Qual è l'alimentazione?
Un alimentatore è un dispositivo elettrico che converte la corrente da una fonte di energia (come una rete elettrica) nella tensione richiesta da un carico (come un motore o un dispositivo elettronico).
Esistono due tipi principali di alimentatori: gli alimentatori lineari e gli alimentatori a commutazione.
Alimentatore lineare: Gli alimentatori lineari utilizzano un trasformatore per ridurre la tensione di ingresso, quindi raddrizzano e convertono la tensione in tensione continua, che viene poi filtrata per migliorare la qualità della forma d'onda. Gli alimentatori lineari utilizzano regolatori lineari per mantenere costante la tensione di uscita. I regolatori lineari dissipano l'energia in eccesso sotto forma di calore.
Alimentazione a commutazione: La progettazione di un alimentatore a commutazione è un approccio più recente che risolve molti dei problemi presenti nella progettazione di un alimentatore lineare, tra cui le dimensioni del trasformatore e i problemi di regolazione della tensione. In un progetto di alimentazione a commutazione, la tensione di ingresso non viene più ridotta, ma viene raddrizzata e filtrata all'ingresso; viene poi convertita in una sequenza di impulsi ad alta frequenza da un chopper; viene nuovamente filtrata e raddrizzata prima che la tensione raggiunga l'uscita.
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Principio di funzionamento dell'alimentatore switching
Gli alimentatori lineari CA/CC sono stati a lungo utilizzati per convertire la corrente alternata proveniente dalla rete elettrica in corrente continua da utilizzare negli elettrodomestici o nell'illuminazione. Ma le applicazioni ad alta potenza richiedono sempre più spesso alimentatori più piccoli. Gli alimentatori lineari sono stati relegati a specifici usi industriali e medici, dove il loro basso rumore li rende ancora utili; gli alimentatori a commutazione li hanno in gran parte sostituiti grazie alle loro dimensioni ridotte, all'elevata efficienza e alla capacità di gestire potenze elevate. alimentatore lineare. La Figura 1 illustra il processo generale di conversione da corrente alternata (CA) a corrente continua (CC) in un alimentatore a commutazione.
Figura 1: Alimentatore switching CA/CC isolato
Rettifica degli ingressi
Il raddrizzamento è il processo di conversione della tensione CA in tensione CC. Il raddrizzamento del segnale di ingresso è la prima fase degli alimentatori CA/CC a commutazione.
Di solito si pensa alla tensione continua come a una tensione costante e lineare, come quella fornita da una batteria. In realtà, la corrente continua (DC) è definita come un flusso di carica unidirezionale. Ciò significa che la tensione continua scorre nella stessa direzione, ma non è necessariamente costante.
Corrente alternata sinusoidale (CA) L'onda sinusoidale è la forma d'onda di tensione più tipica, con la prima metà del ciclo positiva e la seconda negativa. Se il semiciclo negativo viene invertito o eliminato, la corrente smette di essere alternata e diventa continua. Questo processo di conversione può essere realizzato attraverso la rettifica.
Il raddrizzamento si ottiene utilizzando diodi in un raddrizzatore passivo a mezzo ponte per eliminare la metà negativa dell'onda sinusoidale (vedere Figura 2). Il diodo lascia passare la corrente durante il semiciclo positivo dell'onda e la blocca quando scorre nella direzione opposta.
Figura 2: Raddrizzatore a mezzo ponte
Un'onda sinusoidale rettificata avrà una potenza media bassa e non sarà in grado di alimentare efficacemente un dispositivo. Un altro metodo più efficace consiste nel cambiare la polarità della semionda negativa, trasformandola in un'onda positiva. Questo metodo è chiamato raddrizzamento a onda intera e richiede solo quattro diodi in una configurazione a ponte intero (vedere Figura 3). Questa configurazione garantisce una direzione stabile della corrente indipendentemente dalla polarità della tensione di ingresso.
Figura 3: Raddrizzatore a ponte intero
Rispetto al raddrizzamento a mezzo ponte, la tensione media di uscita della forma d'onda raddrizzata a onda intera è più elevata, ma è ancora lontana dalla forma d'onda CC costante necessaria per alimentare le apparecchiature elettroniche. Sebbene si tratti già di una forma d'onda CC, dalla forma dell'onda di tensione si può notare che la tensione cambia molto rapidamente e frequentemente, e l'utilizzo di tale CC per alimentare le apparecchiature sarà inefficiente. Questa variazione periodica della tensione CC è chiamata ripple e la riduzione o l'eliminazione del ripple è fondamentale per ottenere un'alimentazione efficiente.
