Regolazione dell'alimentazione

I convertitori di tensione DC-DC sono spesso utilizzati per fornire un'alimentazione di tensione regolata da una fonte di tensione non regolata. Le sorgenti di tensione non regolate possono essere rettificate tensioni di linea che presentano fluttuazioni dovute a variazioni di magnitudo. Gli alimentatori a tensione regolata forniscono una tensione media di uscita CC al livello desiderato (3,3 V, 2,5 V, ecc.), Nonostante le fonti di tensione di ingresso fluttuanti e i carichi di uscita variabili. I fattori da considerare quando si decide su una soluzione di alimentazione a tensione regolata includono:

• Tensioni di ingresso sorgente disponibili
• Grandezze della tensione di uscita di alimentazione desiderata
• Capacità di step-down o step-up tensioni di uscita, o entrambi
• Efficienza del convertitore DC-DC (P_OUT / P_IN)
• Ondulazione della tensione di uscita
• Risposta transitoria del carico di uscita
• Complessità della soluzione (una soluzione IC, numero di componenti passivi, controller e FET esterni)
• Frequenza di commutazione (per regolatori a commutazione)

Le sezioni seguenti descrivono diversi regolatori di tensione.

Regolatori lineari

I regolatori di tensione lineari sono comunemente usati per applicazioni step-down (la tensione di alimentazione in uscita è inferiore alla tensione della sorgente di ingresso). I regolatori lineari sono disponibili anche con una tensione di uscita fissa o una tensione di uscita variabile quando si utilizzano resistori di polarizzazione esterni.

Il vantaggio dei regolatori lineari è la semplice implementazione e le parti minime (solo l'IC nel caso di uscita fissa) e la bassa ondulazione di uscita. Il principale svantaggio dei regolatori lineari è la bassa efficienza. La potenza significativa viene dissipata all'interno del circuito integrato del regolatore lineare, poiché il convertitore è costantemente acceso e conduce corrente. I regolatori lineari dovrebbero essere utilizzati quando la differenza tra la tensione della sorgente di ingresso e la tensione di alimentazione in uscita è minima e l'efficienza del convertitore non è un problema.

Regolatori di commutazione

I regolatori di tensione di commutazione sono comunemente utilizzati sia per applicazioni step-up che step-down e si differenziano dai regolatori lineari per l'implementazione della modulazione della larghezza di impulso (PWM). I regolatori di commutazione controllano la tensione di uscita utilizzando un interruttore di corrente (interno o esterno al regolatore IC) con una frequenza costante e un ciclo di lavoro variabile. Le frequenze di commutazione sono generalmente da pochi kHz a poche centinaia di kHz. Il rapporto del ciclo di lavoro dell'interruttore determina quanto e quanto velocemente la tensione di alimentazione in uscita aumenta o diminuisce, a seconda dello stato di carico e della tensione della sorgente di ingresso. Alcuni regolatori di commutazione utilizzano sia la frequenza di commutazione variabile che il ciclo di lavoro, ma questi non sono comunemente usati per le applicazioni FPGA / CPLD.

Il chiaro vantaggio dei regolatori di commutazione è l'efficienza, poiché la potenza minima viene dissipata nel percorso di alimentazione (interruttori FET) quando la tensione di alimentazione in uscita è sufficiente per lo stato di carico. In sostanza, il convertitore di potenza "si spegne" quando l'alimentazione non è necessaria, a causa del ciclo di lavoro minimo dell'interruttore. Lo svantaggio dei regolatori di commutazione è la complessità, poiché a bordo sono necessari diversi componenti passivi esterni. Nel caso di applicazioni ad alta corrente, sono necessari circuiti integrati FET esterni in quanto il convertitore IC funge solo da logica di controllo per l'interruttore FET esterno. L'ondulazione della tensione di uscita è un altro svantaggio, che viene generalmente gestito con capacità di bypass vicino all'alimentazione e al carico.

Convertitore Buck

I convertitori di tensione buck, o step-down, producono una tensione di uscita media inferiore alla tensione della sorgente di ingresso. Nella Figura 1 viene illustrata una topologia buck di base che utilizza componenti ideali. L'induttore funge da sorgente di corrente per l'impedenza del carico di uscita. Quando l'interruttore FET è acceso, la corrente dell'induttore aumenta, inducendo una caduta di tensione positiva attraverso l'induttore e una tensione di alimentazione in uscita inferiore in riferimento alla tensione della sorgente di ingresso. Quando l'interruttore FET è spento, la corrente dell'induttore si scarica, inducendo una caduta di tensione negativa attraverso l'induttore. Poiché una porta dell'induttore è legata a terra, l'altra porta avrà un livello di tensione più elevato, che è la tensione di alimentazione di uscita target. La capacità di uscita agisce come un filtro passa-basso, riducendo l'ondulazione della tensione di uscita a causa della corrente fluttuante attraverso l'induttore. Il diodo fornisce un percorso corrente per l'induttore quando l'interruttore FET è spento.

Convertitore buck sincrono

Il convertitore buck sincrono è essenzialmente lo stesso del convertitore buck step-down con la sostituzione del diodo con un altro interruttore FET. L'interruttore FET superiore si comporta allo stesso modo del convertitore buck nella ricarica della corrente dell'induttore. Quando il controllo dell'interruttore è spento, l'interruttore FET inferiore si accende per fornire un percorso corrente per l'induttore durante la scarica. Sebbene richieda più componenti e sequenziamento logico dello switch aggiuntivo, questa topologia migliora l'efficienza con tempi di accensione dello switch più rapidi e una minore resistenza della serie FET (rdson) rispetto al diodo.

Convertitore Boost

I convertitori boost, o step-up, producono una tensione di uscita media superiore alla tensione della sorgente di ingresso. La Figura 3 mostra una variazione della topologia buck, con il diodo, l'interruttore FET e l'induttore scambiati. Quando l'interruttore FET è acceso, il diodo è polarizzato inversamente, isolando quindi il carico dalla tensione della sorgente di ingresso e caricando la corrente dell'induttore. Quando l'interruttore FET è spento, il carico di uscita riceve energia dall'induttore e dalla tensione di alimentazione in ingresso. La corrente dell'induttore inizia a scaricarsi, inducendo una caduta di tensione negativa attraverso l'induttore. Poiché una porta dell'induttore è azionata dalla tensione di alimentazione in ingresso, l'altra porta avrà un livello di tensione più elevato, quindi la funzione boost o step-up. Come con il convertitore buck, il condensatore agisce come un filtro passa-basso, riducendo l'ondulazione della tensione di uscita a causa della corrente fluttuante attraverso l'induttore.

Convertitore Buck-Boost

I convertitori buck-boost possono produrre una tensione di alimentazione in uscita negativa da una tensione sorgente di ingresso positiva (cioè negativa in riferimento alla porta comune/ di terra della tensione della sorgente di ingresso). Simile a un convertitore buck, la topologia sopra ha scambiato il diodo e l'induttore. Quando l'interruttore FET è acceso, il diodo è polarizzato inversamente, caricando la corrente dell'induttore a causa della caduta di tensione positiva attraverso l'induttore. Quando l'interruttore FET è spento, l'induttore fornisce energia al carico di uscita attraverso il nodo comune / terra, scaricando la corrente, che induce una caduta di tensione negativa attraverso l'induttore. Poiché una porta dell'induttore è legata al comune / terra, l'altra porta è a un livello di tensione inferiore rispetto a comune / terra, quindi i livelli di tensione di alimentazione di uscita negativi attraverso il carico di uscita.