Alimentazione di schede elettroniche

1. Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in ing. Elettronica Sistemi a microprocessoreLS Alimentazione di schede elettroniche Presentazione di: CHRISTIAN CONFICONI Chiar.mo Prof. Bruno Riccò

2. Organizzazione del lavoro • Introduzione al problema • Classificazione Convertitori DC/DC • Esempi applicazioni alimentate a batteria • Esempi applicazioni alimentate da rete • Conclusioni

3. ALIMENTAZIONE Un Buon alimentatore deve garantire Alto rendimento Isolamento elettrico Bassa distorsione in uscita • Buon sfruttamento sorgente • Poca dissipazione in calore • Stabilizzazione • Filtraggio • Sicurezza • Minor rischio • interferenze EM

4. Convertitori DC/DC Blocchi fondamentali per la regolazione e la stabilizzazione della tensione sia per quel che riguarda sorgenti a batteria, che per la regolazione di tensione parzialmente raddrizzata a partire da quella di rete. Si dividono in due grandi classi Regolatori lineari Convertitori tipo switching • Vantaggi • Rendimento elevato • Facile isolamento • Possibilità di avere • Vout>Vin • Componenti attivi operanti in regione lineare • Caduta di tensione su un elemento resistivo • Sorgente sempre connessa al carico • Componenti attivi usati come switch • Regolazione variando il duty cycle • Sorgente ciclicamente connessa al • carico • Vantaggi • Semplicità, costo, ingombro • Minimizzazione distorsione • Svantaggi • Scarso rendimento • Grande dissipazione in calore • Adatti solo a basse potenze • Svantaggi • Complessità del controllo • Più costosi • Minor larghezza di banda

5. Convertitori Switching • Struttura base • Interruttore • Diodo • Induttore • Filtro uscita Induttore elemento chiave, oltre a limitare le correnti di picco, cede energia se connesso all’uscita, si carica se connesso all’ingresso. • Topologie • Buck • Boost • Flyback Valor medio uscita proporzionale all’ingresso, controllabile agendo su Ton, Toff interruttore Flyback garantisce isolamento, il trasformatore è un componente critico

6. Controllo delle commutazioni Modulatore PWM Calcolo errore Confronto errore con oscillatore a rampa Uscita comparatore pilota il gate dell’interruttore Al variare di Verror varia la larghezza degli impulsi quindi il duty cycle

7. Applicazioni alimentate a batteria • Per schede alimentate da batteria le priorità sono: • Stabilità della tensione regolata • Minimo ingombro • Garanzia longevità batteria Scelte possibili Utilizzati per applicazioni a basso costo, ottimizzazione distorsione e ingombro ma vita batteria più breve Regolatori di tensione lineari Ottimizzazione perdite di potenza e vita batteria, lo switch degli interruttori genera più distorsione in uscita. Convertitori switching senza isolamento Soluzioni di alto livello, integrano entrambi i tipi di convertitori, alte prestazioni ma costi e complessità maggiori. Sistemi di power management

8. Doppio regolatore lineare MAX8865 Schema a blocchi Circuito applicativo di base • Ciascun regolatore è • composto da: • Comparatore • Amplificatore errore • Driver per mos • Mosfet a canale p • Partitore interno Funzionamento Il riferimento è confrontato con l’uscita ripartita sul partitore o con il valore Imposto al pin SET, in base all’errore Il driver pilota il gate del transistore p. • Caratteristiche • Tensione in ingresso da 2.5 a 5.5V • Valore uscita programmabile • Minimo rumore in uscita (350uV) • Circuiti di protezione • Dimensioni package 5x3x0.8mm • Applicazioni • Telefonia mobile • Schede PCMCIA • Strumentazione portabile Protezione • Logica di spegnimento gestita dai pin • SHDN. • Sensore termico, invia segnale alla • logica se T>170°C • Protezione da montaggio batteria errato

