Perfettamente intercambiabile con il classico stabilizzatore di tensione 7805, offre i vantaggi della tecnica switching in fatto di efficienza e dissipazione di calore.
Il form factor del PCB richiama il package TO-220.
C’era una volta la famiglia dei regolatori di tensione integrati 78xx, tanto popolare perché tanto ha fatto per aiutare noi progettisti nella realizzazione degli stadi di alimentazione: con tre soli terminali e un package da transistor di potenza (TO-220) risolveva il problema di creare regolatori lineari con tanto di diodi Zener, transistor, amplificatori di errore e via di seguito.
Tali componenti a semiconduttore hanno fatto la storia e li abbiamo trovati un po’ ovunque, ma come tutti i regolatori lineari serie presentano il difettuccio di dover dissipare una potenza elettrica direttamente proporzionale alla differenza di tensione tra l’ingresso e l’uscita, ovvero tra la tensione ricevuta in ingresso e quella nominale; tale caduta, tecnicamente chiamata drop-out, non può scendere sotto i 3 volt ed è per questo che quando dai regolatori della serie 78xx si devono prelevare correnti anche “solo” di 1 ampere, a meno di non poter tenere bassa la tensione di ingresso in rapporto a quella di uscita, serve applicare i componenti a un dissipatore anche abbastanza voluminoso.
Per non parlare di quanta potenza sprecano in rapporto a quella sviluppata, concetto che si capisce al volo facendo un esempio: immaginando di dover ottenere 12V stabilizzati e una corrente di 1 A partendo da 25V in ingresso, il regolatore del caso, ossia un 7812, dissiperebbe una potenza di 13 W, corrispondente a più di quella che dovrebbe erogare.
In questo contesto, l’arrivo degli switching (o alimentatori a commutazione che dir si voglia…) ha consentito di risolvere molti problemi, primo fra tutti quello della dissipazione di potenza, dal quale dipende l’efficienza; certo, lo switching DC/DC (ossia un convertitore di tensione continua/continua) non è sempre utilizzabile, perché a differenza di quello lineare presenta in uscita una serie di disturbi impulsivi ad alta frequenza (quella di commutazione) e in generale irradia disturbi radioelettrici, pertanto con gli amplificatori e i circuiti lineari il suo utilizzo va attentamente valutato.
Per coniugare i vantaggi del regolatore lineare con quelli del DC/DC e fornire un’alternativa ai classici 78xx, abbiamo pensato di progettare, sfruttando la disponibilità di un circuito integrato specifico, un regolatore a commutazione a tre terminali il cui circuito stampato diventa compatibile, per layout dei piedini e ingombro, con un TO-220 e pertanto con un regolatore tipo 7805, 7812 e via di seguito.
Questo consente di sostituire il classico 78xx con un regolatore a più elevata efficienza, che peraltro può fare a meno del dissipatore di calore.
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Schema elettrico
Vediamo dunque di cosa si tratta, andando ad analizzare il circuito che realizza questo nostro compatto regolatore switching, il cui cuore è un integrato AP63205 della DIODES, contenuto in un package per SMD a 3 pin per lato, di tipo TSOT26.
Questo componente fornisce una tensione d’uscita stabilizzata a 5V, accettando in ingresso da 3,8 a 32Vcc, erogando fino a 2A in regime continuativo, senza richiedere alcun dissipatore di calore; l’AP63205 è un regolatore buck operante a una frequenza di commutazione di 1 MHz che si accontenta di pochissimi componenti esterni, tra i quali un piccolo induttore, giacché integra una coppia di MOSFET per pilotare la bobina, uno high-side (sul lato di alimentazione) con Rdson di appena 125mΩr ed uno low-side (che commuta l’uscita verso massa) da soli 68mΩ.
Il componente, malgrado l’elevata frequenza di commutazione (che consente di minimizzare valori e dimensioni dell’induttanza e dei condensatori di filtro) irradia un bassissimo livello di interferenze, grazie a opportune strategie di riduzione delle EMI (Electromagnetic Interference) che comprendono la tecnica Frequency Spread Spectrum (FSS) con un jitter della frequenza del ±6%.
All’interno dell’AP63205 si trova anche un circuito di spegnimento automatico in caso di tensione d’ingresso al disotto della minima in grado di assicurare il corretto funzionamento (UVLO=UnderVoltage LockOut) e di una logica che permette di mantenere l’integrato in standby, pur alimentato, ovvero di accenderlo su comando esterno; questa logica fa capo al piedino EN, che quando viene portato a zero pone i circuiti di potenza e l’oscillatore per il modulatore PWM in standby.
Il nostro converter switching è basato sulla tecnica a carica d’induttanza, il cui principio di funzionamento si basa sulla ripartizione dell’energia immagazzinata da un induttore; più esattamente, un transistor alimenta una bobina, quindi interrompe la corrente e lascia che l’energia immagazzinata in essa si riversi sull’utilizzatore.
Il livello della tensione di uscita si decide, non utilizzando il trasformatore ma giocando sulla larghezza o frequenza degli impulsi con i quali viene caricato l’induttore e sul valore di induttanza.
La struttura varia in base alla configurazione del transistor, che può lavorare a collettore comune o ad emettitore comune, ovvero, visto che da anni per la commutazione vengono preferiti i MOSFET, a drain o a source comune.
Nel caso dell’integrato della DIODES, vengono impiegati due MOSFET a canale N, uno a collettore comune ed uno a emettitore comune, ma il principio di funzionamento è analogo; proveremo a spiegarlo con lo schema semplificato proposto nella Fig. 1.
