Scegliere con cura la topologia del vostro convertitore AC-DC

Quando i progettisti di sistemi di alimentazione iniziano a progettare un nuovo convertitore di alimentazione AC/DC sono confrontati immediatamente all'importante scelta della topologia. In linea di massima, almeno sette diverse topologie sono supportate dai fornitori di controllori di potenza del circuito integrato. Ognuno ha una diversa serie di vantaggi e inconvenienti. Qual è quindi il miglior modo di scegliere la topologia per qualsiasi applicazione?

Quest’articolo fornisce le linee guida per aiutare a restringere la gamma di topologie selezionate per una valutazione dettagliata. Utilizzando linee guida come queste, i progettisti scopriranno che sono in grado di ottimizzare la loro ricerca e fare una scelta più efficace della topologia, sin dall'inizio di un nuovo progetto.

Tuttavia, come riconoscerà qualsiasi power designer esperto, la storia è costellata di esempi di progetti falliti o in ritardo, a causa di decisioni prese all'inizio del progetto. Prima di introdurre la guida alle prassi migliori della valutazione della topologia, vale la pena capire prima i fattori che mettono a repentaglio i progetti di convertitori AC/DC fin dalle prime fasi.

Le cause degli errori di valutazione della topologia

Nell’esperienza di quest’autore, le cause più comuni dell'insuccesso di un progetto di convertitori AC/DC risiedono o negli errori tecnici di valutazione o nel comportamento umano.

Per quanto riguarda le cause tecniche, i progettisti inesperti sono inclini a utilizzare un’approssimativa regola generale basata sul carico di potenza massima che il convertitore deve supportare. La potenza nominale è ovviamente un parametro importante, ma non è assolutamente il solo a essere influenzato dalla scelta della topologia.

La dimensione e il peso del sistema, il suo costo, l’efficienza energetica, il rendimento termico, la complessità e le interferenze elettromagnetiche sono tutti fattori che un progettista può ottimizzare per la giusta topologia. Bisogna inoltre riconoscere che questi fattori sono interdipendenti. Ad esempio, una complessa topologia di commutazione a tensione zero (ZVS) produrrà effetti di interferenze elettromagnetiche molto meno gravi rispetto a un più semplice schema hard-switched. Le scelte effettuate all’inizio di un progetto dovrebbero riflettere non solo le specifiche tecniche del design di un prodotto, ma anche le capacità del team di sviluppo e il tempo di progettazione disponibile. Un team di sviluppo con una profonda esperienza nell’attenuazione di interferenze elettromagnetiche e nella conformità di queste, ad esempio, potrebbe essere lieto di impiegare una topologia hard switched al posto della complessa ZVS alternativa.

L’altro fattore che in pratica compromette la buona selezione della topologia è la natura umana. È comune, e fin troppo comprensibile, affrettare la scelta iniziale della topologia per progredire più rapidamente verso lo sviluppo dell’hardware. Questo spesso perché un manager può vedere (e potenzialmente essere colpito da) un prototipo funzionante: è un segno visibile dello stato di avanzamento del progetto. La verità è, inoltre, che progettare circuiti e costruire pannelli è più divertente e interessante che effettuare ricerche sulle topologie.

Un altro fallimento umano comune tra i progetti di sistemi di alimentazione che affligge gli ingegneri è la preferenza per le soluzioni individuali dei problemi tecnici piuttosto che le attività di collaborazione e di lavoro di squadra. Una scelta di topologia richiede solitamente un’attenta ponderazione dei vari benefici e rischi a livello di sistema. Ad esempio, una decisione che riduce il costo di distinta base (Diba), ma aumenta la dimensione e il peso di un convertitore, potrebbe influire sugli accordi logistici e aumentare i costi di spedizione per il prodotto finale nel suo complesso, fattori che vanno ben oltre l’organo di gestione del dipartimento di ingegneria. Una visione olistica di tutti i costi dell’intero ciclo di vita del prodotto può aiutare l'ingegnere progettista a compiere scelte migliori e più consapevoli dei componenti.

Nel complesso, l’esperienza suggerisce che la mancata presa in considerazione dell’ambiente commerciale in senso lato può causare ritardi nel progetto o perfino la sua cancellazione. 

Evitare errori precoci nei progetti di design

La domanda che sorge dalla discussione precedente è: qual è il modo migliore per evitare questo tipo di errori?

La risposta ovvia è, naturalmente, quella di fare il contrario degli approcci errati:

• Collaborare ampiamente con i colleghi di tutti i reparti per ottenere contributi rilevanti su tutti i fattori influenzati dalla scelta della topologia
• Eseguire una ricerca approfondita in tutte le topologie applicabili, soppesando tutti i fattori influenzati dalla scelta.

Questa seconda raccomandazione può apparire impegnativa perché le scelte di topologia da valutare sono tantissime. In realtà, non è così scoraggiante come potrebbe sembrare a prima vista, poiché per ogni potenza nominale è abitualmente possibile restringere la scelta fino a due o tre topologie adatte.

