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Mini Buck Converter LNK306

Indice

Premessa

I progressi dell'elettronica nel corso degli anni, hanno interessato non solo lo sviluppo tecnologico, ma anche ridurre al minimo l'ingombro di molti componenti attivi, come circuiti integrati monolitici che sto per presentarvi:

Da tempo sto utilizzando questi circuiti integrati sia nelle riparazioni di schede industriali che nel civile.

L'articolo l'ho pensato per tutti coloro che hanno necessita' di realizzare dei convertitori DC-DC a basso costo, e con tensioni di ingresso che sono comprese tra 85-265 V ac.

Quindi come sempre rispettiamo le normative di sicurezza, e il buon senso quando operiamo con tensioni di rete!

A che serve un Buck Converter

Essenzialmente il Buck Converter appartiene alla tipologia Step Down,ovvero abbassatore di tensione (– VO < VIN) rispetto alla tensione di alimentazione di ingresso.

I due interruttori, pilotati alternativamente in pwm, forniscono un onda quadra al filtro d’uscita LC.

Un breve sguardo alla figura seguente ci mostra che se pilotiamo la tensione media,facendo uso di un interruttore elettronico,regolando la velocita' di apertura e chiusura tra Ton e Toff,la tensione media di uscita del convertitore dipendera' dai tempi menzionati.

Ovviamente un sistema che permette di controllare i tempi di apertura e chiusura e' di tipo 'PWM ovvero modulazione a larghezza di impulsi,o se vogliamo una modulazione predefinita e controllata da un sistema retroazionato che ne modifichera' il ciclo utile,chiamato anche duty cicle.

La frequenza di commutazione e' data da:

Quindi in sostanza la commutazione con frequenza costante viene sempre generata confrontando un segnale di riferimento (Segnale di controllo)continuo.


Fino a molti anni fa era comune utilizzare dei classici Trasformatori,per ridurre la tensione di uscita rispetto all'entrata.

E cosi l'evolversi della tecnologia che richiede sempre il minor ingombro e minor costo,ha investito moltissimo nelle ricerca e sviluppo di sistemi integrati sempre piu' miniaturizzati.

Topologia High-SideBuck –Direct Feedback

Lo schema sottostante rappresenta il nostro Buck Converter, che opera ad una frequenza di 66 kHz e tramite un induttore di 1 mH, si può prelevare una corrente di uscita di 120 mA.

Se vogliamo alimentare piccoli dispositivi come microcontrollori e tutti quei dispositivi che richiedono bassissima corrente nominale d'impiego, questa e' l'applicazione ideale.

Teniamo conto che l'industria che progetta e sforna elettrodomestici fa largamente uso di questo circuito.


Output Current Table

Nella tabella seguente, possiamo notare la OUTPUT CURRENT TABLE con tutte le caratteristiche tecniche della famiglia di questi dispositivi.

Le lettere CCM significano: Continuous conduction mode.

Ovvero il modo di funzionamento continuo,se la corrente circolante nell'induttore non scende mai a Zero, durante il ciclo di commutazione.

Invece le lettere MCDM significano: Mostly discontinuous conduction mode.

Ovvero il modo di funzionamento discontinuo quandola la corrente assorbita dal carico è molto piccola da essere trasferita in un tempo minore prima che finisce il ciclo completo di commutazione.

Quali sono i campi di applicazione?

Questi dispositivi integrati nascono per sopperire all'utilizzo di un classico trasformatore per ridurre la tensione di alimentazione di uscita rispetto all'entrata.

Stiamo parlando di un convertitore Step down per alimentare qualsiasi dispositivo che necessita di una tensione continua ad esempio 5-12 Vcc e con una corrente Max di 300 mA.

Ovviamente il tutto e' alimentato dalla rete elettrica, 220 V ac.

Un esempio riguarda le applicazioni sui Led.

Le luci di cortesia notturne utilizzano tale tecnica per accendere uno o due Led, inserendo la spina direttamente nella presa elettrica.

Oppure le schede di controllo MCU che richiedono correnti inferiori ai 300 mA funzionano con questa tecnica.

Piccolo e compatto

Ecco che da alcuni anni la Power Integrations ha messo in commercio dei circuiti integrati particolari che con una manciata di componenti esterni, fanno il loro dovere in tutte quelle applicazioni dove si richiede la compattezza tecnologica.

Vediamo subito le caratteristiche del package disponibili in vari formati:

DIP; SMD; SO;


Frequenza di funzionamento=66 kHz

Tensione massima=700 V

Protezione termica di spegnimento(shutdown)=130°

Consumo tipico=50/80 mW

Consumo tipico in flyback=7/12 mW

Tensione di ingresso= 85-265 V ac

Applicazioni nel campo dei Led

La foto illustra un Pcb embedded per applicazioni di illuminazione a LED per Ex lampade dicroiche alogene, che utilizzano l'attacco GU10:

Il circuito regola la sua corrente di carico fino a 300 mA ed eroga una tensione d'uscita di circa 10 V con tre HB-LED in serie.


