Ponte Raddrizzatore Ideale

Introduzione

Negli ultimi decenni, aumentare l'efficienza energetica è diventata una sfida chiave nel design elettronico, in particolare nel campo dei dispositivi alimentati a batteria e delle alimentazioni. Sebbene comunemente impiegati, i metodi tradizionali di rettificazione della tensione e la protezione dalla polarità inversa sono tutt'altro che ideali a causa delle significative perdite di potenza, che aumentano le esigenze termiche e impongono vincoli di progettazione.

Questo articolo si concentra su un approccio innovativo a questa questione, ovvero l'uso dei MOSFET come diodi rettificatori sostitutivi. Questi transistor, utilizzati come diodi ideali, offrono riduzioni significative nelle perdite di potenza ed eliminano la necessità di sistemi di raffreddamento complessi e costosi. Nella prima parte, ci concentreremo sull'uso dei MOSFET al posto dei diodi nei circuiti di ingresso mirati a proteggere i sistemi dalla polarità inversa. Nella seconda parte, analizzeremo anche come ulteriori avanzamenti nelle tecniche di controllo dei MOSFET possano rivoluzionare il design dell'alimentazione, portando a sistemi con un'efficienza energetica ancora maggiore e dimensioni ridotte.

Approccio Classico alla Protezione dalla Polarità Inversa

Fin dall'inizio dello sviluppo di dispositivi mobili alimentati a batteria, una sfida per i progettisti è stata garantire una protezione efficace contro la polarità inversa minimizzando al contempo la perdita di potenza. L'approccio classico alla protezione dalla polarità inversa prevede l'uso di un diodo rettificatore in serie con l'alimentazione come presentato nella Figura 1. Questi diodi, posizionati nel circuito di alimentazione, permettono la corrente di fluire in un'unica direzione, prevenendo così danni al dispositivo causati dalla polarità inversa. Il primo passo verso l'ottimizzazione, migliorando l'efficienza di circa il 50%, ha coinvolto la sostituzione del diodo rettificatore con un diodo Schottky, che ha ridotto la caduta di tensione da 0,6-0,7V a circa 0,3-0,4V. Sebbene questo sia un metodo comunemente utilizzato, presenta dei limiti, come le cadute di tensione e le perdite di potenza. Nonostante lo sviluppo di diodi specializzati per applicazioni a batteria con una caduta di tensione di 250-300mV (a correnti basse), la soluzione classica è ancora lontana dall'essere ottimale.

Figura 1: Protezione Classica dalla Polarità Inversa

L'approccio presentato nella Figura 1 è stato accettabile per molto tempo nei dispositivi alimentati a batteria ad alta efficienza energetica, con le perdite di potenza che in qualche modo venivano "incluse nei costi" di tali dispositivi. Tuttavia, questa soluzione era completamente inadatta per dispositivi più esigenti in termini di potenza. Esempi di tali dispositivi includono vari equipaggiamenti automobilistici progettati per l'auto-installazione, come le radio CB, i sistemi audio per auto e i sistemi multimediali. In questi casi, era comune utilizzare un diodo di ingresso in parallelo con il ricevitore alimentato, come mostrato nella Figura 2. Sfortunatamente, questa configurazione non forniva una protezione al 100% contro i danni al circuito in caso di polarità errata.

Figura 2: Protezione da polarità inversa utilizzata in dispositivi ad alta corrente

Protezione da Polarità Inversa Utilizzando un Transistor MOSFET

Con la popolarizzazione e la disponibilità dei transistor MOSFET, è emersa una soluzione efficace sotto forma di un MOSFET utilizzato in una configurazione a diodo, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: MOSFET come protezione da polarità inversa:

A) Utilizzando un MOSFET a canale P B) Utilizzando un MOSFET a canale N

La configurazione del diodo ideale fornisce una bassa caduta di tensione, determinata dal valore RDS(ON) del transistor e dalla corrente di carico. Ad esempio, con una corrente di 1 A e RDS(ON)=10 mΩ, la caduta di tensione attraverso il transistor è solo di 10 mV. Questo valore è trascurabile rispetto alla caduta di tensione attraverso un diodo regolare (600 mV) o un diodo Schottky (350 mV).

La configurazione mostrata nella Figura 3, utilizzando un transistor MOSFET, presenta uno svantaggio che non è significativo dal punto di vista della protezione dalla polarità inversa dei dispositivi, ma rende impossibile definire la configurazione sopra menzionata come un diodo ideale. Se sul lato del carico appare una tensione che può aprire il MOSFET, allora apparirà una tensione all'ingresso. Pertanto, quando si utilizza una batteria o grandi capacità sul lato del carico (come mostrato nella Figura 4), è necessario un circuito aggiuntivo o un driver dedicato disponibile sul mercato.

Figura 4: Il circuito smette di funzionare quando sul lato del carico appare una grande capacità o una tensione che può aprire il transistor

Sul mercato, possiamo trovare molte soluzioni pronte all'uso che agiscono come controllori per diodi ideali, come:

• DZDH0401DW di Diodes Incorporated fornisce lo spegnimento del MOSFET con una differenza di tensione tra ingresso e carico di circa 34mV.
• MAX16171 di Maxim Integrated è un controllore di diodo ideale avanzato che include la protezione da corrente inversa.
• LM66100 di Texas Instruments è un diodo ideale completo con un MOSFET integrato, offrendo una soluzione pronta all'uso per sistemi alimentati da una fornitura di 5V.

Conclusione

I metodi tradizionali di protezione da polarità inversa hanno svolto il loro compito, l'uso dei MOSFET presenta un'alternativa più efficiente ed efficace, aprendo la strada a progressi nella progettazione dell'alimentazione e nell'efficienza energetica. Per la protezione classica da polarità inversa, come nei dispositivi alimentati a batteria o quelli alimentati da una fonte esterna, un circuito semplice che utilizza un singolo transistor MOSFET è sufficiente. Tuttavia, per aumentare l'affidabilità e per mantenere le proprietà di un diodo posto all'ingresso, è necessario utilizzare circuiti più avanzati disponibili sul mercato da molti produttori a prezzi molto bassi.