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Introduzione
Spesso i sistemi elettronici hanno come requisito la fornitura di un rail di tensione isolata oppure rail multipli per alimentare interfacce cablate come RS485, mBus cablato, loop di corrente a 4 -20 mA e varie altre tipologie. Un esempio di applicazione potrebbe essere un misuratore di elettricità intelligente (eMeter). Anziché realizzare questi rail utilizzando avvolgimenti supplementari sulla parte magnetica principale del flyback, a volte è più opportuno realizzarli facendo ricorso a un ingresso a bassa tensione ed eseguendo una conversione isolata a bassa tensione. In questo modo si evita che la parte magnetica principale del flyback diventi troppo grande, date le severe normative di sicurezza da rispettare in materia di tensioni di isolamento, di distanza superficiale e distanza di isolamento.
Spesso si utilizzano varie topologie di convertitore, come il flyback, il fly-buck (e fly-buckboost) e il convertitore push-pull. Questo articolo esamina un’ulteriore topologia: il convertitore full-bridge (o H‑bridge). Questa topologia offre numerosi vantaggi; (1) i quattro FET assicurano che la corrente abbia sempre un percorso da seguire e pertanto i picchi transitori di sovratensione sono assenti o minimi, (2) non è necessario utilizzare un trasformatore a presa centrale, ossia si possono utilizzare trasformatori toroidali a basso costo dotati di un avvolgimento primario e di uno secondario, (3) non è presente alcun accumulo di energia e il trasformatore è attraversato sia in direzione positiva che negativa, il che significa che le dimensioni della parte magnetica sono ridotte al minimo, (4) esistono dei circuiti integrati di controllo motore che integrano i FET e la protezione di corrente/protezione termica. Inoltre, i fronti dv/dt di questi dispositivi tendono ad essere abbastanza lenti e ciò va a beneficio dei sistemi che tentano di evitare le emissioni RF, le quali possono disturbare i sensibili ricevitori radio che si trovano all’interno del sistema. (5) Alcuni circuiti integrati di azionamento motore dispongono di più di un ponte H integrato e possono essere controllati separatamente, rendendo possibile il controllo di più convertitori full-bridge utilizzando un singolo circuito integrato. Questa possibilità è utile nelle applicazioni in cui le uscite devono essere indipendenti l’una dall’altra e non può essere realizzata utilizzando semplicemente un trasformatore con più uscite isolate.
Progettazione del convertitore DC/DC full-bridge
Il DRV8848 è un doppio circuito integrato di controllo motore a ponte H. Il valore nominale di 18 Vin lo rende ideale per i progetti a 12 Vin. Ogni ponte H è composto da P-FET high-side e da N-FET low-side. Un’architettura alternativa è una pompa di carica con N-FET high-side. La pompa di carica può essere una fonte di EMI e il DRV8848 costituisce quindi una valida scelta per questa applicazione sensibile alle EMI. Ogni ponte H è controllato separatamente dagli ingressi logici AINx e BINx e presenta un limite di corrente programmabile (CL) attraverso l’utilizzo di un resistore di rilevamento esterno (Risense) per ponte H. Quando viene attivato, il CL reagisce disattivando i FET che stavano risalendo la rampa di corrente, per poi attivare la coppia di FET opposta e ridiscendere la rampa di corrente per 20 μs (ciclo PWM) o fino al successivo ciclo di commutazione PWM. Inoltre è presente un limite di sovracorrente interna veloce, l’OCP (impostato a 2A min) che, se attivato, è seguito da un tempo di ripetizione di hiccup di 1,6 ms. Questi circuiti di protezione sono utili per i convertitori isolati che devono sopportare un sovraccarico in condizioni di guasto sulle loro uscite. Nella realizzazione di ponti H FET discreti viene spesso trascurata la funzione di blocco di minima tensione (UVLO, ~ 3 V nel DRV8848), che impedisce la commutazione dei FET quando la tensione di alimentazione scende al di sotto di un certo livello minimo. Tentando di accendere e spegnere i FET con una tensione di alimentazione troppo bassa si provoca il loro passaggio alla loro regione lineare con una conseguente elevata dissipazione di potenza. Il circuito integrato genera inoltre una tensione di alimentazione interna VINT pari a 3,3 V ± 5%, che può essere utilizzata esternamente, ad esempio per alimentare il pin VREF del circuito integrato in modo da programmare il CL. Collegando VINT a VREF tramite una rete RC si realizza una rampa per VREF durante l’accensione. In questo modo si esegue una rampa del CL, che risulta in un comportamento di avvio dolce.
