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Una scelta intelligente: isolatori digitali per il vostro contatore smart

Una scelta intelligente: isolatori digitali per il vostro contatore smart | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
Autore dell'articolo: Shashank Sharma

Tutti i principali paesi stanno investendo nelle smart grid e si impegnano a farne un successo. Perché? Poiché la domanda di energia sta aumentando, la distribuzione della rete e dell'energia sarà fondamentale. Con l'aumentare della domanda, aumenta anche il costo dell'energia perché le risorse per generare elettricità sono limitate, determinando un'enorme crescita in questo segmento. Esistono più di 900 milioni di contatori di energia in tutto il mondo, con circa il 65% ancora da implementare.

Per definizione, per smart grid si intende un flusso bidirezionale di energia e comunicazione dalla generazione al consumo (end-to-end). Un contatore intelligente è l'apparecchiatura terminale fondamentale di questa catena, che misura e comunica l'utilizzo di energia e supporta fatturazione automatica, disconnessione remota, modelli di determinazione del prezzo in base alle fasce orarie ecc.

Questo post ha l'obiettivo di spiegare dove è necessario l'isolamento in un'applicazione a contatore intelligente.

Un contatore intelligente include una scheda di comunicazione, la quale può essere dotata di comunicazione cablata o wireless. L'interfaccia di comunicazione cablata più comunemente utilizzata per le applicazioni di lettura dei contatori è la RS-485. In questo caso, l'isolamento è necessario per interrompere la differenza di potenziale tra il contatore di energia e il nodo di lettura del contatore, che potrebbe trovarsi a centinaia di metri di distanza.

Alcuni contatori di energia dispongono di una porta RS-232 per consentire agli operatori umani di collegare le apparecchiature di lettura dei contatori direttamente al contatore. In questi casi, l'isolamento è necessario per evitare scosse elettriche e danni alle apparecchiature di lettura dei contatori causati da picchi di alta tensione che possono verificarsi sulla rete in CA.

Nel caso delle reti elettriche intelligenti polifase, i sensori shunt stanno diventando più popolari rispetto ai trasformatori di corrente (TC) per il rilevamento della corrente di fase. Il vantaggio principale dell'utilizzo di un sensore shunt su un TC è la maggiore immunità della funzione di misurazione alla manomissione magnetica. Pertanto, la tendenza globale punta verso contatori intelligenti polifase basati su shunt.

In un sistema che necessita di campionare tensione e corrente per ogni fase, per preservare l'isolamento fase-fase è possibile utilizzare un microcontrollore per metrologia (MCU) o un convertitore analogico/digitale dedicato (ADC) per ciascuna fase. I parametri della rete vengono trasmessi attraverso la barriera di isolamento all'unità MCU host, che provvede all'aggregazione e alla comunicazione dei dati. Pertanto, è necessario un dispositivo di isolamento tra l'MCU host e le MCU/gli ADC per la metrologia.

Un altro caso d'uso per l'isolamento nei contatori intelligenti è per la verifica dell'accuratezza di energia attiva e reattiva del contatore collegando un contatore di riferimento. Il contatore intelligente emette impulsi a una frequenza proporzionale alla quantità di energia consumata dal carico. Un contatore di riferimento determina l'accuratezza del contatore intelligente calcolando l'errore in base a questi impulsi.

Un dispositivo di isolamento fornisce l'isolamento galvanico tra il contatore intelligente e il contatore di riferimento.

Secondo recenti rapporti di settore, si prevede che le utility di distribuzione a livello mondiale spenderanno circa 378 miliardi di dollari nelle tecnologie smart grid entro il 2030. Indubbiamente, i contatori intelligenti saranno la tendenza del futuro, con la comunicazione bidirezionale che aiuterà i consumatori e le aziende a connettersi tra loro in modo più efficace. Al tempo stesso, tuttavia, verrà posta un'enfasi maggiore su standard di sicurezza più elevati e sull'affidabilità di comunicazione dei dati.

Gli optoaccoppiatori forniscono tradizionalmente isolamento da molti anni, ma con il passaggio del settore verso un'infrastruttura di misurazione avanzata è necessario adottare un rating di isolamento più elevato (4 KVrms o superiore) e il supporto per una maggiore velocità di trasmissione dati con un minore consumo energetico.