Schema Elettrico per alimentare "3LED in serie" direttamente dalla rete elettrica.

Applicazioni Lampade a bulbo

7 W PAR20 LED driver

applicazione.jpg

applicazione.jpg

PCB RDK-193.jpg

PCB RDK-193.jpg

Applicazioni Schede industriali

Nel mio laboratorio ho potuto apprezzare diversi progetti gia' collaudati. Questo e' un esempio di una scheda di automastismo di una lavastoviglie. l'assenza di trasformatori rende la scheda molto ridotta e compatta.


Scheda industriale.jpg

Scheda industriale.jpg

Pcb per lampada LED con Attacco GU10

Qui sotto potete notare l'assemblaggio dell'elettronica di potenza, montata a pila da tre circuiti stampati sovrapposti. Il primo in basso e' il circuito primario e si vede la resistenza da 3W di ingresso. In alto vediamo l'induttore di uscita,con il circuito di feedback.

Il tutto andra' a collegarsi sull'attacco del portalampada "GU10".

costruzione.jpg

costruzione.jpg

attacco g10.png

attacco g10.png

led g10.jpg

led g10.jpg

gu10.jpg

gu10.jpg

Analizziamo lo schema a blocchi

block diagram.JPG

block diagram.JPG

Vediamo all'interno il funzionamento dell'integrato:


DRAIN (D) Pin: Questo Piedino viene collegato alla tensione di ingresso compresa tra 85-265Vac

BYPASS (BP) Pin: Bisogna connettere un condensatore esterno da 0,1uF per alimentare internamente l'integrato con una tensione di Rif 5,8V

FEEDBACK (FB) Pin: Nel funzionamento normale questo piedino controlla la commutazione del Mosfet interno Se la corrente nel Mosfet interno supera i 49uA,il controllo su questo piedino fa spegnere l'alimentatore. la tensione di riferimento e' di 1,65V.

SOURCE (S) Pin:

Questo pin è la connessione del Mosfet interno,e' anche il riferimento per il feedback.

Funzionamento l'integrato contiene uno switch MOSFET di potenza ad alta tensione (700V) con un regolatore di corrente tutto compatto. A differenza dei tradizionali PWM questo effettua un semplice controllo ON/OFF per regolare la tensione di uscita .

il Controllo e' costituito da un oscillatore ed un regolatore 5,8 V. Dispone anche di una protezione termica. Ha un circuito interno per un riavvio automatico,in caso di blocco. La frequenza tipica dell'oscillatore è impostato internamente a circa 66 kHz .

L'oscillatore interno incorpora un circuito che introduce una piccola correzione(jitter) di frequenza, tipicamente 4 kHz per ridurre al minimo le emissioni EMI .

Il Mio Prototipo

Ho voluto inserire una foto di un mio prototipo buck converter,utilizzando dei componenti in mio possesso.

Componenti.jpg

Componenti.jpg

In primo piano si puo vedere il PCB nudo ed alcuni componenti.

Nella prossima parte inseriro' anche le misure fatte con volmetro e oscilloscopio come da datasheet.


Analisi segnali scheda controllo

Il circuito in esame e' quello seguente in figura:

L'ingresso accetta una tensione di alimentazione compresa tra 85 e 260 V ac che viene poi rettificata dai due diodi in serie.

La resistenza in ingresso limita la corrente e viene usata come fusibile.

La rete di retroazione deve consentire di controllare costantemente il carico sull'uscita,tramite il piedino fb.


Le misure che seguono le ho fatte su una scheda per automazione civile.

Nell'immagine sottostante si vedono le due sonde attaccate,sul Diodo ingresso Rete,e la seconda sonda sull'induttanza.


misure_2.jpg

misure_2.jpg

Il primo canale sopra mostra la tensione pulsante.

Mentre sul secondo canale si nota la tensione alternata residua(ripple) dopo l'induttanza. Quando il Diodo e' in conduzione il condensatore si carica e cede energia al carico.

Ma l'effetto che ne deriva e' un linea discontinua dovuto proprio alla scarica del condensatore nel momento in cui cede la sua energia accumulata nella fase in cui il diodo non conduce.

Data la bassa corrente richiesta sul carico,le capacita' dei condensatori sono molto contenute

Misure_3.jpg

Misure_3.jpg

Circuito R -C -D

Questo circuito consente la protezione del mosfet,poiche' quando ai suoi capi ha un carico induttivo,e trovandosi istantaneamente dalla conduzione all'interdizione la tensione ai capi di drain e source e' molto elevata prima che scenda a "Zero".