L’equazione per il limite di corrente programmabile (CL) sul DRV8848 è:
VREF / (6,6 x Risense)
Dato VREF = 3,3 V, allora Risense = 1 Ω dà un limite di 0,5 A.
La Figura 1 mostra uno schema di esempio in cui il DRV8848 esegue la conversione di potenza per due uscite isolate separatamente. A scopo dimostrativo, uno dei trasformatori presenta un secondario a presa centrale con due diodi rettificatori, mentre l’altro è dotato di avvolgimenti singoli seguiti da un raddrizzatore full-bridge, in quanto si tratta del caso più comune se il trasformatore è toroidale. Un condensatore da 10 μF di serie è stato aggiunto nel primario per assicurarsi che il trasformatore non sia mai interessato da un offset di CC. Il VREF viene alimentato da VINT tramite una rete RC che esegue completamente la rampa di VREF in ≈10 ms per implementare un avvio dolce. La frequenza di commutazione è impostata a 200 kHz e deve essere fornita esternamente, ad esempio da un pin di I/O di microprocessore, oppure potrebbe essere generata usando un temporizzatore LMC555 autonomo configurato per un duty cycle del 50%, come mostrato nella relativa scheda tecnica. Il DRV8848 necessita inoltre di una versione invertita del clock, che viene generata utilizzando una porta logica a inverter SN74LVC1G04 nello schema. Per abilitare il circuito integrato, il pin nSLEEP deve essere tenuto high.
Figura 1 – Schema circuitale per due convertitori isolati a trasformatore a ponte H con DRV8848
Per il circuito di prova è stato utilizzato un trasformatore Coilcraft a presa centrale (SD250-4L) con rapporto di 1:1,5:1,5. Il secondo canale del DRV8848 aziona un’altra versione della parte magnetica (SD250-2L) con singoli avvolgimenti 1:1.5. Il DRV8848 introduce un certo tempo di spegnimento e questo tempo, più i tempi di salita/discesa, riduce il duty cycle del convertitore che, altrimenti, sarebbe continuo al 100%. Il tempo di spegnimento è di 200 ns (tip.) tra la commutazione dei FET lato high e lato low in ciascuna metà ponte. Pertanto, il duty cycle effettivo mostrato in Figura 2 è ~92%. I 12 Vin vengono convertiti in 0,92 x 12 V x 1,5 = 16,5 V. La caduta del diodo sul secondario riduce tale valore ottenendo infine un’uscita a 16 Vout. Il convertitore non è regolato ed è prevedibile che questi 16 Vout calino all’aumentare del carico, a causa delle resistenze di avvolgimento del trasformatore, delle resistenze dei FET e della resistenza dell’avvolgimento dell’induttore di uscita; nel caso in cui si utilizzino il trasformatore non a presa centrale e il raddrizzatore a diodi full-bridge, è necessario sottrarre due cadute dei diodi. Power Stage Designer è uno strumento software di TI disponibile in download gratuito che consente di simulare rapidamente le forme d’onda dello stadio di potenza per diverse topologie di convertitore di potenza. È stato utilizzato per scegliere un’adeguata induttanza primaria del trasformatore di 1,5 mH e un induttore di livellamento sul lato secondario di 330 μH. Il prodotto Volt-secondo è calcolato come:
e il trasformatore selezionato deve avere un prodotto Volt-secondo maggiore di questo.
La Figura 2 mostra le forme d’onda di tensione della fase del primario. Sul lato secondario si misurano 16 Vdc. Il carico è di 168 Ω. Facendo riferimento alla Figura 1, quando la tensione di fase blu cade, ciò avviene perché erano disattivati i FET diagonalmente opposti sui lati high e low di tale fase, ossia Q1 e Q4. Ora è presente un intervallo di attesa di ~200 ns, durante il quale tutti i FET sono disattivati, che è parte integrante del circuito integrato. L’induttanza di dispersione del trasformatore ha immagazzinato l’energia, che traina la fase blu negativa ed è bloccata dal body diode del Q2. Ha quindi inizio un’oscillazione, ma poco dopo si accendono i FET di fase rossa Q2 e Q4 e la tensione di fase rossa sale a 12 V.
