Quando si seleziona un regolatore switching, l'efficienza è il criterio più critico. I moderni dispositivi compatti devono raggiungere un'erogazione di potenza affidabile in un ingombro ridotto. La capacità di generare tensioni stabili fornendo al contempo una corrente sostanziale è un requisito fondamentale nella progettazione di componenti elettronici. I regolatori di commutazione sono dispositivi essenziali per generare tensioni di alimentazione stabili e per aumentare o diminuire le tensioni. I regolatori switching sono noti con vari nomi: convertitori o switch, alimentatori switching (SMPS) e regolatori o convertitori DC/DC. La loro popolarità continua a crescere grazie a vantaggi quali il rispetto dei requisiti di efficienza di conversione ad alta potenza, la flessibilità nel ricavare output stabili da una singola sorgente di tensione di ingresso e l'adattabilità a configurazioni multi-output con polarità variabili. I tipi più comuni di convertitori switching includono:

Tipo di potenziamento:Aumenta la tensione di ingresso e fornisce un'uscita regolata.

Tipo di dollaro:Riduce la tensione di ingresso e fornisce un'uscita regolata.

Buck Boost:Aumenta o diminuisce la tensione di ingresso, con polarità negativa opzionale.

Tipo di flyback:Una variante buck-boost che fornisce isolamento elettrico.

Regolatori di tensione lineare a tensione costante e regolabile

Per anni, la progettazione degli alimentatori si è basata su regolatori lineari. I regolatori lineari sono eccellenti nel fornire tensioni di uscita continue e fisse. Inoltre, altri regolatori lineari (ad esempio, LM317) offrono la possibilità di regolazione. I tipi comuni di regolatori di tensione di uscita costanti e lineari includono la serie 78xx (uscita positiva) e la serie 79xx (uscita negativa). Questi regolatori forniscono uscite stabili che vanno da 5 V a 24 V. I regolatori lineari non sono alimentatori switching. I loro vantaggi includono semplicità, basso costo, basso rumore e bassa ondulazione. Tuttavia, la loro potenza di uscita è in genere inferiore a 10 W e la loro efficienza è spesso bassa, il che porta alla generazione di calore. I regolatori lineari possono eseguire solo una regolazione step-down, mentre SMPS può utilizzare topologie buck, boost o buck-boost per aumentare, diminuire o invertire le polarità delle tensioni.

Sistemi di alimentazione switching

La maggior parte dei televisori moderni, dei personal computer, dei driver per motori DC e degli amplificatori di potenza richiedono dispositivi SMPS avanzati e ad alta efficienza. Questi dispositivi utilizzano la tecnologia di commutazione a semiconduttore anziché i metodi lineari convenzionali per fornire tensioni di uscita. Un convertitore di commutazione di base è costituito da uno stadio di commutazione di potenza e da un circuito di controllo. L'SMPS offre una minore dissipazione di potenza e una maggiore efficienza facendo funzionare i transistor interni (o MOSFET di potenza) in stati di saturazione "ON" e di interruzione "OFF".

Regolatori di commutazione Buck

La serie LM2596x da SLKOR Semiconductor fornisce convertitori buck DC/DC ad alta efficienza, rendendoli una soluzione compatta per applicazioni che richiedono una conversione di potenza efficiente, come progetti automobilistici e industriali. LM2596x integra un oscillatore a frequenza fissa e un modulo di compensazione della frequenza.

La semplicità del suo design richiede componenti esterni minimi. Il chip è inoltre dotato di abilitazione integrata con isteresi, protezione da sovratemperatura, protezione da sovracorrente e protezione da sovracorrente secondaria. Durante gli eventi di sovracorrente secondaria, il chip riduce la frequenza operativa da 150 kHz a 50 kHz. Un esempio è il regolatore di commutazione buck LM2596S-ADJ (Figura 1).

Figura 1: LM2596S-ADJ Il regolatore di commutazione buck fornisce una tensione di uscita stabile. (Credito immagine: SLKOR Semiconduttore)

Il regolatore di commutazione buck LM2596SX-12 (Figura 2) è un convertitore DC/DC PWM a frequenza fissa da 150 kHz. Offre una capacità di pilotaggio della corrente di uscita di 3 A con elevata efficienza, bassa ondulazione e un'eccellente regolazione di linea/carico. Utilizzando la modulazione PWM, il chip supporta un intervallo di ciclo di lavoro lineare dello 0-100%.

Questo dispositivo non solo fornisce un'eccellente risposta transitoria, ma occupa anche un'area minima del PCB. Il suo package compatto e l'elevata densità di potenza lo rendono ideale per display LCD, TV, cornici digitali, decoder, modem, dispositivi di telecomunicazione e apparecchiature di rete.

Figura 2: LM2596SX-12 Il regolatore di commutazione buck soddisfa i requisiti di bassa tensione. (Credito immagine: SLKOR Semiconduttore)

Regolatori di commutazione Boost

SL2733 è un convertitore boost DC/DC progettato per fornire una corrente costante precisa per pilotare più LED. Con una frequenza di commutazione fissa di 1 MHz, SL2733 può essere abbinato a piccoli condensatori ceramici esterni e induttori. La corrente di uscita è regolabile tramite una resistenza esterna (R1), consentendo al dispositivo di pilotare più LED in serie. SL2733 è adatto per pilotare LED identici, supportando fino a nove LED bianchi in serie o una tensione di pilotaggio massima di 32 V. La luminosità dei LED può essere regolata tramite una tensione DC, un segnale logico o un segnale di modulazione di larghezza di impulso (PWM). Il pin di spegnimento (SHDW) consente al dispositivo di funzionare in una modalità di spegnimento a bassa corrente di riposo. Oltre alla protezione termica e alla limitazione della corrente di sovraccarico, il chip entra in una modalità di potenza ultra bassa durante i guasti a circuito aperto dei LED. È alloggiato in un package SOT23-5 compatto.