Le normative per i contatori di energia in alcuni paesi impongono che lo strumento rimanga in servizio per un periodo di tempo molto più lungo; pertanto, è importante mantenere l'efficacia dell'isolamento per un periodo di 15 anni o più. Gli effetti del deterioramento negli optoaccoppiatori basati su LED (diodi ad emissione di luce) spesso ne limitano la durata a meno di 10 anni. Diventa quindi fondamentale scegliere una barriera di isolamento alternativa che sia più affidabile e che duri per più di 15 anni.

Gli isolatori digitali della serie ISO77xx di TI sono isolatori digitali a 5 KVrms rinforzati ad alte prestazioni. Gli isolatori di TI utilizzano il biossido di silicio (SiO2) come materiale dielettrico, che presenta un'elevata resistenza alla rottura (500-800 V/μm). Questi isolatori capacitivi sono immuni all'umidità e alla temperatura e possono durare per oltre 40 anni, permettono di isolare gli ingressi/le uscite digitali (I/O) CMOS (complementary metal-oxide semiconductor, semiconduttori con ossido di metallo complementare), forniscono un'elevata immunità elettromagnetica, hanno emissioni irradiate molto ridotte e un consumo energetico molto basso.

L'architettura intrinseca degli isolatori ottici limita la velocità dei dati a pochi kilobit al secondo, mentre gli isolatori capacitivi di TI sono in grado di gestire velocità di trasmissione dati fino a 100 Mbps. Sul mercato esistono optoaccoppiatori ad alta velocità, ma il loro costo inizia ad essere elevato a partire da velocità superiori a 1 Mbps. Inoltre sono disponibili pochi optoaccoppiatori ad alta velocità con più di due canali in un singolo package, mentre gli isolatori capacitivi di TI sono disponibili con ben sei canali in un singolo package SOIC (small-outline integrated circuit) da 16 pin. All'aumentare del numero di canali di isolamento in un sistema, il vantaggio della soluzione a basso costo degli optoaccoppiatori inizia a diminuire, poiché un isolatore digitale multicanale integrato richiede meno componenti esterni e occupa molto meno spazio sulla scheda.

Per questi motivi, gli isolatori digitali sono preferibili agli optoaccoppiatori per i contatori di energia intelligenti.

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Una soluzione interessante per #smartmetering #smartgrid  @TXInstrumentsEU
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Fly-buck ad alte prestazioni da Texas Instruments

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.
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Un #progetto pronto per le esigenze di #power @TXInstrumentsEU
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TI presenta i microcontrollori a chip singolo più accurati per contatori d’acqua intelligenti con rilevamento ad ultrasuoni

TI presenta i microcontrollori a chip singolo più accurati per contatori d’acqua intelligenti con rilevamento ad ultrasuoni | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
I nuovi MCU ad ultrasuoni e nuovi progetti di riferimento rendono più intelligenti i contatori d’acqua elettronici e meccanici.
 
Texas Instruments (TI) (NASDAQ: TXN) ha presentato una nuova famiglia di microcontrollori (MCU) MSP430™ con un front-end analogico integrato per il rilevamento ad ultrasuoni che consente ai contatori d’acqua intelligenti di fornire risultati più accurati con un basso consumo energetico. 
TI ha inoltre presentato due nuovi progetti di riferimento che semplificano la progettazione di moduli per aggiungere capacità di lettura automatizzata (AMR) ai contatori d’acqua meccanici esistenti. I nuovi MCU e i progetti di riferimento soddisfano la crescente domanda di contatori d’acqua più precisi e di sistemi di telelettura dei contatori per consentire una gestione efficiente delle risorse idriche, misurazioni accurate e brevi tempi di fatturazione.
 
