L'energia immagazzinata nell'induttanza primaria durante la fase di accensione viene rilasciata attraverso l'avvolgimento supplementare e il diodo durante la fase di spegnimento.
8. Due transistor in avanti
Caratteristiche:
Entrambi gli interruttori funzionano contemporaneamente.
Quando l'interruttore si apre, l'energia immagazzinata nel trasformatore inverte la polarità del primario, causando la conduzione del diodo.
Il vantaggio principale:
La tensione su ciascun interruttore non supera mai la tensione di ingresso.
Non è necessario reimpostare la pista di avvolgimento.
9. Spingi-Stacca
Caratteristiche:
L'interruttore (FET) viene pilotato fuori fase e la modulazione di larghezza di impulso (PWM) viene eseguita per regolare la tensione di uscita.
Buon utilizzo del nucleo del trasformatore: la potenza viene trasferita in entrambi i semicicli.
Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto alla frequenza del trasformatore.
La tensione applicata al FET è pari al doppio della tensione di ingresso.
10. Mezzo ponte
Caratteristiche:
Topologia molto comune per i convertitori di potenza superiore.
L'interruttore (FET) viene pilotato fuori fase e la modulazione di larghezza di impulso (PWM) viene eseguita per regolare la tensione di uscita.
Buon utilizzo del nucleo del trasformatore: la potenza viene trasferita in entrambi i semicicli. Inoltre, il tasso di utilizzo dell'avvolgimento primario è migliore di quello del circuito push-pull.
Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto alla frequenza del trasformatore.
La tensione applicata al FET è pari alla tensione di ingresso.
11. Ponte intero
Caratteristiche:
La topologia più comune per i convertitori di potenza superiore.
Gli interruttori (FET) sono pilotati a coppie diagonali e modulati a larghezza di impulso (PWM) per regolare la tensione di uscita.
Buon utilizzo del nucleo del trasformatore: la potenza viene trasferita in entrambi i semicicli.
Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto alla frequenza del trasformatore.
La tensione applicata ai FET è pari alla tensione di ingresso.
A parità di potenza, la corrente primaria è la metà di quella di un mezzo ponte.
12. Convertitore SEPIC a induttore primario single-ended
Caratteristiche:
La tensione di uscita può essere maggiore o minore della tensione di ingresso.
Come nel circuito boost, la corrente di ingresso è regolare, ma la corrente di uscita è discontinua.
L'energia viene trasferita dall'ingresso all'uscita attraverso la capacità.
Sono necessari due induttori.
13. C'uk (brevetto di Slobodan C'uk)
Caratteristiche:
Inversione dell'uscita
L'ampiezza della tensione di uscita può essere maggiore o minore di quella di ingresso.
Entrambe le correnti di ingresso e di uscita sono regolari.
L'energia viene trasferita dall'ingresso all'uscita attraverso la capacità.
Sono necessari due induttori.
Gli induttori possono essere accoppiati per ottenere una corrente induttrice a ripple zero.
14. Dettagli sul funzionamento del circuito
Di seguito vengono illustrati i dettagli di funzionamento di diverse topologie:
Regolatore buck: conduzione continua, conduzione critica, conduzione discontinua
Regolatore boost (conduzione continua)
Funzionamento del trasformatore
Trasformatore flyback
Trasformatore di andata
15. Regolatore buck-step-down a conduzione continua
Caratteristiche:
La corrente dell'induttore è continua.
Vout è il valore medio della tensione di ingresso (V1).
La tensione di uscita è data dalla tensione di ingresso moltiplicata per il rapporto di lavoro dell'interruttore (D).
All'accensione, la corrente dell'induttore proviene dalla batteria.
La corrente passa attraverso il diodo quando l'interruttore è aperto.
Trascurando le perdite nell'interruttore e nell'induttore, D è indipendente dalla corrente di carico.
Le caratteristiche dei regolatori buck e dei loro circuiti derivati sono:
La corrente di ingresso è discontinua (chopping) e la corrente di uscita è continua (smoothing).
16. Regolatore buck-step-down - conducibilità critica
La corrente dell'induttore è ancora continua, ma "raggiunge" lo zero quando l'interruttore viene riacceso. Questo fenomeno è chiamato "conduzione critica". La tensione di uscita è ancora uguale alla tensione di ingresso moltiplicata per D.
17. Regolatore buck-step-down a conduzione discontinua
In questo caso, la corrente nell'induttore è nulla per una parte di ogni ciclo.
La tensione di uscita è ancora (sempre) il valore medio di v1.
La tensione di uscita non è la tensione di ingresso moltiplicata per il rapporto di lavoro dell'interruttore (D).
Quando la corrente di carico è inferiore al valore critico, D varia con la corrente di carico (mentre Vout rimane costante).
18. Regolatore di boost
La tensione di uscita è sempre maggiore (o uguale) alla tensione di ingresso.
La corrente di ingresso è continua, quella di uscita è discontinua (a differenza di un regolatore buck).
La relazione tra tensione di uscita e rapporto di lavoro (D) non è così semplice come in un regolatore buck. Nel caso di conduzione continua:
In questo esempio, Vin = 5, Vout = 15 e D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Funzionamento dei trasformatori (compreso il ruolo dell'induttanza primaria)
Il trasformatore è considerato un trasformatore ideale con l'induttanza primaria (magnetizzante) collegata in parallelo al primario.
20. Trasformatore flyback
Qui l'induttanza primaria è bassa e viene utilizzata per determinare la corrente di picco e l'energia immagazzinata. Quando l'interruttore primario si apre, l'energia viene trasferita al secondario.
21. Trasformatore di conversione in avanti
L'induttanza primaria è elevata perché non è necessario immagazzinare energia.
La corrente di magnetizzazione (i1) scorre nell'"induttore di magnetizzazione", provocando la smagnetizzazione del nucleo (inversione della direzione della tensione) dopo l'apertura dell'interruttore primario.
22. Sintesi
Le topologie di circuito più comuni attualmente utilizzate per la conversione degli alimentatori a commutazione sono esaminate in questa sede.
Esistono molte altre topologie, ma per lo più sono combinazioni o variazioni delle topologie qui descritte.
Ogni topologia comporta compromessi di progettazione unici:
1) La tensione applicata all'interruttore
2) Taglio e smussamento della corrente di ingresso e di uscita
3) Utilizzo dell'avvolgimento
La scelta della topologia migliore richiede una ricerca su:
1) Campo di tensione di ingresso e di uscita
2) Gamma di corrente
3) Rapporto costo/prestazioni, dimensioni/peso