Figura 2 – Tensioni di uscita di fase lato primario (rosso, blu) del convertitore. L’uscita fase-fase (viola) viene calcolata mostrando l’oscillazione ±12 V sul primario. 1 μs / div. Fsw = 200 kHz.
La Figura 3 mostra le tensioni di fase durante l’avviamento, dove il CL è attivo. Durante l’avviamento, il VREF esegue la rampa e il limite di corrente totale di 0,5 A non viene raggiunto. Nella Figura 3 il CL è ~120 mA. La frequenza di commutazione è stata ridotta a 100 kHz per questo test e il carico è stato aumentato a 112 Ω.
Figura 3 – Tensioni di uscita di fase lato primario (rosso, blu) del convertitore che mostrano il comportamento in CL del DRV8848 durante l’avviamento. Fsw = 100 kHz.
Non vi è alcuna ragione particolare per la selezione di queste condizioni di prova, se non mostrare il funzionamento a una diversa frequenza di commutazione e con un carico diverso.
La fase Blu si attiva (al primo indicatore con freccia blu) e va su high per ~1,8 μs (il tempo di spegnimento del CL); a questo punto, il CL è stato raggiunto e si disattiva (al secondo indicatore a righe tratteggiate). Il comportamento logico di controllo del DRV8848 fa sì che la fase rossa si accenda ora per abilitare la modalità di riduzione rapida, e così avviene (dopo il secondo indicatore a righe tratteggiate) e quindi la fase Rossa va su high. Dopo circa 1,6 μs, la corrente è scesa quasi a zero e il comportamento del DRV8848 fa sì che il bridge sia disattivato per impedire il flusso di corrente di ritorno. Quindi trascorre un lasso di tempo in cui nessuna fase è attiva, pertanto entrambe le tensioni di fase sono zero. Successivamente, la fase Rossa si attiva (seconda freccia rossa) perché il comando PWM è passato ad high per attivare tale fase (ciò si verifica prima che il periodo di 20 μs PWM del circuito integrato sia trascorso). Il delta fra le due frecce rosse (o le due frecce blu) è 10 μs, ossia il Periodo di 100 kHz (gli altri casi in cui appaiono le tensioni di fase Blu o Rossa sono dovute al comportamento del circuito integrato).
È anche possibile comandare il ponte H con un duty cycle diverso dal 92%. La Figura 4a mostra le forme d’onda del drive INx per un duty cycle del 60%, mentre la Figura 4b mostra le tensioni di fase durante il comando del trasformatore.
Figura 4a – Segnali di comando INx per un duty cycle del 60%
Figura 4b – Tensioni di fase risultanti dai segnali di comando della Figura 4a
L’induttanza di dispersione e la capacità parassita hanno il tempo per oscillare per più cicli rispetto al caso di comando con il duty cycle al 92%. Un modo migliore per comandare un duty cycle diverso dal 50% è sovrapporre i segnali di comando INx come mostrato nella Figura 5a e le tensioni di fase risultanti in Figura 5b.
Figura 5a – Segnali di comando INx per un duty cycle del 60% con sovrapposizione di INx
Figura 5b – Tensioni di fase risultanti dai segnali di comando della Figura 5a
Quando entrambi i segnali di trasmissione INx sono high, il DRV8848 risponde accendendo i FET Q2 e Q4 sul lato low, bloccando quindi entrambi i lati del trasformatore a 0 V e con il risultato di una maggiore pulizia della forma d’onda.
Conclusione
Il DRV8848 può essere utilizzato per ottenere due convertitori DC/DC full-bridge indipendenti e fornisce funzionalità di protezione integrate oltre a costituire un’utile aggiunta alle tecniche di generazione di rail di tensione isolati. Il DRV8848 è una soluzione completamente integrata per l’implementazione di due convertitori full-bridge a costi contenuti. Il DRV8848 integra funzioni di protezione come il limite termico e un limite di corrente programmabile. Inoltre, è dotato di un limite di sovracorrente di picco veloce. È possibile implementare un avvio dolce controllando la tensione sul pin VREF. Altri circuiti integrati per driver motore possono essere utilizzati per implementare un convertitore full-bridge, partendo da dispositivi a bassa tensione DRV8835 / 7 / 9 fino alle tensioni più alte di DRV8870 / 1 / 2 e DRV8841 / 2.
A cura del Dr. Dan Tooth – Texas Instruments.