Più intelligenza e precisione per il rilevamento della portata
 
Parte integrante della gamma di MCU MSP430 a consumo ultraridotto per il rilevamento e la misurazione, la nuova famiglia di microcontrollori MSP430FR6047 consente agli sviluppatori di aggiungere funzionalità ’intelligenti’ ai misuratori di flusso sfruttando una funzione di cattura di forme d’onda complete e l’elaborazione dei segnali basata su convertitore analogico/digitale (ADC). 
Questa tecnica permette di ottenere misurazioni più accurate rispetto ai dispositivi della concorrenza, con una precisione di 25 picosecondi o migliore, anche con portate inferiori a 1 litro all'ora. Inoltre, i dispositivi integrati MSP430FR6047 riducono il numero di componenti dei sistemi di misurazione dell’acqua del 50% e il loro consumo energetico del 25%, permettendo a un contatore di funzionare per 10 o più anni senza dover ricaricare la batteria.
I nuovi MCU integrano anche un modulo acceleratore a bassa energia per l’elaborazione avanzata dei segnali, una memoria ad accesso casuale ferroelettrica (FRAM) da 256 KB, un driver per display a cristalli liquidi (LCD) e un’interfaccia per il controllo delle misurazioni. Per maggiori informazioni sugli MCU MSP430FR6047, visitare www.ti.com/MSP430FR6047-pr-eu.
L’MSP430 Ultrasonic Sensing Design Center offre un ecosistema di sviluppo completo che permette agli sviluppatori di arrivare sul mercato in pochi mesi. 
Il Design Center offre strumenti per un rapido sviluppo e una personalizzazione flessibile, tra cui librerie software, un’interfaccia grafica (GUI), moduli di valutazione con metrologia e librerie per l’elaborazione digitale dei segnali (DSP).
 
Progetti di riferimento compatti a bassa potenza per aggiungere la comunicazione wireless ai contatori meccanici 

Il nuovo progetto di riferimento per la misurazione dei flussi d’acqua con rilevamento induttivo a bassa potenza di TI è una soluzione compatta per la misurazione elettronica dei flussometri meccanici che garantisce una maggiore durata della batteria grazie al basso consumo energetico. Basato su un MCU wireless dual band CC1350 SimpleLink™ a chip singolo, questo progetto di riferimento offre ai progettisti anche la possibilità di aggiungere comunicazioni wireless dual band per reti AMR (Automated Meter Reading). Grazie all’ingombro ridotto del progetto di riferimento, i progettisti possono adattare facilmente anche i contatori meccanici esistenti, permettendo alle aziende erogatrici dell'acqua di aggiungere funzionalità AMR senza costose sostituzioni dei contatori già installati. Il microcontrollore wireless CC1350 consuma solo 4uA in fase di misurazione della portata d’acqua, garantendo una lunga durata del prodotto. 
Un altro nuovo progetto di riferimento riguarda una soluzione di alimentazione a bassissima potenza basata sull'MCU wireless SimpleLink™ Sub-1 GHz CC1310. Il progetto di riferimento per moduli di comunicazione M-Bus wireless a bassa potenza utilizza lo stack software M-Bus wireless di TI e supporta tutte le modalità operative M-Bus wireless nella banda 868 MHz. Il progetto di riferimento offre il migliore consumo energetico del settore e opzioni di supporto flessibili per implementazioni M-Bus wireless in più aree. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito www.ti.com/flowmeter-pr-eu. Disponibilità 
• Campioni degli MCU MSP430FR6047 sono acquistabili nel negozio TI. 
• È possibile richiedere un modulo di valutazione di EVM430-FR6047 online e scaricare il software nella pagina MSP430 Ultrasonic Sensing Design Center. 
Le risorse seguenti, disponibili per il download, consentono di velocizzare l’avvio di un progetto e aggiungere funzionalità di misurazione e comunicazione intelligente ai contatori d’acqua meccanici: 
• Progetto di riferimento per la misurazione dei flussi d’acqua con rilevamento induttivo a bassa potenza. 
• Progetto di riferimento per moduli di comunicazione M-Bus wireless a bassa potenza. 
• Software M-Bus wireless. Per saperne di più sulle tecnologie di TI per i contatori d’acqua intelligenti 
• Scaricare il white paper “Ultrasonic sensing technology for flow metering”. 
• Leggere un blog con un confronto tra misurazione ad ultrasuoni e misurazione tradizionale. 
• Guardare la nostra serie di video sul rilevamento ad ultrasuoni.
Antonio Cirella's insight:
nuovi #microcontrollori a #ulltrasuoni @TXInstrumentsEU
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Come alimentare una casa intelligente con un semplice caricabatterie

Come alimentare una casa intelligente con un semplice caricabatterie | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
I progressi nella connettività wireless e nella tecnologia di elaborazione embedded a bassa potenza hanno reso possibili nuove applicazioni per case ed edifici intelligenti. Ovviamente la maggior parte dei sistemi domotici intelligenti è dotata di un pannello di controllo o di un'unità di base in una posizione fissa che si collega al sistema di alimentazione in CA. Tuttavia può essere presente anche un certo numero di sensori o telecamere wireless distribuiti (e mobili) che fanno parte del sistema nel suo complesso. Questi dispositivi periferici non sono sempre posti vicino a una fonte di alimentazione permanente. 

