In questo capitolo, apprenderai i principi fondamentali della gestione dell'alimentazione, inclusi i tipi di circuiti necessari per diverse applicazioni. Scoprirai anche cos'è un circuito integrato per la gestione dell'alimentazione (PMIC) e perché i versatili PMIC odierni possono sostituire vari tipi di regolatori di tensione.

         
Padroneggiare le conoscenze di base sull'alimentazione elettrica
     

Il tipo di sottosistema di gestione dell'alimentazione CC richiesto da un determinato dispositivo o sistema elettronico dipende dalla fonte di alimentazione del dispositivo o del sistema. Le possibili fonti di alimentazione includono CA, batterie, CC e CC a bassissima potenza (energy harvesting). La stragrande maggioranza dei dispositivi elettronici alimentati a batteria utilizza batterie agli ioni di litio (Li-ion) o ai polimeri di litio (LiPo). Un pacco batterie può contenere diverse celle collegate in serie o in parallelo. La Figura 1-1 mostra alcuni esempi.

Ecco i valori di tensione e corrente per ciascuna configurazione di connessione:

• Cellule del sistemaPuò aumentare la tensione del pacco batterie e incrementare la capacità complessiva del pacco batterie.

• Batterie in paralleloNon può aumentare la tensione del pacco batterie, ma migliorerà la capacità di controllo della corrente e la capacità di corrente dell'intero pacco batterie.

• batterie in serie e in paralleloPuò migliorare simultaneamente le capacità di controllo della tensione e della corrente, nonché la capacità di corrente.

         

In alcune applicazioni alimentate a batteria, i componenti del sistema potrebbero non essere in grado di utilizzare direttamente l'energia della batteria. Questi componenti potrebbero richiedere una tensione inferiore o superiore per funzionare correttamente. Durante i processi di carica e scarica, anche la tensione della batteria varia. Un convertitore DC-DC può essere utilizzato per monitorare questa tensione di ingresso non regolata della batteria e mantenerla stabile. Questi convertitori sono spesso chiamati regolatori di tensione perché possono aumentare, diminuire o regolare la tensione secondo necessità (come mostrato nella Figura 1-2) e quindi fornire la tensione regolata ai sottocomponenti del sistema.

I regolatori DC-DC sono disponibili in versioni isolate e non isolate, a seconda che la massa di ingresso sia collegata o meno alla massa di uscita:

• Convertitore isolatoUtilizzato per isolare le tensioni di ingresso e di uscita, tipicamente tramite trasformatori o trasmissione di potenza capacitiva.

• Convertitore non isolatoEsiste un percorso in corrente continua che collega la massa di ingresso e la massa di uscita, e le connessioni di massa di ingresso e di uscita sono condivise.

         

Classificazione dei regolatori di tensione CC-CC
     

I regolatori di tensione CC si dividono in due categorie in base al metodo di conversione della tensione utilizzato: regolatori lineari e regolatori switching. Questi sono i due tipi principali di regolatori di tensione utilizzati in dispositivi elettronici come fotocamere, telefoni cellulari, dispositivi indossabili e computer. I progettisti sceglieranno il regolatore CC più adatto al loro sistema in base alla tensione di ingresso, alla tensione di uscita e al carico di corrente richiesto.

Regolatore lineare
   

I regolatori lineari convertono la tensione di ingresso (V_IN) si converte in diverse tensioni di uscita (V_OUT), utilizzando un componente lineare (ossia un componente resistivo) per regolare la tensione di uscita V_OUTCaratteristiche generali dei regolatori lineari:

• Dissipare energia elettrica.

• Da utilizzare con linee a bassa corrente e bassa potenza.

• Non è efficiente.

• Per alimentatori a bassa rumorosità.

• Le caratteristiche di bassa ondulazione e basso rumore lo rendono adatto a circuiti integrati analogici sensibili come sensori, anelli ad aggancio di fase, ecc.

Per i regolatori lineari, un tipo importante è il regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO). in V_INe V_OUTQuando la differenza è molto piccola, LDO. Può fornire continuamente una tensione stabile V_OUT.

Regolatore di tensione switching
   

Un regolatore switching converte V tramite un elemento di commutazione_INa una V diversa_OUTe utilizzare induttori e condensatori esterni per stabilizzare la tensione di uscita V_OUTI regolatori switching sono generalmente più efficienti e supportano correnti di uscita più elevate rispetto ai regolatori lineari. Tuttavia, anche dopo il filtraggio, persiste un'ondulazione o un rumore di commutazione dopo la regolazione dell'uscita.

In base alla relazione tra tensione di ingresso e tensione di uscita, i regolatori switching si classificano come segue:

• Regolatore di commutazione Buck: V_OUT sotto V_IN

• Regolatore di commutazione Boost: V_OUT sopra V_IN

• Regolatore di commutazione Buck-Boost: V_OUT Variabile, può essere inferiore, superiore o uguale a V_IN

Quelle sopra elencate sono le quattro topologie di regolatori di tensione comunemente utilizzate dai progettisti: LDO e tre regolatori switching (buck, boost, buck-boost). Nelle sezioni seguenti, introdurremo in dettaglio questi quattro regolatori di tensione.

Regolatore di tensione LDO
   

Un regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO) è un regolatore lineare in corrente continua che regola il livello di tensione di uscita quando la tensione di alimentazione e la tensione di uscita sono molto vicine. Per gli LDO, la caduta di tensione dovrebbe essere la più bassa possibile per minimizzare la dissipazione di potenza e massimizzare l'efficienza del sistema (come mostrato nella Figura 1-3).