La tabella 1 intende facilitare questa valutazione di primo livello: essa fornisce un punteggio per ogni topologia su ogni fattore tecnico che dovrebbe essere considerato, dove la migliore topologia ha un punteggio di 5 e la peggiore un punteggio di 1. I punteggi forniscono un’indicazione approssimativa e i progettisti di sistemi di alimentazione esperti potrebbero mettere in discussione un punteggio rispetto a un altro. Complessivamente, tuttavia, la tabella fornisce un’utile guida per orientare il processo di valutazione e per informare la discussione del progettista sui compromessi con i colleghi.

Tabella 1: classifiche di varie topologie di convertitori di potenza AC/DC Nella colonna di correzione del fattore di potenza, CrCM = Modalità di conduzione critica e CCM = Modalità di conduzione continua

Impatto delle nuove opzioni di tecnologia

Al di là della scelta della topologia, c'è un altro elemento importante della ricerca di un progettista prima di avventurarsi nell’implementazione dell’hardware: la scoperta di nuovi componenti o tecnologie che hanno rivoluzionato la scena fin dalla realizzazione dei primi progetti di design.

Oggi, ad esempio, molti progettisti di convertitori AC/DC dovrebbero considerare l’uso dei nuovi componenti di potenza a base di carburo di silicio a banda larga (SiC) o nitruro di gallio (GaN), che supportano una commutazione molto più veloce rispetto agli equivalenti in silicio e possono funzionare ad alte temperature.

Se la priorità del design è quella di ottenere dimensioni e peso ridotti e alta densità di potenza, queste caratteristiche diventano particolarmente interessanti. SiC MOSFET, disponibile oggi in volume di produzione da fornitori come STMicroelectronics, ROHM Semiconductor e Microsemi (attualmente una società Microchip), consente l'utilizzo di condensatori e induttori più piccoli, riducendo le dimensioni del gruppo convertitore completo. L'aumento della temperatura massima di funzionamento dei dispositivi SiC può anche a volte permettere al progettista di eliminare un ventilatore o un dissipatore di calore che sarebbe stato necessario in un progetto che utilizza MOSFET al silicio, anche in un involucro densamente popolato con limitata circolazione dei flussi d'aria di raffreddamento.

I transistor X-Gan GaN a elevata mobilità elettronica (HEMT) di Panasonic offrono vantaggi simili nella scheda di design di riferimento GaNdalf di Future Electronics (vedere la figura 1). Questo design dimostra la topologia totem pole senza ponti nello stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) di un alimentatore AC/DC < 1 kW. L'uso di transistor GaN aiuta il circuito a raggiungere un'alta efficienza, superiore al 99,0% nello stadio PFC.

Figura 1: la scheda di design di riferimento GaNdalf per l'alimentazione AC/DC di Future Electronics

L'altro importante nuovo concetto di prodotto che oggi influisce sulla progettazione dei convertitori AC/DC è l'integrazione del controllore primario e secondario in un unico circuito integrato per i convertitori che forniscono meno di 80 W. Questo approccio è reso possibile da un innovativo controllore di potenza IC di Monolithic Power Systems. MPX2001 fornisce una soluzione completamente integrata per i progetti di convertitori flyback.

Si tratta di un regolatore flyback con controllo primario e secondario integrato, e di un driver di rettifica sincrona con isolamento capacitivo. Utilizzando MPX2001, la complessità del sistema può essere ridotta in quanto non è necessario alcun circuito di retroazione. Ciò ha anche l’effetto di ridurre il costo BoM totale. Allo stesso tempo, un rettificatore sincrono efficace può essere abbinato perfettamente al segnale di pilotaggio del lato primario MOSFET. Con questa funzione, il rettificatore può funzionare in modo sicuro in modalità di conduzione continua, il che aiuta ad aumentare l’efficienza complessiva e procura al design una maggiore flessibilità.

Figura 2: kit di valutazione MPX2001, un piccolo design inteso come dimostrazione di un adattatore di potenza o caricatore di computer o smartphone. (Credito d'immagine: Monolithic Power Systems)

L'alta efficienza dei convertitori AC/DC basati su MPX2001 è dimostrata dal kit di valutazione EVKT-MPX2001-45-PD di Monolithic Power Systems (vedere la figura 2). Questo è un design per un adattatore di alimentazione USB Power Delivery da 45 W destinato a trasferire l'alimentazione tramite un connettore USB di tipo C. Esso supera di gran lunga i requisiti di efficienza del livello VI del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e degli standard europei CoC Tier 2 Il consumo energetico in assenza di carico è < 0,075 W.

Combinando le migliori tecnologie dei componenti, la considerazione completa dei vantaggi e degli svantaggi contrastanti della topologia di ogni convertitore e la comprensione delle esigenze di altri reparti oltre al laboratorio di ingegneria, i progettisti di sistemi di alimentazione possono dare ai loro progetti le migliori possibilità di raggiungere una conclusione positiva, come anche soddisfare o superare le specifiche di progettazione del prodotto finale.

Di Riccardo Collura.
Northern Europe Power Specialist Field Application Engineer, Future Electronics
www.futureelectronics.com