L'oscillatore armonico smorzato

L'argomento e' abbastanza complesso da spiegare quindi mi limitero' ad indicarne solo la funzione.

il segnale visualizzato all'oscilloscopio sul Drain e' di tipo sottosmorzato. Questo perché si hanno i poli a parte reale negativa che indicano la presenza di esponenziali decrescenti, i quali smorzano esponenzialmente le oscillazioni;


oscillatore.jpg

oscillatore.jpg


fase del moto oscillatorio.jpg

fase del moto oscillatorio.jpg


Ampiezza del Segnale sul secondario del trasformatore:

Transitorio-sec.trasf..jpg

Transitorio-sec.trasf..jpg

Frequency Jitter

Una curiosita' che non avevo considerato: LNK306 L'oscillatore LinkSwitch incorpora un circuito che introduce una piccola quantità di jitter frequenza tipicamente di 4KHz,per minimizzare le emissioni EMI.

frequency-_itter.jpg

frequency-_itter.jpg

Tensione di feedback

Come menzionato nel datasheet del componente la tensione di feedback ' fissata per 1,65V. Nel funzionamento normale questo piedino controlla la commutazione del Mosfet interno Se la corrente nel Mosfet interno supera i 49uA,il controllo su questo piedino fa spegnere l'alimentatore. la tensione di riferimento e' di 1,65V.


tensione di feedback.jpg

tensione di feedback.jpg

Segue

Bibliografia: Elettronica di potenza (Mohan Ned; Undeland Tore M.;Robbins William P)

bibliografia.jpg

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Sistemi di elettronica di potenza - Generalita sugli interruttori di potenza a semiconduttore - Concetti fondamentali sui circuiti elettrici e magnetici - Simulazione al computer di convertitori e sistemi elettronici di potenza - Raddrizzatori a diodi a frequenza di linea: da alternata a continua senza controllo - Raddrizzatori e inverter a frequenza di linea con controllo di fase: da alternata a continua controllata - Convertitori dc-dc a commutazione - Inverter dc-ac a commutazione - Convertitori risonanti: commutazione a tensione zero e/o corrente zero - Alimentatori switching in continua - Dispositivi per la qualita dell'energia e gruppi di continuita - Applicazioni in ambito domestico e industriale - Applicazioni per le reti elettriche - Ottimizzazione dell'interfaccia tra la rete elettrica e i sistemi elettronici di potenza.

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Commenti e note

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grazie Stefano!!

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di ,

Per Guidob No il trasformatore non e' stato previsto dal progettista. Ho trattato l'argomento proprio su questo,poiche' queste schede per automazione civile,nascono con l'intento di far risparmiare i produttori e i rivenditori,ecco la soluzione che evita di aggiungere i trasformatori di isolamento. Questi ultimi nascono in genere nella topologia Flyback dove c'e' un trasformatore pilota che separa le basse tensioni secondarie. Dai un occhiata al mio articolo Riparare un ATX power supply.

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di ,

Per paolino: si esatto,la scheda che ho analizzato e' una classica di quelle installate nelle lavatrici. Tutto l'involucro e' plastica compresa la manopola del selezionatore. E' sempre importante cmq che a monte funzioni sempre il differenziale.

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di ,

Grazie per le info, credo che comunque un trasformatore di isolamento in ingresso sia il minimo per garantire la sicurezza, non sono esperto in norme ma penso (spero) ci sia qualcosa che vieta questo genere di collegamenti diretti alla rete. A presto.

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di ,

Devo dire che l'argomento mi stuzzica molto. Bravo. Una domanda (o una considerazione, se vogliamo dire): il fatto di non essere isolato può comportare rischi di elettrocuzione. Gli involucri delle schede devono essere in doppio isolamento e non ci devono essere masse in tensione accessibili agli utenti. Dico bene?

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di ,

C'era un errore sullo schema con il simbolo di "ground" sul neutro che in realta' non e' previsto in fase di cablaggio. grazie GiulioB.

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di ,

Risposta per [user]GiulioB[/user]: Non esiste la massa,il riferimento che hai visto nello schema e' il neutro della rete elettrica: La scheda deve essere alimentata tra 85Vac e 230Vac,in pratica comincia ad oscillare anche con tensioni inferiori ai 45Vac. Risposta per [user]Pepito[/user]: Per quanto riguarda le lampade,e' chiaro che i costi sono proporzionati alla produzione massiccia.

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di ,

Ciao. Lavorando nel settore del bianco ho potuto apprezzare anche io la versatilità di questi integrati. Ormai sulle schede degli elettrodomestici sono praticamente onnipresenti negli alimentatori non isolati. Per quanto riguarda il discorso lampade la vedo un po' più dura la diffusione, a causa del loro costo non proprio competitivo... ciao PSQ

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di ,

Ciao, avrei due domande: il circuito da te testato ha una linea diretta di massa direttamente in uscita, connessa alla rete, questo non rende il tutto pericoloso? Sotto 85V di ingresso questo è inutilizzabile, è pensato praticamente solo per essere alimentato da rete (110V, 230V)? Grazie

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di ,

Molto interessante e ben fatto,complimenti stefanob; ovviamente attendo il seguito .. ;)

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