DC/DC Converter con LTC1771

NE555   In Questo articolo Viene Presentato l’Integrato LTC1771, Vengono Illustrati Alcuni Schemi in cui si Utilizza con funzione di DC-DC Converter…

 
 
 
 




 

INTRO
LTC1771 è usato come step-up o step-down per diminuire o aumentare la tensione d’uscita e stabilizzarla. È utile per implementare DC-DC converter switching ad elevata efficienza. Può anche essere usato con caricabatteria per pile Ni-Cd. Ha la protezione dai cortocircuiti con una corrente superiore ai 5A in uscita con tensione da 1.23V a 18V. il range di tensione in ingresso va da 2.8V a 20V e il circuito presenta un Dropout quasi nullo se in uscita si ha un DC del 100%. In uscita si ha una tensione stabile con un errore del 2%. Dispone anche di un soft start per evitare elevati picchi di corrente all’avvio e la modalità Shutdown per ridurre la potenza assorbita al minimo.
Il circuito integrato LTC1771 pilota un P-Mosfet esterno. Il circuito per realizzare lo step-down, con la relativa curva di efficienza è:

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Questa curva di efficienza si ottiene con la modalità burst arrivata, ovvero sul pin mode una tensione uguale alla Vin, se questa modalità è disattivata si ha una efficienza minore se si hanno basse correnti in uscita. Le funzionalità dei pin sono:
PIN 1 (RUN/SS): serve per spegnere l’integrato e mandarlo in modalità Shutdown e per implementare il soft start. Se connesso a massa è in modalità Shutdown, se lasciato aperto è in Run mode e funziona normalmente e se vi è una capacità connessa come in figura si ha un Soft start. Maggiore è Css maggiore è il ritardo di accensione. Una formula semplificata per calcolare il ritardo di avvio è:

tdelay = Css x 10^6   [s]

Se si utilizza una capacità da 10nF si ha un ritardo di avvio pari a 1mS.

PIN 2 (ITH): la tensione presente su questo piedino serve a regolare la corrente massima di cortocircuito che viene letta grazie a RSENSE.

PIN 3 (VFB): una partizione di Vout viene comparata con la tensione interna per generare una retroazione e mantenere stabile la tensione in uscita. Variando la partizione di Vout varia la tensione in uscita. Si ha:

Vout = 1.23 x (1+R2/R1)

In ogni caso, qualunque sia la scelta, conviene usare R1 nell’ordine dei MΩ per non avere elevata corrente assorbita dal partitore e ridurre l’efficienza. CFF è una capacità necessaria a filtrare componenti ad alta frequenza ed evitare autoscillazioni; deve avere un valore di circa 22pf.
PIN 4 (GND): è il pin che riceve la tensione di riferimento.

PIN 5 (PGATE): fornisce in uscita la tensione di controllo del P-MOSFET, ha uno swing da 0 a Vin.

PIN 6 (VIN): è il pin che riceve in ingresso la tensione principale, quella da stabilizzare.

PIN 7 (SENSE): rileva la tensione sulla resistenza di sensing per misurare la corrente assorbita dall’uscita e per rilevare possibili cortocircuiti in uscita. Per scegliere il valore di RSENSE vi è la seguente formula:

RSENSE= 100mV/(IOUT [A])

Dove IOUT è la corrente desiderata in uscita. Questa formula vale utilizzando Rc=10kΩ e Cc=220pF. RSENSE inoltre deve avere un valore di potenza dissipata tale da garantire il corretto funzionamento. La potenza dissipata deve essere almeno il doppio della potenza assorbita.

PIN 8 (MODE): questo pin non va lasciato mai floating, se connesso alla tensione di ingresso si ha la modalità Burst mentre se connesso a GND questa modalità è disabilitata.
La modalità Burst consiste nel tenere accesa la circuiteria minima e indispensabile dell’integrato LTC1771 in modo tale da ridurre al minimo la corrente assorbita da quest’ultimo. La minor corrente assorbita si ha però a discapito di una perdita di feedback e una risposta non istantanea in caso di cortocircuito.

 




 

INFORMAZIONI APPLICATIVE

Rimane da valutare il valore di alcuni elementi circuitali, come le capacità di ingresso e uscita, il diodo, l’induttore e il P-Mosfet. Partiamo dalla capacità sulla tensione di ingresso, ovvero “C” e la capacità sulla tensione in uscita, ovvero COUT, si ha:

C = IOUT / (VIN – VOUT ) x 50     [μF]

COUT = IOUT / (2.4 x ESR x ∆VOUT ) [μF]

La prima formula è espressa in Farad, la seconda in micro Farad. Per avere un ripple molto piccolo in uscita bisogna utilizzare o capacità di uscita molto grandi, però conviene utilizzare capacità a basso ESR, di circa 0.05Ω. Queste due capacità servono come filtro per ridurre il ripple.

Per quanto riguarda il diodo D1 bisogna utilizzare un diodo Schottky con una bassa corrente inversa, ovvero quando è contro polarizzato. Questa corrente, se elevata, pregiudica l’efficienza del circuito, inoltre il diodo deve avere una bassa capacità di giunzione e una bassa tensione di soglia. Questo diodo serve a far fluire a massa la corrente dell’induttore che si genera per via della commutazione del P-MOSFET.