Il modo più semplice e comune per ridurre l'ondulazione consiste nell'aggiungere all'uscita del raddrizzatore un condensatore di grandi dimensioni, chiamato condensatore di accumulo o filtro di attenuazione (vedere Figura 4).
Questo condensatore immagazzina la tensione durante il picco dell'onda e poi fornisce corrente al carico finché la sua tensione non è inferiore all'onda di tensione raddrizzata crescente. La forma d'onda prodotta sarà più vicina alla forma desiderata e può essere considerata come una tensione CC senza componente CA. Questa forma d'onda di tensione finale può alimentare apparecchiature in corrente continua.
Figura 4: Raddrizzatore a ponte intero con filtro di attenuazione
I raddrizzatori passivi utilizzano diodi a semiconduttore come interruttori non controllati; sono il metodo più semplice per raddrizzare le onde CA, ma non sono i più efficienti.
I diodi sono interruttori relativamente efficienti. Si accendono e si spengono rapidamente con un consumo energetico minimo. L'unico problema è che c'è una caduta di tensione di polarizzazione in avanti da 0,5 V a 1 V, che riduce l'efficienza.
I raddrizzatori attivi sostituiscono i diodi con interruttori controllabili, come i MOSFET o i transistor BJT (vedi Figura 5). Presentano due vantaggi: in primo luogo, i raddrizzatori a transistor non presentano la caduta di tensione da 0,5 V a 1 V propria dei diodi a semiconduttore, poiché la loro resistenza può essere arbitrariamente piccola e quindi anche la caduta di tensione; in secondo luogo, il transistor è un interruttore controllato, il che significa che la frequenza di commutazione può essere regolata e ottimizzata.
Lo svantaggio è che i raddrizzatori attivi richiedono circuiti di controllo più complessi per raggiungere i loro obiettivi, che richiedono componenti aggiuntivi e quindi un costo maggiore.
Figura 5: Raddrizzatore attivo a ponte intero
Correzione del fattore di potenza (PFC)
Il secondo passo nella progettazione di un alimentatore a commutazione è la correzione del fattore di potenza (PFC).
I circuiti PFC contribuiscono poco alla conversione effettiva della corrente alternata in corrente continua, ma sono una parte importante della maggior parte degli alimentatori commerciali.
Figura 6: Forme d'onda di tensione e corrente all'uscita del raddrizzatore
Osservando la forma d'onda della corrente del condensatore di accumulo del raddrizzatore (vedere Figura 6), si nota che la corrente di carica attraversa il condensatore in un arco di tempo molto breve; in particolare, dal punto in cui la tensione all'ingresso del condensatore è maggiore della carica del condensatore, al punto in cui il segnale raddrizzato tra i picchi. Questo provoca una serie di brevi picchi di corrente nel condensatore, causando seri problemi non solo all'alimentatore ma anche all'intera rete. Perché questi picchi di corrente vengono iniettati nella rete e generano un gran numero di armoniche. Le armoniche creano una distorsione che può influire sulle altre fonti di alimentazione e sulle apparecchiature collegate alla rete.
Nella progettazione di un alimentatore a commutazione, lo scopo del circuito di correzione del fattore di potenza è filtrare queste armoniche e ridurle al minimo. Esistono due tipi di circuiti di correzione del fattore di potenza: attivi e passivi.
I circuiti PFC passivi consistono in filtri passivi passa-basso che cercano di eliminare le armoniche ad alta frequenza. Tuttavia, il PFC passivo da solo non consente agli alimentatori, soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza, di rispettare le specifiche internazionali sul rumore armonico. È necessario utilizzare una correzione attiva del fattore di potenza.
Il PFC attivo può modificare la forma d'onda della corrente in modo che segua quella della tensione. Le armoniche vengono spostate a frequenze più alte e sono quindi più facili da filtrare. In questo caso, il circuito più comunemente utilizzato è un convertitore boost (o step-up).
Isolamento: Alimentatori switching isolati e non isolati
Indipendentemente dalla presenza di un circuito PFC, la fase finale della conversione di potenza consiste nel ridurre la tensione CC raddrizzata a una grandezza adeguata per l'applicazione prevista.
Poiché la forma d'onda CA in ingresso viene raddrizzata, la tensione CC in uscita è molto elevata: senza PFC, la tensione CC in uscita dal raddrizzatore sarà di circa 320 V; con il circuito PFC attivo presente, l'uscita del convertitore boost sarà di 400 V o più Tensione CC stabile elevata.