Molti di questi sensori o telecamere wireless necessitano di batterie; il loro uso frequente richiede quindi una sostituzione regolare della batteria, con conseguente aumento dei costi di manutenzione nel tempo. Di conseguenza, le batterie ricaricabili stanno diventando più diffuse per questi accessori modulari. In alcuni casi, l'unità del pannello di controllo è dotata anche di una batteria per fornire alimentazione di backup o di un allarme in caso di interruzione dell'alimentazione in CA.

Nello sviluppo di un sistema domotico intelligente, probabilmente è desiderabile concentrare i propri sforzi sulle funzionalità del sistema e non sull'aspetto basilare dell'alimentazione e della ricarica. Da quando le batterie agli ioni di litio sono diventate particolarmente comuni negli ultimi anni, esistono numerose opzioni per soluzioni a circuito integrato dedicate alla ricarica delle batterie.

Per batterie di ridotte dimensioni e con basse correnti di carica è possibile utilizzare un caricabatterie lineare economico (e relativamente facile da implementare). Tuttavia, i dispositivi periferici dalle prestazioni più elevate, come le fotocamere ad alta risoluzione, potrebbero necessitare di una batteria di maggiori dimensioni per garantire una lunga autonomia. Ne deriva la necessità di una maggiore corrente di carica, che a sua volta richiederà un caricabatterie in modalità commutata. In caso contrario, la quantità di calore generata dalla perdita di potenza in un caricatore lineare sarà eccessiva.

In che modo è possibile ottenere una soluzione flessibile e regolabile per diversi tipi di batteria senza dover investire nello sviluppo di software o disporre un complesso PCB? È qui che entra in gioco il caricabatterie bq25606 che mette a disposizione tutte le funzionalità necessarie per una tipica soluzione di ricarica e di alimentazione del sistema a batteria singola. Il bq25606 consente di ottimizzare la corrente di carica e la tensione del terminale della batteria utilizzando soltanto un paio di valori di resistenza. Inoltre è dotato di protezione da sovratensione integrata per proteggere dai transienti della linea elettrica o di connessione e può rilevare automaticamente la potenza messa a disposizione dalla maggior parte delle sorgenti di alimentazione USB standard.

È possibile regolare il limite di corrente in ingresso e la corrente di carica, oltre a impostare la tensione della batteria (4,2 V, 4,35 V o 4,4 V in base alle necessità per un dato tipo di batteria) con poche semplici scelte per i componenti esterni. «Intelligente» non deve essere per forza sinonimo di complicato, nel caso di una soluzione di ricarica della batteria per uso generico.

In un mercato dinamico e in continua evoluzione, il successo di un prodotto finale potrebbe dal giungere sul mercato più velocemente rispetto alla concorrenza. Ipotizzando di utilizzare un tipo di sorgente di alimentazione standard agli ioni di litio, è possibile ricorrere a una soluzione di ricarica autonoma semplice e pronta all'uso per risparmiare tempo rispetto allo sviluppo di una soluzione personalizzata o programmabile. Il bq25606 permette di ottimizzare le impostazioni della corrente e della tensione di carica con poche semplici scelte per i componenti e di rendere il prodotto operativo e funzionante in pochi minuti.

• Che cosa si può fare con la ricarica semplice? https://training.ti.com/what-can-simple-charging-do
• Informazioni sulle specifiche di circuiti integrati per caricabatterie https://training.ti.com/understanding-battery-charging-ic-specifications-part-1?cu=1128109 
• Protezione da tensione transitoria per caricatori di batterie agli ioni di litio https://training.ti.com/understanding-ovp-and-transient-protection-single-cell-battery-chargers?cu=1127702
• Ulteriori risorse per la progettazione nell'automazione degli edifici http://www.ti.com/lsds/ti/applications/industrial/building-automation/overview.page
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Alimentare un sistema domotico con caricabatterie low cost da oggi si può grazie a @txinstruments #batterycharger #domotica
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Da Texas Instruments un Flyback ad alta potenza con potenza di uscita superiore a 150W

Da Texas Instruments un Flyback ad alta potenza con potenza di uscita superiore a 150W | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
Di Florian Mueller - Texas Instruments