Il valore dell’induttore L1 pregiudica la corrente di ripple e di conseguenza la tensione di ripple, bisogna scegliere opportunamente il suo valore:

L1 = (75μH) x VOUT x RSENSE

In ogni caso è sempre opportuno usare L1 un pò più grande del risultato ottenuto dalla seguente formula, soprattutto se si lavora in modalità Burst.

Per quanto riguarda il P-Mosfet bisogna utilizzare un dispositivo con bassa tensione di soglia per avere un Low Dropout e bisogna garantire che supporti tensioni VDS e VGS maggiori della tensione di ingresso Vin per evitare che si bruci. Per evitare inoltre che si surriscaldi e inoltre per evitare di avere elevate potenze dissipate sul mosfet bisogna tenere in considerazione il valore di RDS(on) ovvero la resistenza del canale tra drain e source quando questo è formato:

RDS(on) = PD / ((VOUT / VIN ) x IOUT^2 x 1.33) [Ω]

Dove PD è la potenza che il mosfet riesce a dissipare. Più piccola e RDS(on) maggiore è l’efficienza del circuito, infatti, il circuito di figura assorbe la seguente potenza:

P= (RSENSE x IOUT^2 ) + (RDS(on) x IOUT^2 ) + (ILTC1771 x VIN ) + ((VOUT^2)/(R1+R2)) + (IGATE x VIN)

Ovviamente poi vi sono varie componenti di leakage che non compaiono nella formula. Per ridurre la potenza dissipata e aumentare l’efficienza si può agire in vari modi. Riducendo RSENSE riduco in parte la potenza dissipata a discapito della protezione per elevate correnti. Se utilizzo mosfet con RDS(on) molto piccola, riduco in parte la potenza dissipata però se riduco di troppo questo valore aumentano le capacità parassite nella struttura mosfet e di conseguenza aumenta la corrente assorbita dal GATE, ovvero IGATE .

ILTC1771 è la corrente assorbita dal circuito integrato, se utilizzo la modalità Burst questa corrente vale 9µA, altrimenti vale 150µA. Inoltre, come detto in precedenza, il partitore R1-R2 deve essere composto da resistenze nell’ordine dei MΩ per ridurre la quarta componente di potenza della formula.
 




 

ESEMPI APPLICATIVI
Dopo tutte le considerazioni fatte, proviamo implementare un circuito per ottenere in uscita una tensione di 5V con una corrente di circa 2A partendo da una tensione in ingresso che può andare da 5.5V a 18V:

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Si ottiene un soft start di circa 1ms, e un ripple di 50mV in uscita con i valori di capacità usati. Il diodo e il mosfet sono stati scelti in base alle caratteristiche e ai componenti a disposizione, infatti il SUP90P06 presenta una RDS(on) molto minore di quella richiesta. I condensatori sono a basso ESR e la modalità Burst è disabilitata. Inoltre è stato aggiunto un condensatore tra i PIN 6 e 7 del valore di 1nF che è un condensatore di disaccoppiamento per RSENSE.
È stato scelto di sacrificare l’efficienza e usare resistenze dell’ordine dei KΩ, inoltre è stata usata una resistenza variabile da 4.7KΩ in modo tale da aggiustare la tensione in uscita.
Le linee evidenziate in viola sono linee in qui scorre elevata corrente, per non pregiudicare il funzionamento del circuito e ridurre la potenza dissipata queste linee di connessione devono essere a bassa resistenza, quindi, se implementate in PCB devono avere una larghezza appropriata a ridurre la componente resistiva e induttiva della linea.
Implementando il circuito su BreadBoard si ottiene:

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Sempre con lo stesso circuito, con l’aggiunta di un semplice diodo si può realizzare un caricabatteria per batterie NiCd. È possibile con lo schema di figura, caricare 4 pile NiCd in serie con una corrente di 1A. Lo schema è:

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Inoltre, sfruttando le sovratensioni prodotte dalla corrente tempo variante che fluisce in un induttore, si può realizzare un Step-up converter:

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Lo schema mostra uno stabilizzatore progettato per erogare 5V 1A con una tensione di ingresso anche più piccola di 5V. Infatti sfrutta una corrente variabile nell’induttore L1A che genera ai suoi capi una tensione data dalla formula:

V(L1A) = L1A  di/dt

Si ha una corrente a onda quadra che derivata formerà dei picchi positivi sul fronte di salita e negativi sul fronte di discesa. Se analizzo la forma d’onda in uscita da PIN5 ovvero PGATE e la tensione nel punto A ottengo:

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Dove in rosso si ha la tensione in uscita dal PIN5 e in arancione la tensione sul punto A. Se si misura la tensione sul punto A picco picco, ovvero la differenza tra valore massimo e valore minimo, si ottiene che si ha una tensione picco-picco più grande di quella su PGATE e quindi di alimentazione.
La tensione sul punto A deve essere resa positiva e per fare ciò si utilizza un clamper o fissatore, composto dal condensatore C1 e dal diodo D1, con questi due elementi, i picchi positivi e negativi vengono traslati tutti a valori positivi. Le due forme d’onda sono:

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Dopo di che la tensione in blu viene resa continua attraverso il filtro composto da L1B e da Cout.

Nel datasheet allegato sono disponibili maggiori informazioni.

DATASHEET!!!





 

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DC/DC Converter con LTC1771 ultima modifica: 2015-11-26T15:48:09+00:00 da ne555

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