Fly-buck ad alte prestazioni da Texas Instruments | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
Un fly-buck è un'alternativa a un flyback per applicazioni a bassa potenza in quanto costituisce una topologia economica, semplice da usare e isolata. Sono sufficienti un buck sincrono e degli avvolgimenti induttori accoppiati per creare uscite isolate. Inoltre, con un fly-buck si ottiene tipicamente una commutazione più morbida rispetto a una topologia flyback, potendo quindi eliminare la necessità di un circuito soppressore e ridurre le EMI. Ma come è possibile migliorare ulteriormente le prestazioni di un semplice fly-buck? Questo articolo presenta tre diversi metodi utilizzabili singolarmente o simultaneamente. Innanzitutto l'utilizzo di una topologia invertente influenza l'intervallo del duty cycle e quindi migliora le prestazioni e l'efficienza in molte applicazioni. In secondo luogo, l'aggiunta di un raddrizzatore sincrono riduce le perdite sul lato secondario e migliora la regolazione della tensione di uscita. L'ultimo metodo migliora ulteriormente la regolazione della tensione di uscita aggiungendo un fotoaccoppiatore per regolare la tensione di uscita.

In un fly-buck la tensione di ingresso minima deve essere sempre superiore alla tensione di uscita primaria. Molto spesso ciò si traduce in un duty cycle elevato per una bassa tensione di ingresso e costituisce uno svantaggio in molte applicazioni fly-buck, poiché i duty cycle elevati aumentano notevolmente le correnti di picco. Pertanto, con induttanze di dispersione particolarmente elevate, il fly-buck risulta probabilmente inutilizzabile con un duty cycle superiore al 60%. Fortunatamente esiste un'alternativa. È possibile utilizzare un buck-boost invertente al posto di un buck, ottenendo quindi un duty cycle più basso in molte applicazioni. Ovviamente questa soluzione è fattibile solo se non è necessaria una tensione positiva sul lato primario, perché il buck-boost genera una tensione primaria negativa. Qualunque controller buck sincrono può essere utilizzato per realizzare un buck-boost invertente che genera una tensione di uscita negativa. È sufficiente un semplice trucco per far funzionare il controller. In un buck standard la tensione di uscita è collegata all'induttore e il ritorno è collegato a massa (GND). Per ottenere un buck-boost invertente è sufficiente collegare la massa del dispositivo all'uscita negativa (anziché a GND) e collegare un condensatore aggiuntivo tra l'ingresso e l'uscita negativa (vedere la Figura 1). In questa configurazione il controller buck genera una tensione di uscita negativa. È necessario fare attenzione alla massima tensione nominale VDD del controller. Dopo che l'uscita è in regolazione, il controller fa riferimento all'uscita negativa. Pertanto la tensione massima VDD rilevata dal controller è la differenza di tensione tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita. È importante notare che il circuito UVLO non funzionerà correttamente perché risulta molto più basso in questa configurazione.

Esistono diversi metodi per comandare i raddrizzatori sincroni sul lato secondario. È possibile aggiungere un trasformatore di azionamento del gate separato per comandare il FET sincrono del secondario. Se si utilizza un controller primario con MOSFET primari esterni, si potrebbe prelevare il segnale di guida dal lato primario. Un altro metodo consiste nell'utilizzare un controller sincrono sul lato secondario; si tratta di una soluzione costosa, ma che in genere porta a un controllo perfetto del FET. Un modo più semplice ed economico rispetto ai due metodi precedenti è aggiungere un avvolgimento di azionamento del gate al trasformatore fly-buck. Questa tecnica «autoazionata» ha un costo di pochi centesimi, ma sfortunatamente questo semplice metodo presenta uno svantaggio: la temporizzazione non può essere controllata perfettamente, il che può causare una breve corrente di shoot-through, aumentando quindi la dissipazione di potenza e riducendo l'efficienza. Il circuito dovrebbe essere verificato in laboratorio per garantirne un funzionamento sicuro in tutte le condizioni, ma un raddrizzatore sincrono autoazionato permette comunque di migliorare l'efficienza e la regolazione della tensione di uscita rispetto a un diodo di uscita. La Figura 1 mostra il semplice circuito di un FET sincrono autoazionato (evidenziato in marrone).

Nel controllo del lato primario, la tensione di uscita secondaria viene regolata attraverso l'accoppiamento della tensione del lato primario. L'uscita secondaria è controllata solo dall'uscita principale e dal trasformatore. Le cadute di tensione del raddrizzatore di uscita o gli elementi parassiti come l'induttanza di dispersione, la resistenza degli avvolgimenti, il layout o gli altri componenti non possono essere compensati. Pertanto, in genere, è possibile ottenere solo una regolazione della tensione di uscita fra il 5% e il 10% circa. Se è necessaria una regolazione migliore, è possibile utilizzare un fotoaccoppiatore per regolare la tensione di uscita secondaria. In che modo funziona la regolazione della tensione di uscita? La Figura 1 mostra il circuito semplificato di un progetto regolato da un fotoaccoppiatore. Un amplificatore di errore (U3) come il TL431 viene utilizzato insieme a un fotoaccoppiatore per realizzare l'isolamento del circuito di feedback. Una piccola variazione della tensione di uscita dovuta a variazioni di linea o di carico viene rilevata dall'ingresso dell'amplificatore di errore e confrontata con una tensione di riferimento interna. Le differenze fra la tensione di uscita ripartita (R7, R8) e la tensione di riferimento vengono convertite in una corrente di errore. Questo segnale di errore viene trasmesso al lato primario attraverso il fotoaccoppiatore. Sul lato primario il controller (U1) regola la tensione primaria negativa. Analogamente al lato secondario, un partitore di resistenze (R3, R4) viene utilizzato per misurare e confrontare la tensione di uscita con la tensione di riferimento interna del controller. In altre parole, sono presenti due percorsi di feedback, uno sul lato primario e uno sul lato secondario. La combinazione di questi due percorsi di feedback viene realizzata semplicemente collegando il transistor fotoelettrico al partitore di resistenze sul lato primario (vedere la Figura 1). Il transistor fotoelettrico è parallelo alla resistenza high-side (R3), pertanto la resistenza effettiva può essere solo diminuita. Per questo motivo il partitore di resistenze sul lato primario deve essere scelto con cura. Affinché il circuito secondario possa controllare entrambe le direzioni (aumentando e riducendo la tensione di uscita), il circuito primario stesso deve regolare una tensione primaria più alta (valore assoluto) rispetto a quella richiesta. In pratica, il partitore di tensione sul lato primario deve essere impostato per un valore assoluto più alto rispetto alla tensione di uscita negativa. Pertanto il circuito secondario è in grado di aumentare e ridurre la tensione di uscita necessaria durante i transienti.

La topologia fly-buck è diventata sempre più diffusa negli ultimi anni. In particolare, nelle applicazioni con un ampio intervallo di tensioni di ingresso o con un ampio intervallo di livelli di potenza, le prestazioni di un fly-buck risultano talvolta insufficienti. I metodi qui descritti presentano alcune soluzioni per migliorare il comportamento di questa topologia isolata. Un esempio pratico di un fly-buck invertente con feedback a fotoaccoppiatore e rettificazione sincrona è mostrato nel progetto di riferimento PMP30197 di Texas Instruments. 

L'efficienza di picco è superiore al 92%  e la regolazione del carico è migliore dell'1,5%). Tutti i documenti tecnici, come Schemi, Relazione di test, BOM (distinta base) o File Gerber sono disponibili per il download all'indirizzo www.ti.com/tool/pmp30197.