Introduzione

Un convertitore flyback è molto interessante perché costituisce tipicamente la topologia isolata meno costosa che utilizza il minor numero di componenti. Per i progetti flyback fuori linea è molto diffuso l'impiego di un controller con commutazione a valle in quanto la minore tensione durante l'accensione del MOSFET riduce le perdite di commutazione. Per applicazioni ad alta potenza questa topologia presenta un grande svantaggio perché il controller funziona sempre in modalità di conduzione discontinua (DCM), pertanto le correnti d'onda d'ingresso e di uscita sono molto elevate. Queste correnti elevate limitano la potenza di uscita massima. 
Un flyback ad alta potenza deve essere in grado di lavorare in modalità di conduzione continua, come l'UCC28630 di Texas Instruments. La capacità di operare sia in modalità CCM (modalità di conduzione continua) sia DCM rende il dispositivo adatto ad applicazioni con un'ampia gamma di potenze. L'UCC28630 utilizza il feedback magnetico attraverso l'avvolgimento di polarizzazione per chiudere il circuito di feedback, consentendo ai progettisti di bypassare l'accoppiatore ottico e di offrire una soluzione a basso costo. Questo articolo fornisce nozioni di progettazione e suggerimenti pratici per una buona ottimizzazione del progetto. 

La potenza di uscita massima per le topologie flyback non è limitata solo dalle correnti di picco primarie e secondarie, ma anche le perdite dei componenti dello stadio di potenza possono essere un fattore limitante. Il componente più importante del circuito, oltre al controller, è il trasformatore. Tipicamente si utilizza un trasformatore su misura per tale progetto. 
Questo trasformatore deve essere ben specificato e costruito, in quanto è responsabile di una grande percentuale delle perdite totali. Le perdite totali possono essere suddivise in perdite interne ed esterne. Le perdite interne sono perdite nel core e nel rame, mentre le perdite esterne sono causate dall'induttanza di dispersione.

Riduzione al minimo delle perdite esterne del trasformatore

Un'elevata induttanza di dispersione può causare problemi. L'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione deve essere dissipata in un soppressore esterno. Se l'energia è troppo alta, la rete del soppressore non riesce più a dissipare il calore. In particolare nel caso di applicazioni ad alta potenza è importante ridurre al minimo il rapporto fra l'induttanza primaria e l'induttanza di dispersione. La causa dell'induttanza di dispersione è il mancato accoppiamento del flusso magnetico tra uno degli avvolgimenti e gli altri avvolgimenti. L'energia di dispersione è immagazzinata negli spazi tra gli avvolgimenti. Come ridurre al minimo l'induttanza di dispersione? La dispersione dipende principalmente dalla geometria dell'avvolgimento. Riducendo al minimo il numero di strati, le spire per avvolgimento o una bobina più larga permettono di ridurre l'induttanza di dispersione. Gli avvolgimenti con interleave sono un ulteriore metodo molto efficace per ridurre la dispersione. Tuttavia, occorre tenere presente che ridurre al minimo l'induttanza di dispersione aumenta lo spazio tra gli avvolgimenti, comportando a sua volta un aumento della capacità tra gli avvolgimenti e quindi l'EMI. Ciò significa che è necessario trovare un compromesso tra una bassa induttanza di dispersione e una bassa capacità tra gli avvolgimenti. Perché occorre evitare un'alta capacità tra gli avvolgimenti? Molto spesso la massa secondaria è collegata alla terra. La corrente di modo comune scorre dal primario al secondario per via della tensione di commutazione attraverso la capacità tra gli avvolgimenti primario-secondario. Pertanto una maggiore capacità aumenta la corrente di modo comune. In genere è necessario un filtro d'ingresso più grande se il trasformatore è ottimizzato per dispersioni ridotte e non per una bassa capacità tra gli avvolgimenti. Nel PMP30092 vengono utilizzati due filtri di modo comune per ridurre il rumore di modo comune che deriva dalle capacità parassite verso terra. Un altro metodo per superare il problema dell'EMI è di utilizzare uno scudo aggiuntivo per trasformatore o un avvolgimento di cancellazione tra l'interfaccia primaria e la secondaria, che naturalmente rendono il trasformatore più costoso. 