Più piccolo è meglio

Usando il SL2188 Riduce il numero di componenti esterni. Questo dispositivo supporta componenti esterni compatti, mentre la funzione soft-start riduce al minimo la corrente di spunto. Gestisce un'ampia gamma di carichi di corrente e integra un MOSFET di potenza in grado di supportare correnti di commutazione di picco superiori a 1 A, con una tensione di uscita fino a 3.6 V. Questo design versatile, potente e compatto è ideale per i prodotti con batterie al litio a cella singola, compresi i sistemi di batterie alcaline, NiMH o NiCd a due e tre celle. Convertitori di potenza come il SL2188 sono ideali per periferiche wireless, accessori per giochi, dispositivi medici personali e lettori multimediali portatili. I rapidi progressi tecnologici continuano a spingere verso fattori di forma più piccoli. Rispetto a SOP-J8, l'SL23 in package SOT2188 riduce significativamente l'area PCB richiesta.

Figura 3: Man mano che i progetti dei componenti si riducono, i pacchetti miniaturizzati (ad esempio, SOT23) diventano essenziali. (Credito immagine: SLKOR Semiconduttore)

Massimizzazione dell'efficienza riducendo il consumo energetico

La domanda di miniaturizzazione rimane una forza trainante, insieme alla necessità di mantenere affidabilità ed efficienza energetica. Il regolatore di commutazione buck SY8120B (Figura 4) offre un design compatto con uscita regolabile e erogazione di potenza affidabile.

Figura 4: SY8120B è un regolatore di commutazione buck che fornisce potenza in modo affidabile in un design più piccolo e compatto. (Credito immagine: SLKOR Semiconduttore)

Qualcuno potrebbe supporre che la miniaturizzazione sacrifichi la capacità di carico o l'affidabilità dell'erogazione di energia, ma non è così. Il SY8120B raggiunge un'elevata efficienza di conversione riducendo al contempo il consumo di energia (Figura 5). Fornendo una bassa corrente di standby, i dispositivi alimentati a batteria riducono al minimo il consumo di energia in stato di inattività. Inoltre, il controllo costante del tempo di accensione consente un funzionamento efficiente con carichi leggeri.

 
Figura 5: I progettisti cercano convertitori buck CC/CC ad alta efficienza che forniscano energia in modo affidabile. (Credito immagine: SLKOR Semiconduttore)

Convertitori flyback per applicazioni AC/DC e DC/DC

Un convertitore flyback è una topologia buck-boost che incorpora un trasformatore flyback. È adatto sia per la conversione AC/DC che DC/DC, fornendo isolamento elettrico tra ingresso e uscita. Offre inoltre vantaggi di moltiplicazione del rapporto di tensione e isolamento. I convertitori di potenza isolati impiegano due schemi di controllo: controllo in modalità tensione e controllo in modalità corrente. Per un funzionamento stabile, il controllo in modalità corrente è in genere preferito.

Convertitori DC/DC Buck-Boost

Un convertitore buck-boost è un classico convertitore DC/DC la cui magnitudine della tensione di uscita può essere superiore o inferiore alla tensione di ingresso. Può anche generare tensioni negative. Simile a un convertitore flyback, utilizza un singolo induttore anziché un trasformatore. Nello specifico, il convertitore buck-boost comprende due topologie distinte in grado di generare tensioni di uscita che vanno da sopra la tensione di ingresso fino a zero. Gli alimentatori DC/DC, a volte chiamati "chopper", includono un circuito buck-boost che funziona come convertitore boost o buck a seconda del ciclo di lavoro.

Conclusione

La conversione di potenza ad alta efficienza nei moderni progetti automobilistici e industriali si basa sui regolatori switching. Poiché i progetti diventano sempre più compatti, la domanda di dispositivi versatili e ad alta efficienza in grado di mantenere livelli di potenza stabili non è mai stata così elevata. Sebbene i regolatori switching possano essere indicati con vari nomi (SMPS, regolatori switching DC/DC, convertitori o regolatori),SLKOR offre un'ampia gamma di soluzioni compatte per applicazioni che richiedono una conversione efficiente della potenza.

I regolatori switching hanno un valore significativo nella progettazione di sistemi elettronici, fornendo una conversione di potenza stabile ed efficiente con miniaturizzazione e multifunzionalità. Sono ampiamente adottati in numerosi campi. Attraverso questo articolo, abbiamo acquisito una comprensione più approfondita dei concetti fondamentali e dei tipi di regolatori switching, delle differenze tra regolatori lineari e SMPS e SLKORProdotti regolatori di commutazione ad alta efficienza e relative applicazioni. 

Quali sono le tue esperienze o domande in merito alla progettazione e alle applicazioni dei regolatori di commutazione? Condividi i tuoi pensieri nei commenti!