Cos'è un regolatore di tensione a commutazione?

I regolatori a commutazione sono un circuito essenziale per generare in modo efficiente tensioni di alimentazione stabili e per convertire le tensioni verso l'alto o verso il basso.

Generare tensioni stabili in grado di pilotare quantità significative di corrente è uno dei compiti fondamentali della progettazione elettronica. Un modello base per un circuito elettronico a bassa tensione è più o meno questo:

1. Una tensione con ampia capacità di pilotaggio della corrente viene fornita come uno degli ingressi primari al sistema.
2. Questa tensione di ingresso, che può essere troppo elevata o troppo variabile per l'uso diretto nel circuito, viene convertita in una o più tensioni di alimentazione regolate le cui grandezze corrispondono alle specifiche dei componenti alimentati.
3. Questi componenti (microcontrollori, amplificatori operazionali, ecc.) utilizzano le tensioni di alimentazione regolate per eseguire la funzionalità richiesta dal circuito.

Esistono vari modi per raggiungere questo obiettivo. Quando ho iniziato a progettare circuiti, ho utilizzato regolatori di tensione lineari, come il venerabile 7805, quando possibile. Al giorno d'oggi, tuttavia, è impossibile negare che i regolatori a commutazione siano spesso il metodo migliore e, secondo la mia esperienza, lo sono generalmente il metodo superiore.

In questo articolo discuteremo la nomenclatura ed esploreremo i principi di base della regolamentazione del cambio.

Terminologia dei regolatori di commutazione

"Regolatore a commutazione (di tensione)" è forse il termine più comune e riconoscibile per denotare questa classe di circuiti. Tuttavia, vedrai anche varie combinazioni dei seguenti termini:

• Alimentatore a commutazione (SMPS)
• Commutatore o interruttore
• Convertitore o regolatore
• DC / DC

In realtà preferisco il "regolatore a commutazione" o "alimentatore a commutazione", perché la "modalità a commutazione" trasmette con maggiore successo la natura di questi circuiti: la commutazione è il modo con cui svolgono il loro compito di regolare o convertire la tensione.

Tutti questi termini soffrono di un'ambiguità che raramente causa problemi ma che vale comunque la pena notare: "regolatore a commutazione" o "alimentatore a commutazione" potrebbero, in teoria, riferirsi a un circuito che genera una linea di alimentazione utilizzando interruttori insieme a un induttore o a condensatore.

Alimentatori a commutazione basati su induttore e su condensatore

In pratica, tuttavia, i termini sopra menzionati sono riservati agli switcher basati su induttori. La Figura 1 è un esempio di un regolatore della modalità di commutazione basato su induttore. La stragrande maggioranza degli alimentatori a commutazione sono basati su induttori. Questi saranno l’obiettivo principale di questo articolo.

Immagine 1. Topologia di base di un alimentatore switching basato su induttori. Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di Wikimedia Commons

I commutatori basati su condensatori, come il circuito di esempio della Figura 2, sono generalmente chiamati alimentatori a "pompa di carica" ​​o alimentatori a "condensatore commutato". Le Figure 1 e 2 sono entrambi esempi di circuiti che producono una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso.

Immagine 2. Topologia di base di un alimentatore switching basato su condensatori. 

Regolazione della tensione lineare

Pensiamo ora a un regolatore lineare, come illustrato nella Figura 3. I regolatori lineari possono solo ridurre la tensione, quindi sappiamo che la tensione di ingresso è superiore alla tensione di uscita.

Immagine 3. Schema a blocchi della regolazione lineare della tensione. Immagine dell'autore

Un regolatore lineare richiede una piccola quantità di corrente per funzionare; questa è chiamata corrente di terra. La corrente di terra è spesso trascurabile, quindi ignoriamola e assumiamo che la corrente che fluisce nel regolatore sia uguale alla corrente che fluisce dal regolatore e nel circuito di carico alimentato.