 Riduzione al minimo delle perdite interne del trasformatore 

Per rendere più efficiente il trasformatore, è necessario scegliere un diametro del filo e un numero di strati ottimali, poiché le induzioni di correnti parassite all'interno dei fili per via dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità fanno sì che la resistenza in c.a. aumenti Si noti che un diametro troppo piccolo aumenta la resistenza in c.c., mentre un diametro troppo grande aumenta la resistenza in a.c. ed entrambi i casi provocano una scarsa efficienza. Le equazioni di Dowell o le più precise equazioni di Bruce Carsten possono essere utilizzate per calcolare il diametro ottimale del filo per una specifica frequenza di commutazione e uno specifico numero di strati.

Tensione del circuito soppressore 

In genere un flyback deve utilizzare un circuito soppressore per limitare la sovratensione della tensione di alimentazione derivante dall'induttanza di dispersione. La resistenza del circuito soppressore assorbe l'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione. È necessario fare attenzione alla tensione di bloccaggio. Una tensione di bloccaggio molto bassa rallenta la commutazione della corrente primaria verso il lato secondario. Di conseguenza, una quantità aggiuntiva dell'energia magnetizzante viene persa nel bloccaggio. Per evitare questa situazione, la tensione di bloccaggio deve essere circa 30-50% maggiore della tensione riflessa. 

Un buon accoppiamento con avvolgimento di polarizzazione 

Un controller regolato sul lato primario utilizza l'avvolgimento di polarizzazione per misurare e regolare la tensione di uscita, pertanto è necessario un buon accoppiamento con avvolgimento di polarizzazione. In genere si ottiene con la già citata «struttura di avvolgimento a sandwich», con la divisione del primario in due metà primarie e con tutti gli altri avvolgimenti inseriti a sandwich tra esse. Il vantaggio supplementare dell'interleave è una diminuzione dell'induttanza di dispersione della metà circa.
 
Gestione termica 

Un progetto ad alta potenza richiede una buona gestione termica. Una buona soluzione in termini di EMI è utilizzare parti SMD e di disporre rame a sufficienza sulla scheda per dissipare il calore. Ma se le perdite sono troppo alte, questo non è più possibile. Un dissipatore di calore è molto efficace, ma occorre ricordare che esso aumenta le capacità parassite verso terra e pertanto peggiora le caratteristiche di EMI. 

Condensatori di ingresso e uscita 

Come accennato in precedenza, le ondulazioni di ingresso e uscita di un flyback ad alta potenza sono molto elevate. La corrente discontinua provoca un'elevata ondulazione di corrente in c.a., che può sollecitare eccessivamente i condensatori di ingresso e uscita. Per evitare questa situazione, è consigliabile calcolare l'ondulazione massima della corrente in c.a.; in genere è necessario utilizzare alcuni condensatori in parallelo per condividere la corrente elevata.

Efficienza di carico leggero e risposta ai transienti

Il raggiungimento dell'efficienza di carico ottimale richiede un algoritmo di controllo intelligente. Il nostro controller flyback ad alta potenza UCC2863x funziona in più modalità per supportare tutti i livelli di potenza in modo efficiente. Il dispositivo regola la corrente di picco e la frequenza di commutazione tra 200Hz e 120kHz per regolare l'uscita. La frequenza effettiva di commutazione viene ridotta per requisiti di potenza di uscita più bassi. Questo porta ad una frequenza di commutazione molto bassa per carichi leggeri e quindi ad un'elevata efficienza di carico leggero. Purtroppo questo comporta un compromesso tra l'elevata efficienza di carico leggero e una risposta transitoria veloce in un flyback regolato sul lato primario. Un regolatore sul lato primario non esegue costantemente il monitoraggio della tensione di uscita. Il controller campiona la tensione ausiliaria solo una volta per ogni ciclo di commutazione per controllare la tensione di uscita. Nella restante durata del periodo il controller è «cieco». Il rilevamento di un transiente di carico può richiedere anche l'intera durata del periodo, con il risultato di una risposta ai transienti peggiore per le frequenze di commutazione inferiori. Per evitare questo svantaggio di un controller regolato sul lato primario, Texas Instruments propone un controller di wake-up secondario (UCC24650) per una rapida regolazione dei transienti sul lato primario. Se si utilizza questo monitor di wake-up, è possibile ottenere una risposta rapida ai transienti e contemporaneamente una buona efficienza di carico leggero e una bassa potenza in standby.