In entrambi i casi, le alte tensioni sono estremamente pericolose e non necessarie per la maggior parte delle applicazioni che richiedono tensioni molto basse. La tabella 1 elenca diversi aspetti da considerare nella scelta della topologia di isolamento corretta, tra cui il convertitore e l'applicazione.
Tabella 1: Alimentatori CA/CC isolati e non isolati
La scelta del metodo di riduzione della pressione arteriosa è legata principalmente alla sicurezza.
Il lato d'ingresso dell'alimentatore è collegato alla rete di corrente alternata; pertanto, in caso di dispersione in uscita, una scossa di tale entità può causare gravi lesioni o addirittura la morte e danneggiare qualsiasi apparecchiatura collegata all'uscita.
La sicurezza è garantita dall'isolamento magnetico dei circuiti di ingresso e di uscita dell'alimentazione CA/CC collegati alla rete elettrica. I circuiti più utilizzati negli alimentatori CA/CC isolati sono i convertitori flyback e i convertitori LLC risonanti, perché entrambi dispongono di isolamento elettrico o magnetico (vedere Figura 7).
Figura 7: Convertitore Flyback (sinistra) e convertitore risonante LLC (destra)
L'uso di un trasformatore significa che il segnale non può essere una tensione continua piatta. Al contrario, la tensione deve cambiare, e quindi anche la corrente, in modo che l'energia possa essere trasferita da un lato all'altro del trasformatore tramite l'accoppiamento induttivo. Pertanto, sia i convertitori flyback che quelli LLC "tagliano" la tensione CC in ingresso in un'onda quadra, che viene poi ridotta attraverso un trasformatore. Infine, la forma d'onda viene nuovamente raddrizzata prima dell'uscita.
Utilizzato principalmente in applicazioni a bassa potenza, un convertitore flyback è anche un convertitore buck-boost isolato la cui tensione di uscita può essere superiore o inferiore alla tensione di ingresso, a seconda della relazione tra gli avvolgimenti primari e secondari del trasformatore. rapporto di spire.
Il funzionamento di un convertitore flyback è molto simile a quello di un convertitore boost.
Quando l'interruttore è chiuso, la bobina primaria viene caricata dall'ingresso e forma un campo magnetico; quando l'interruttore viene aperto, la carica nell'induttore primario viene trasferita all'avvolgimento secondario, che inietta corrente nel circuito, alimentando così il carico.
Il convertitore flyback è relativamente facile da progettare e richiede meno componenti rispetto ad altri convertitori, ma non è efficiente perché costringe il transistor ad accendersi e spegnersi a piacimento, e questa commutazione brusca causa enormi perdite (vedere Figura 8). Soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza, questo riduce la durata dei transistor e crea un'enorme dissipazione di potenza. Pertanto, il convertitore flyback è più adatto per applicazioni a bassa potenza, dove la potenza è solitamente inferiore a 100W.
I convertitori LLC risonanti sono comunemente utilizzati nelle applicazioni ad alta potenza. Il suo circuito è isolato magneticamente tramite un trasformatore. I convertitori LLC si basano sul fenomeno della risonanza, il che significa che quando la frequenza operativa corrisponde alla frequenza naturale del filtro, questa frequenza viene amplificata. In questo caso, la frequenza di risonanza del convertitore LLC è definita dall'induttore e dal condensatore in serie (filtro LC) e risente anche dell'effetto aggiuntivo dell'induttanza primaria (L) del trasformatore, da cui il nome di convertitore LLC.
I convertitori risonanti LLC sono preferiti per le applicazioni ad alta potenza perché possono produrre una commutazione a corrente zero, nota anche come commutazione morbida (vedi Figura 8). Quando la corrente nel circuito è vicina allo zero, può accendere e spegnere l'interruttore, riducendo al minimo le perdite di commutazione del transistor e quindi riducendo le EMI e migliorando l'efficienza. Tuttavia, questo miglioramento delle prestazioni ha un prezzo: È molto difficile progettare un convertitore risonante LLC in grado di ottenere una commutazione morbida in varie condizioni di carico. A tal fine, MPS ha sviluppato uno speciale strumento di progettazione LLC che garantisce che il convertitore operi allo stato di risonanza corretto, ottenendo così una migliore efficienza di commutazione.
Figura 8: Perdite per commutazione dura (sinistra) e commutazione morbida (destra)
Come accennato in precedenza, uno dei limiti degli alimentatori CA/CC è rappresentato dalle dimensioni e dal peso del trasformatore di ingresso. Questo perché la bassa frequenza operativa del trasformatore di ingresso (50 Hz) richiede un induttore e un nucleo più grandi per evitare la saturazione.