Ora pensiamo al potere. Calcoliamo la potenza elettrica come tensione per corrente e poiché l'uscita ha uguale corrente ma tensione più bassa rispetto all'ingresso, la potenza deve essere persa da qualche parte. Puoi anche immaginare che il regolatore lineare sia un semplice elemento resistivo con una caduta di tensione:

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

In questo caso, la potenza dissipata del regolatore lineare, P_REG è:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

Uno dei componenti di un regolatore lineare è, infatti, un interruttore, non un interruttore elettromeccanico, ma un transistor in grado di funzionare come un interruttore puramente elettrico. Tuttavia, non chiamiamo un regolatore lineare un regolatore a commutazione perché l'interruttore non si accende e non si spegne; invece, l'interruttore funziona in uno stato intermedio in cui presenta una resistenza significativa, e questa resistenza dissipa potenza e consente una riduzione della tensione.

La regolazione lineare è semplice ed estremamente efficace, ma è inefficiente. L'interruttore funziona in uno stato intermedio e resistivo e dissipa quantità potenzialmente elevate di energia sotto forma di calore. A meno che tu non voglia che il tuo regolatore funzioni come regolatore ed una stufa elettrica, questa energia viene sprecata.

Regolazione della tensione in modalità switch

Questo ci porta al concetto di regolatore a commutazione. Se riusciamo a mantenere l’interruttore completamente acceso o completamente spento – in altre parole, se possiamo evitare quella regione intermedia ad alta dissipazione di potenza – possiamo creare un regolatore molto più efficiente. Ma la nostra discussione sul regolatore lineare suggerisce che la potenza sprecata è necessaria per ridurre la tensione. Cosa fare?

È qui che entra in gioco l'induttore. Un induttore immagazzina e rilascia energia in modo tale che la corrente che lo attraversa non possa cambiare istantaneamente. L'azione di commutazione on/off porta a una corrente nell'induttore che aumenta e diminuisce gradualmente. Quando un induttore è combinato con un condensatore, il filtro LC risultante può uniformare una forma d'onda on/off in una tensione relativamente stabile. L'entità della tensione livellata è determinata dal ciclo di lavoro della forma d'onda on/off.

Ad esempio, diamo un'occhiata alla Figura 4. Dopo il filtraggio, diversi cicli di lavoro (in questo esempio, 10%, 50% e 90%) corrispondono a diversi livelli di tensione CC (indicati dalle curve rosse). Questi livelli di tensione CC non sono perfettamente piatti perché dopo il filtraggio rimane qualche ondulazione.

Immagine 4. Livelli di tensione CC in funzione del ciclo di lavoro PWM. Immagine dell'autore

Pertanto, possiamo accendere e spegnere l'interruttore ad alta frequenza e quindi utilizzare la modulazione e il filtraggio dell'ampiezza dell'impulso per creare la tensione di uscita CC desiderata. Possiamo anche monitorare un segnale di feedback e regolare il ciclo di lavoro PWM in base alle condizioni di carico. Questa è la modalità operativa di base nei circuiti dei regolatori a commutazione: filtraggio induttivo per fornire corrente di carico costante nonostante l'azione di commutazione on/off; feedback e PWM per la regolazione della tensione.

Anche se l'interruttore funziona ad alta frequenza, trascorre la maggior parte del tempo negli stati a bassa dissipazione di potenza (ovvero negli stati completamente acceso e completamente spento). Questo è il motivo per cui i regolatori a commutazione possono essere molto più efficienti dei regolatori lineari.

Naturalmente ci sono molti dettagli e variazioni che non ho menzionato, ma se capisci tutto questo, avrai una solida base per ulteriori studi.

Esempio di circuito regolatore di tensione a commutazione: il convertitore buck

La Figura 5 mostra la topologia di base di un convertitore buck, noto anche come convertitore step-down. Utilizza il funzionamento in modalità commutazione per ridurre l'entità della tensione di ingresso CC. (Si noti che, in senso stretto, questo non è un regolatore di tensione poiché non include il sottosistema di feedback necessario per mantenere una tensione stabile nonostante le condizioni di carico variabili.)

Immagine 5. Esempio di un tipo di circuito regolatore di tensione switching: il convertitore buck.