Eliminazione della necessità di un MCU (e della codifica) negli alimentatori CA/CC ad alta efficienza

JON HARPER | Onsemia

L’alimentazione di rete è CA per molte buone ragioni, ma quasi tutti i dispositivi richiedono alimentazione CC per funzionare. Ciò significa che gli alimentatori CA-CC vengono utilizzati quasi ovunque e, in un periodo di consapevolezza ambientale e di aumento dei costi energetici, la loro efficienza è fondamentale per controllare i costi operativi e utilizzare saggiamente l’energia.

In poche parole, l’efficienza è il rapporto tra potenza in ingresso e potenza in uscita. Tuttavia, è necessario considerare il fattore di potenza in ingresso (PF), ovvero il rapporto tra la potenza utile (reale) e la potenza totale (apparente) in qualsiasi dispositivo alimentato in CA, compresi gli alimentatori.

Con un carico puramente resistivo, il PF sarà 1,00 ("unità"), ma un carico reattivo diminuirà il PF all'aumentare della potenza apparente, portando a una riduzione dell'efficienza. Un PF inferiore all'unità risulta da tensione e corrente fuori fase, un contenuto armonico significativo o una forma d'onda di corrente distorta, comune nei carichi elettronici discontinui come gli alimentatori a commutazione (SMPS).

Dato l'impatto sull'efficienza che un PF basso ha, quando i livelli di potenza sono superiori a 70 W, la legislazione richiede ai progettisti di incorporare circuiti che correggeranno il PF a un valore vicino all'unità. Spesso, la correzione PF attiva (PFC) impiega un convertitore boost che converte la rete raddrizzata a un livello CC elevato. Questa rotaia viene quindi regolata utilizzando la modulazione di larghezza di impulso (PWM) o altre tecniche.

Questo approccio generalmente funziona ed è semplice da implementare. Tuttavia, i moderni requisiti di efficienza come l'impegnativo "standard 80+ Titanium" stabiliscono l'efficienza in un ampio intervallo di potenza operativa, richiedendo efficienze di picco del 96% a metà carico. Ciò significa che il raddrizzamento della linea e lo stadio PFC devono raggiungere il 98% poiché il successivo PWM DC-DC perderà un ulteriore 2%. Raggiungere questo obiettivo è molto impegnativo a causa delle perdite all'interno dei diodi nel raddrizzatore a ponte.

La sostituzione del diodo boost con un raddrizzatore sincrono aiuta e i due diodi raddrizzatori di linea possono essere sostituiti in modo simile, migliorando ulteriormente l'efficienza. Questa topologia è denominata totem pole PFC (TPPFC) e, in teoria, con un induttore ideale e interruttori perfetti, l'efficienza si avvicinerà al 100%. Mentre i MOSFET al silicio offrono buone prestazioni, i dispositivi WBG (wide bandgap) offrono prestazioni molto più vicine a quelle "ideali".

Man mano che i progettisti aumentano la frequenza per ridurre le dimensioni dei componenti magnetici, aumenteranno anche le perdite dinamiche nei dispositivi di commutazione. Poiché queste perdite possono essere significative con i MOSFET al silicio, i progettisti si stanno rivolgendo ai materiali WBG, tra cui il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), in particolare per le applicazioni TPPFC.

La modalità di conduzione critica (CrM) è generalmente l'approccio preferito per i progetti TPPFC a livelli di potenza fino a poche centinaia di watt, bilanciando efficienza e prestazioni EMI. Nei progetti kilowatt, la modalità di conduzione continua (CCM) riduce ulteriormente la corrente RMS all'interno degli switch, riducendo la perdita di conduzione.

Anche CrM può notare un calo di efficienza che si avvicina al 10% con carichi leggeri, il che rappresenta un ostacolo al raggiungimento del "Titanium 80 Plus". Il bloccaggio ("ripiegamento") della frequenza massima forza il circuito in DCM con carichi leggeri, riducendo così in modo significativo le correnti di picco.

Con quattro dispositivi attivi da pilotare in modo sincrono e la necessità di rilevare il passaggio di corrente per lo zero dell'induttore per forzare il CrM, la progettazione di TPPFC può essere tutt'altro che banale. Inoltre, il circuito deve attivare/disattivare il DCM mantenendo un fattore di potenza elevato e generando un segnale PWM per regolare l'uscita, oltre a fornire protezione al circuito (come sovracorrente e sovratensione).

Il modo più ovvio per affrontare queste complessità è implementare un microcontrollore (MCU) per gli algoritmi di controllo. Tuttavia, ciò richiede la generazione e il debug del codice, che aggiungono sforzi e rischi significativi alla progettazione.

Tuttavia, è possibile evitare lunghe operazioni di codifica utilizzando una soluzione di controllo TPPFC completamente integrata. Questi dispositivi offrono numerosi vantaggi, tra cui prestazioni elevate, tempi di progettazione più rapidi e rischi di progettazione ridotti poiché eliminano la necessità di implementare un MCU e il codice associato.