Dimensionamento dei componenti del convertitore buck

Se non hai mai lavorato con i convertitori buck a commutazione (buck converter) prima d'ora, o a maggior ragione se non hai mai scelto i componenti di un convertitore a commutazione prima d'ora, all'inizio l'intera faccenda può sembrare un'impresa impossibile.

Un numero enorme di circuiti integrati di commutazione diversi, molte schede tecniche e note applicative, reti di compensazione, calcoli lunghi e altro potrebbero averti scoraggiato. Di conseguenza, potresti aver scelto di utilizzare dei regolatori lineari nel tuo progetto, grazie alla loro semplicità intrinseca.

Dimensionamento dei componenti del convertitore buck

Sebbene i regolatori lineari, come gli LDO, trovino certamente la loro collocazione in molti progetti, come ingegnere del 21° secolo prima o poi dovrai confrontarti con i regolatori di commutazione. Inoltre, i regolatori di i buck converter sono uno strumento incredibilmente utile che ogni ingegnere elettronico dovrebbe avere nella propria cassetta degli attrezzi. Maggiori capacità di gestione dell'alimentazione, efficienza, aumento delle tensioni, riduzione delle tensioni e isolamento, sono solo alcuni dei numerosi vantaggi che i regolatori di commutazione possono apportare ai progetti hardware.

Nel primo articolo di questa serie, vedremo come dimensionare i componenti per il regolatore a commutazione più comune: il convertitore buck. Negli articoli successivi discuteremo di altre topologie (come lo step-up), dell'ulteriore selezione e dimensionamento dei componenti, nonché del layout e del routing del PCB.

Questo articolo fornisce uno schema molto compresso dei passaggi coinvolti. Se desideri seguire più in dettaglio, dai un'occhiata a questo video.

Buck converter design

Il tipo specifico di regolatore di commutazione che esamineremo è chiamato convertitore buck (o convertitore step-down). Come dice il nome stesso, riceve in ingresso una tensione continua e la riduce a una tensione inferiore. Questa è la topologia del regolatore di commutazione più comunemente usata e il suo funzionamento è sorprendentemente semplice.

Sopra viene illustrata la topologia di un convertitore buck. Tieni presente che esistono delle varianti di questa topologia di base.

L'interruttore S è tipicamente un MOSFET. Il controllore mostrato sotto l'interruttore controlla la tensione applicata al gate tramite un apposito gate driver che, spiegato in parole povere, apre e chiude l'interruttore.

Maggiore è la durata per cui l'interruttore è acceso, maggiore è la tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. La rete di uscita (induttore L in combinazione con Cout) può essere vista come un filtro passa basso per ridurre le armoniche di commutazione, nonché come accumulo di energia per quando l'interruttore è spento.

Abbiamo bisogno del diodo rettificatore D per il caso in cui l'interruttore sia aperto e l'energia sia immagazzinata nell'induttore. Senza questo, l'energia immagazzinata non avrebbe un posto dove andare.

Infine, la tensione di uscita viene rilevata dal programmatore tramite una rete di feedback (RFB1 e RFB2) e confrontata con un riferimento interno, consentendo al controller di funzionare con un controllo ad anello chiuso.

Specifiche dei requisiti e selezione del circuito integrato

Il dimensionamento di un regolatore a commutazione è specifico per l'applicazione. Come minimo, è necessario definire questi parametri (con valori di esempio forniti): intervallo di tensione di ingresso, tensione di uscita nominale e corrente massima di uscita (carico).

Date queste informazioni, possiamo selezionare un circuito integrato per convertitore buck adatto utilizzando la ricerca di parti di un distributore tipico. Tieni presente che alcuni circuiti conterranno l'interruttore e il diodo rettificatore, mentre altri potrebbero non includere tali elementi.

Massima corrente di commutazione

Una volta scelto un circuito integrato adatto, dobbiamo calcolare le correnti di picco dell'interruttore, del diodo e dell'induttore. Questi componenti devono essere classificati per questa corrente, come minimo.

Il calcolo della corrente di commutazione massima avviene in quattro fasi. 

1. Determina il ciclo di lavoro D, dato l'ingresso V(In) e la tensione di uscita V(Out), e l'efficienza d.
   D=V(Out)/(V(In)*d) 
2. Calcola la corrente del ripple dell'induttore I(L,Ripple) utilizzando un valore di induttanza medio L e la frequenza di commutazione f(SW) fornita nella scheda tecnica.
   I(L,Ripple)=(V(In)-V(Out))*D/(f(SW)*L)
3. Verifica se il circuito integrato per il buck scelto è in grado di fornire la corrente di uscita massima richiesta.
4. Infine, calcola la corrente di picco.
   I(SW,max)=I(Load)+0,5*I(L,Ripple)

Selezione dell'induttore

La scelta di un valore di induttanza appropriato è uno degli aspetti chiave della progettazione del convertitore buck o del convertitore step down. Dovremmo progettare tenendo a mente il caso peggiore, cioè la più piccola corrente di carico media prevista, che a sua volta si traduce nell'induttore più grande. Questo migliorerà l'efficienza complessiva del nostro regolatore.

Dati tutti i parametri di progettazione noti, l'induttanza minima richiesta è:

L(min)=V(out)*(V(in)-V(out))/(k*I(Load)*f(SW)*V(In))

k è un fattore tipicamente compreso tra 0,2 e 0,4. Assicurati di utilizzare la tensione di ingresso massima prevista per V(In).

Condensatori di ingresso e uscita

Calcolare il valore della capacità di ingresso e di uscita necessaria non è un compito facile. La selezione del condensatore di uscita è in genere la più critica delle due, poiché ha un'influenza diretta sulla stabilità e sull'ondulazione di tensione. Per fortuna, queste informazioni sono in genere fornite nella scheda tecnica.

Assicurati di controllare il dielettrico e la tensione nominale dei condensatori.

Rete di feedback

La rete di feedback, generalmente composta da un potenziale divisore, imposta la tensione di uscita. Il circuito integrato scelto avrà un riferimento di tensione di precisione V(FB) (dato nella scheda tecnica dei circuiti integrati) con cui viene confrontata questa tensione di feedback.

Possiamo quindi scegliere i nostri resistori di feedback che ci forniscono la tensione di uscita desiderata.

V(Uscita)=V(FB)*(1+R(FB1)/R(FB2))

L'ordine di grandezza dei resistori di feedback è in genere compreso tra 10 e 100 kOhm. Assicurati di utilizzare resistori con tolleranza dell'1%. 

Questo articolo ha fornito una breve panoramica dei calcoli tipici necessari per il dimensionamento di un convertitore buck. Guarda il video per ottenere ulteriori informazioni ed osservare un esempio pratico.

Rimani in attesa del prossimo articolo di questa serie, per apprendere le migliori pratiche sul cambio del layout del regolatore con Altium Designer.