         

I regolatori LDO presentano in genere un rapporto di reiezione della tensione di alimentazione (PSRR) più elevato rispetto ai regolatori switching, il che significa che possono generare una tensione di uscita a basso rumore. Gli LDO generalmente non producono ondulazioni e sono molto utili per ridurre il rumore o l'ondulazione della tensione di alimentazione in ingresso. Il basso consumo di corrente in standby degli LDO li rende una soluzione eccellente per applicazioni portatili e wireless.

Convertitore Buck
   

Qui. Dollarosignifica "abbassare" o "indebolire". Il convertitore buck è un regolatore di commutazione ridotto che eroga in modo efficiente una tensione inferiore a V_IN 的V_OUTUn circuito buck contiene un induttore, un transistor a effetto di campo (FET) o un diodo di commutazione, un condensatore e un amplificatore di errore con un circuito di controllo di commutazione (mostrato in Figura 1-4). Il convertitore buck modifica il tempo di accensione di un transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) e quindi alimenta il sensore. I convertitori buck hanno un'elevata efficienza perché il MOSFET è completamente acceso o completamente spento. Tra lo stato acceso e quello spento (impedenza), un convertitore buck non è in funzione, a differenza di un regolatore lineare.

         

Il convertitore buck genera forme d'onda di commutazione in modalità di modulazione di larghezza di impulso (PWM) o in modalità di modulazione di frequenza di impulso (PFM), che vengono poi filtrate utilizzando componenti di filtro esterni induttori e condensatori per produrre una tensione di uscita V uniforme._FUORI.Questo metodo di conversione di tensione è molto efficiente e può prolungare la durata della batteria, ridurre il calore del sistema e ridurre le dimensioni del prodotto.

I convertitori buck sono utilizzati in numerose applicazioni che prelevano energia da porte USB e altre periferiche del computer. Sono impiegati anche in smartphone, tablet, dispositivi mobili e molti altri dispositivi elettronici.

Convertitore boost
   

Potenzia Qui significa "migliorato". Il convertitore boost trasforma V_INsale, producendo V_OUTAd esempio, quando si desidera convertire una tensione di ingresso CC di 3.3 volt in una tensione di uscita di 5.0 volt V_OUTUn convertitore boost sarebbe utile. Questa operazione di boost è comune in molte applicazioni con batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio.

Un circuito boost contiene gli stessi componenti di un circuito buck (induttore, transistor a effetto di campo [FET] o diodo di commutazione, condensatore, amplificatore di errore con circuito di controllo della commutazione) ma presenta connessioni diverse. Il circuito boost funziona anche controllando il tempo di accensione del MOSFET per alimentare l'induttore (come mostrato nella Figura 1-5).

         

Convertitore buck-boost
   

Un convertitore buck-boost è un convertitore a commutazione che combina le funzioni di buck e boost in un unico regolatore. È in grado di gestire un'ampia gamma di tensioni di ingresso e di uscita. Il circuito di controllo regola il tempo di commutazione del MOSFET, riduce o aumenta la tensione di ingresso e genera V secondo necessità._OUT(Come illustrato nella Figura 1-6).

         

Oltre al tipo buck-boost standard mostrato nella Figura 1-6, esistono altri tipi di convertitori buck-boost come Sepic, Cuk e Zeta. Questi convertitori possono regolare V_OUT, rendendolo inferiore, superiore o uguale a V_IN.

Introduzione ai circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione
     

Il PMIC è un circuito integrato utilizzato per la conversione e la stabilizzazione della tensione e per la gestione delle batterie. È in grado di gestire la sequenza di alimentazione del sistema, alimentare diversi carichi e fornire protezione contro sovratensione, sottotensione, sovracorrente, guasti termici e altro ancora.

Un singolo PMIC può gestire più alimentatori esterni, mappando i diversi requisiti di sistema alla tensione di uscita del regolatore appropriata. Possono inoltre essere utilizzati su una varietà di processori, controller di sistema e applicazioni finali semplicemente modificando le impostazioni dei registri o il firmware pertinenti, senza dover riprogettare un nuovo circuito integrato (IC).

Il mercato dei PMIC (Power Management Integrated Circuit) è in rapida crescita grazie a diverse tendenze attuali. Una di queste è la crescente diffusione della mobilità wireless tra i consumatori, che ha generato una forte domanda di dispositivi piccoli e alimentati a batteria, i quali a loro volta richiedono soluzioni di gestione dell'alimentazione più integrate, come illustrato nella Figura 1-7. Questa figura mostra come la soluzione PMIC di Qorvo riduca significativamente il numero di componenti e le dimensioni complessive della soluzione.

         

Al contempo, consumatori e produttori richiedono sempre più prodotti a basso consumo energetico, ecocompatibili e in grado di ridurre le emissioni di carbonio. La tendenza globale verso il "verde" ha incrementato la domanda di prodotti elettronici dotati di un'efficiente gestione dell'energia, rendendo quest'ultima una caratteristica molto importante e apprezzata.

PMIC tutto in uno
     

Un motivo importante per cui i PMIC odierni sono ampiamente utilizzati è la loro capacità di soddisfare molte, se non tutte, le funzioni di regolazione della tensione in un'applicazione (come mostrato nella Figura 1-8). Questi versatili PMIC possono essere personalizzati tramite firmware per diverse applicazioni, eliminando gli elevati costi delle modifiche ai circuiti hardware. Queste caratteristiche consentono di passare agevolmente da un'applicazione all'altra, riducendo così i tempi di immissione sul mercato.

         

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