Conclusione 

È possibile superare i livelli di potenza di uscita di 150W con un controller flyback. L'algoritmo di controllo intelligente dell'UCCC28630 che consente la modulazione di ampiezza e di frequenza in CCM e DCM consente un'elevata potenza di uscita. Un esempio è il progetto di riferimento per flyback industriale di Texas Instruments PMP30092 che raggiunge una potenza di picco di 160W. Per ottenere questo livello di potenza è necessario ottimizzare il layout, il circuito e il trasformatore. Tutti i documenti di progetto come schemi, relazione dei test, distinta base e file di layout possono essere scaricati all'indirizzo:
 

Bibliografia 

Visitate la libreria di progetti di riferimento Powerlab di TI con oltre 1500 progetti di riferimento per l'alimentazione completamente testati:
 
 
Progetto di riferimento PMP30092:

 
Per ulteriori informazioni sulle tecnologie di alimentazione e sui controller, visitate: 


Informazioni sull'autore 

Florian Mueller è nato a Rosenheim, in Germania, nel 1976. Ha conseguito la laurea in ingegneria elettrica presso l'Università di Haag. Dopo aver lavorato per diversi anni come freelance nel settore dell'elettronica, è entrato a far parte di TI nel 2008 e lavora allo European Power Design Services Group, con sede a Freising, in Germania. La sua attività di progettazione comprende convertitori c.c./c.c. e c.a./c.a. isolati e non isolati per tutti i campi di applicazione.
Antonio Cirella's insight:
interessante articolo tecnico da @TXInstrumentsEU
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Una nuova famiglia di SoC Texas Instruments abbatte i costi della comunicazione Ethernet industriale multi-protocollo

Una nuova famiglia di SoC Texas Instruments abbatte i costi  della comunicazione Ethernet industriale multi-protocollo | HYPES  - Electronic components | Scoop.it

La comunicazione Ethernet industriale a costi ottimizzati è ora disponibile con la nuova famiglia di SoC Sitara™ AMIC di Texas Instruments (NASDAQ: TXN). 

L'AMIC110 SoC è un processore di comunicazione industriale multiprotocollo che offre una soluzione pronta all'uso in grado di supportare oltre 10 standard industriali di comunicazione Ethernet e bus di campo. Il dispositivo sfrutta la piattaforma software unificata di TI, il SDK per processore e la programmabilità del sottosistema di comunicazione industriale di TI (PRU-ICSS) per il supporto della comunicazione industriale nelle applicazioni di automazione industriale e di controllo. 

Il nuovo Sitara AMIC110 SoC di TI consente agli sviluppatori di convertire i progetti già esistenti ma non in rete, come gli azionamenti per motori, in sistemi in rete aggiungendo l'Ethernet industriale. A differenza dei circuiti integrati specifici per l'applicazione (ASIC), che possono supportare solo un singolo standard di Ethernet industriale, l'unità programmabile in tempo reale (PRU-ICSS) degli SoC AMIC110 supporta numerosi protocolli diversi, compresi EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP, PROFIBUS master e slave, HSR, PRP, POWERLINK, SERCOS III, CANopen e molti altri in corso di sviluppo. 
Mentre il mercato si sposta verso l'Industria 4.0, una soluzione programmabile apre la strada verso progetti in grado di supportare più standard con modifiche hardware assenti o minime. 
Basato sulla collaudata piattaforma preprocessore Sitara dotata di periferiche flessibili, intervalli di temperatura industriale e supporto software unificato, l'SoC AMIC110 è stato sviluppato per i progettisti industriali. L'SoC Sitara AMIC110 funge da dispositivo di comunicazione ausiliario per un microcontroller (MCU) come la MCU C2000™ di TI per applicazioni di azionamento connesse. 
Sfruttando i punti di forza del kit di sviluppo C2000 MCU LaunchPad™ e la scheda di sviluppo del motore di comunicazione industriale AMIC110 (ICE, industrial communication engine), gli sviluppatori possono creare una soluzione ad elevata integrazione e scalabile, pronta per l'Industria 4.0. 

È possibile avviare rapidamente un progetto con l'SoC AMIC110 scaricando il Progetto di riferimento per EtherCAT Slave ed Ethernet industriale multiprotocollo. Oltre all'AMIC110, questo progetto di riferimento presenta anche il dispositivo DP83822 PHY che ben si adatta alle applicazioni di Ethernet industriale. 
Prezzi e disponibilità 

L'AMIC110 SoC è ora disponibile sul negozio TI e presso i distributori autorizzati a US $ 6,00 in quantità da 1.000 pezzi. 

Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web: www.ti.com/amic110-pr-eu



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