Fig. 1 Schema semplificato della configurazione DC/DC di tipo buck.
Nella configurazione buck, che è quella adottata nel nostro circuito, il transistor opera a collettore comune (a drain comune, visto che si impiegano dei MOSFET) e l’induttanza L1 riceve corrente dall’emettitore del MOSFET ogni volta che il transistor viene portato in stato di on con un impulso positivo sul gate rispetto al source; quando il MOSFET va in interdizione, l’induttore tenta di mantenere le condizioni della conduzione e genera un’extratensione che forzerebbe lo scorrimento di corrente nel transistor.
Affinché il MOSFET non si danneggi, nel circuito è inserito il diodo Ds (diodo di clamping) la cui funzione è condurre e lasciare che, a transistor interdetto, la corrente fluisca dal capo della bobina connesso al collettore nel diodo Ds (è un diodo Schottky) e dall’anodo di quest’ultimo al positivo del condensatore, quindi dal negativo di quest’ultimo all’anodo del Ds.
Quando il transistor riprende a condurre, fornisce un nuovo impulso di corrente alla bobina L, che, nella successiva pausa, cede la propria energia all’utilizzatore, e al condensatore di filtro.
Nel caso dell’integrato della DIODES viene adottato uno schema molto utilizzato da parecchi anni che vede la bobina alimentata e chiusa alternativamente attraverso uno stadio a transistor a simmetria quasi complementare, dove i MOSFET, entrambi a canale N, vengono pilotati sul gate da impulsi in opposizione di fase in modo che quando uno conduce l’altro è spento; nella configurazione buck, il MOSFET che opera a drain comune alimenta la bobina per un semiperiodo e quello connesso a massa (funzionante a emettitore comune) la chiude in cortocircuito.
Un diodo impedisce il flusso della corrente nel verso contrario, consentendo comunque la carica del condensatore, che nel nostro circuito è il parallelo di C2 e C4. La struttura interna dell’AP63205 è meglio descritta dallo schema a blocchi dell’integrato proposto nella Fig. 2, dalla quale si vede, in basso a destra, com’è fatto lo stadio che pilota l’induttore.
Fig. 2 Schema a blocchi dell’integrato AP63205.
Per comprendere il funzionamento e i calcoli riguardanti i DC/DC a carica d’induttanza bisogna rifarsi alla teoria dei fenomeni transitori interessanti i circuiti RL nei momenti di brusca applicazione di una tensione costante e sospensione della stessa. L’elettrotecnica insegna che alimentando la serie di una resistenza e una bobina con una tensione costante di valore V, la differenza di potenziale che si manifesta istantaneamente ai capi della bobina stessa vale:
vL = V x e-t/
dove e sta per il numero di Nepero (circa 2,7173) t è il tempo trascorso dall’applicazione della tensione e la costante di tempo del circuito RL, che vale L/R e si esprime in secondi. Si nota come la tensione cali esponenzialmente e raggiunga il 36,8 % di V quando trascorre un tempo pari a t. Per t=5t , la tensione ai capi dell’induttore vale praticamente zero. Analizzando la scarica dell’induttanza, i calcoli dicono che vale la formula:
VL = -V x (1 – e-t/t )
La tensione ai capi della bobina cresce esponenzialmente (per t = t vale il 63,2 % di V) ed è di valore negativo perché, togliendo tensione, si genera una differenza di potenziale di valore opposto, che mantiene lo scorrimento di corrente. La tensione nella resistenza di carico, sulla quale si chiude il circuito di scarica dell’induttanza, ha andamento esponenziale decrescente. Nella sostanza, il funzionamento dello switching a carica d’induttanza si basa sull’energia accumulata nell’induttore, che a parità di corrente desiderata in uscita dev’essere proporzionale alla tensione da erogare. Più rapidamente si scarica l’induttanza, maggiore è la corrente erogata e viceversa.
Lo schema elettrico del nostro circuito è la trasposizione dei concetti appena esposti e in esso l’integrato AP63205 (siglato U1) lavora nella classica configurazione che vede l’induttanza L1 alimentata e scaricata ciclicamente (fate riferimento allo schema a blocchi in Fig. 2 per vedere come è strutturato) attraverso lo stadio a MOSFET a simmetria complementare facente capo al piedino SW e retroazionato mediante il condensatore C3, che porta il segnale di commutazione sul piedino FB (feedback).
Gli impulsi di corrente che l’induttanza fornisce quando viene scaricata attraverso il MOSFET low-side caricano la coppia di condensatori C2-C4, che, come vedete, non è formata da elettrolitici, bensì da elementi di piccola capacità, in virtù dell’elevatissima frequenza di commutazione in gioco e della loro efficienza. La tensione di uscita si preleva direttamente ai capi di detti condensatori, mentre quella di ingresso del regolatore è applicata al piedino Vin e al piedino EN: quest’ultimo, se portato a massa, permetterebbe di mantenere spento lo switching pur essendo alimentato, ma nel nostro caso lo manteniamo al potenziale di alimentazione perché desideriamo un regolatore che funzioni sempre, come quelli della serie 78xx che è destinato a sostituire.
Il prototipo montato a confronto con un regolatore 78XX.
La tensione di ingresso viene applicata al contatto Vin rispetto a quello di massa (GND) e viene filtrata dal condensatore C1, mentre quella di uscita è disponibile al contatto Vout, sempre riferita a GND. Guardando il layout del circuito stampato, vedrete che le piazzole corrispondenti sono disposte in linea, con un passo di 2,54 mm, esattamente come i piedini dei regolatori di tensione della serie 78xx.
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