Negli alimentatori a commutazione, la frequenza di oscillazione della tensione è significativamente più alta (almeno sopra i 20 kHz). Ciò significa che il trasformatore step-down può essere più piccolo perché i segnali ad alta frequenza creano meno perdite magnetiche nel trasformatore lineare. Poiché le dimensioni del trasformatore d'ingresso si riducono, il sistema può essere miniaturizzato, rendendo possibile inserire l'intero alimentatore in un caricabatterie per cellulari, come quelli che utilizziamo oggi.
Alcune apparecchiature in corrente continua non richiedono un trasformatore per garantire l'isolamento. Ciò è comune nei dispositivi che non richiedono il contatto diretto con l'utente (ad es. luci, sensori, IoT, ecc.), poiché l'elaborazione dei parametri del dispositivo avviene su un dispositivo separato (ad es. telefono, tablet o computer).
Ciò comporta notevoli vantaggi in termini di peso, dimensioni e prestazioni del dispositivo. Questi convertitori riducono il livello di tensione di uscita utilizzando un convertitore buck ad alta tensione. Il suo circuito può essere considerato come il circuito invertente del convertitore boost menzionato in precedenza. In questo caso, quando l'interruttore del transistor è chiuso, la corrente che scorre nell'induttore crea una tensione attraverso l'induttore stesso, che annulla la tensione proveniente dall'alimentazione, riducendo così la tensione in uscita. Quando l'interruttore viene aperto, l'induttore fornisce corrente al carico, mantenendo la tensione attraverso il carico quando il circuito è scollegato dalla fonte di alimentazione.
Gli alimentatori switching AC/DC utilizzano convertitori buck ad alta tensione perché i transistor MOSFET che fungono da interruttori devono essere in grado di sopportare grandi variazioni di tensione (vedere Figura 9). Quando l'interruttore è chiuso, la tensione che attraversa il MOSFET è prossima a 0V; ma quando è aperto, questa tensione sale a 400V in un'applicazione monofase e a 800V in un convertitore trifase. Queste improvvise variazioni di tensione possono facilmente danneggiare i normali transistor, per cui si utilizzano speciali MOSFET ad alta tensione.
Figura 9: Alimentatore switching CA/CC non isolato con PFC attivo
Un convertitore buck è più facile da integrare rispetto a un trasformatore perché richiede un solo induttore. Anche l'efficienza di riduzione della tensione è maggiore, con un'efficienza fino a 95% in condizioni normali. Questa elevata efficienza si ottiene perché i transistor e i diodi non consumano quasi nulla in fase di commutazione, mentre le uniche perdite provengono dall'induttore.
Riassumere
Gli alimentatori switching CA/CC sono attualmente il metodo più efficiente per convertire l'energia CA in energia CC. La conversione di potenza è suddivisa in tre fasi:
1. Raddrizzamento dell'ingresso: La tensione alternata di rete in ingresso viene convertita in un'onda rettificata in corrente continua attraverso un ponte di diodi. L'aggiunta di un condensatore all'uscita del ponte può ridurre la tensione di ondulazione.
2. Correzione del fattore di potenza (PFC): a causa della presenza di corrente non lineare nel raddrizzatore, il contenuto armonico della corrente è molto elevato. Esistono due modi per risolvere questo problema: uno è il PFC passivo, che utilizza filtri per sopprimere gli effetti armonici, ma questo metodo non è efficiente; il secondo metodo è chiamato PFC attivo, che utilizza interruttori per il convertitore di tensione in modo che la forma d'onda della corrente segua la forma d'onda della tensione di ingresso. Il PFC attivo è l'unico modo per consentire ai convertitori di potenza di soddisfare gli attuali standard di dimensione ed efficienza.
3. Isolamento: Gli alimentatori a commutazione possono essere isolati o non isolati. Un dispositivo è isolato quando l'ingresso e l'uscita di un alimentatore non sono fisicamente collegati. L'isolamento può essere ottenuto tramite un trasformatore, che isola elettricamente le due metà del circuito. Ma i trasformatori possono trasmettere energia solo quando la corrente cambia, quindi la tensione continua raddrizzata viene tagliata in un'onda quadra ad alta frequenza e poi trasmessa al circuito secondario; quindi viene nuovamente raddrizzata e infine passata all'uscita.
La progettazione di un alimentatore switching richiede la considerazione di tutti gli aspetti, in particolare sicurezza, prestazioni, dimensioni e peso. Il circuito di controllo degli alimentatori a commutazione è inoltre più complesso di quello degli alimentatori lineari e molti progettisti trovano utile utilizzare moduli integrati nell'alimentatore.