9. Convertitore di tipo switching MAX8506 Convertitore in discesa ottimizzato per impieghi portatili, garantisce grande efficienza e dimensioni ridotte Schema a blocchi • Caratteristiche • Ingresso da 2.6 a 5.5V • Uscita regolabile da 0.4 a 3.4V • Frequenza di commutazione 1MHz • Mosfet al posto del diodo per migliorare • il rendimento • Regolazione tramite segnale analogico • Possibilità di ridurre frequenza di • switching per ridurre la dissipazione • Possibile bypass del convertitore • Protezione da sovracorrenti • Dimensioni Package 4X4X0.8mm • Applicazioni • Modem wireless • Schede per palmari

10. Sistema di Power management MAX8620 • Caratteristiche buck • Controllo PWM con comparatore • a isteresi • Frequenza commutazione 4MHz • Secondo interuttore mos al posto del • diodo • Valore uscita da 0.6 a 3.3V selezionabile • con partitore esterno • Integrato nato per la gestione dell’ • alimentazione di dispositivi portabili, • comprende: • Un convertitore buck • Due regolatori lineari • Logica di controllo • Applicazioni • PDAs • LAN • DSP Power managment per DSP • Caratteristiche LDO • Uscita programmabile da 1.8 a 3.3V • 45uV di distorsione in uscita • Corrente in uscita di 300mA Schema a blocchi • Logica di controllo • PWR_On pin di on/off • EN per abilitare regolatori • HF_PWR abilitazione temporanea • Reset se out1 scende sotto 87%

11. Applicazioni alimentate dalla rete Se la scheda è alimentata dalla rete, il primo blocco di conversione è sempre realizzato da un trasformatore e un ponte di diodi, poi si effettua una regolazione più fine Vout Vin Trasformatore, Ponte di diodi Blocco di stabilizzazione Scelte possibili Filtraggio con componenti passivi Utilizzo convertitori DC/DC La scelta cade sulla tipologia switching, poiché le potenze in gioco sono più elevate, spesso va anche garantito isolamento Operazione costosa, si deve filtrare alla frequenza di rete, grandi dimensioni componenti passivi. . Spesso non conveniente Topologie flyback o forward

12. Convertitore forward Topologia alternativa al flyback per conversione DC/DC con isolamento, preferibile per medie potenze Trasferimento energia in uscita quando il transistore è acceso Funzionamento standard di tipo discontinuo Avvolgimento di reset per recupero energia del nucleo

13. Integrati per il controllo di convertitori con isolamento Circuito forward Circuito flyback Max5074: Schema semplificato Schema a blocchi • Caratteristiche • Adatto sia per flyback che per forward • Range tensione in ingresso 11-76V • Rendimento>90% • Frequenza di commutazione 500KHz, • anche programmabile • Accensione dolce per evitare picchi di • tensione in uscita • Logica di protezione contro • sovracorrenti e surriscaldamento • Vantaggi • più robusto, nei confronti • di guasti o saturazione trasformatore, • Miglior reiezione ai disturbi • Vantaggi • utilizzato per basse potenze, • non richiede induttore esterno, • più facile progetto schemi a più uscite • Applicazioni • Schede per linee ADSL • Sistemi di telecomunicazione

14. Integrati per il controllo di convertitori con isolamento NCP1000 Schema a blocchi Schema circuitale dettagliato • Caratteristiche • Tensione in ingresso fino 240V • Frequenza di oscillazione 100KHz • Feedback in tensione grazie a • fotoaccoppiatore • Circuito interno di accensione • Sfruttamento avvolgimento ausiliario per • alimentare i circuiti di conversione • Logica di protezione da surriscaldamento • spegnimento se T>140°C • Sistema UVLO Esempio convertitore AC/DC Applicazioni Integrato pensato per topologia flyback, alimentazione a basso costo per schede in ambito consumer

15. Conclusioni • Problema alimentazione non banale bisogna soddisfare: • Specifiche comuni alle diverse applicazioni • Priorità particolari dipendenti dall’impiego della scheda • Si sono considerati schemi per basse • o medie potenze • I convertitori a commutazione stanno erodendo il campo • di quelli lineari • Circuiti complessi, includono sempre più • logica aggiuntiva di controllo e protezione