In questo tutorial vedremo alcune simulazioni sui convertitori Buck. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. E’ un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, acquisizione schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici.

Convertitori buck

Il Buck è un regolatore switching DC-DC ampiamente utilizzato. E’ anche conosciuto con il nome di “Step-down”. I produttori offrono circuiti integrati buck con i rispettivi controller. Un convertitore DC-DC step-down è un dispositivo in grado di convertire una tensione di ingresso in una tensione di uscita inferiore alla tensione di ingresso (step-down, VO<VIN). Il convertitore buck è composto da un interruttore (realizzato con un MOSFET) pilotato da un quadrato d’onda, un diodo e un filtro LC. Il valore della frequenza del PWM, con il valore di L1 e C1 determina la tensione di uscita nel circuito. Anche il carico può determinare la tensione di uscita. Quando M1 è sulla fase “on” e il diodo è bloccato, durante la prima fase, la tensione sull’induttanza è:

VL1(on)=Vin-Vout

Quando M1 è nello stato “off” e il diodo è in conduzione, durante la prima fase, la tensione sull’induttanza è:

VL1(off)=-Vout

Schema elettrico

Osserviamo lo schema elettrico di figura 1. Si tratta di un convertitore Buck che ha le seguenti caratteristiche:

• alimentazione: 50 VDC;
• elemento di commutazione: IRF530 alla frequenza di 20 kHz;
• induttanza di 400 uH;
• condensatore da 100 uF;
• carico di 30 Ohm.

Figura 1: lo schema elettrico di un convertitore Buck.

Simulazione

Iniziamo lo studio del convertitore Buck effettuando una simulazione preliminare che osservi i seguenti parametri:

• la tensione di ingresso del circuito;
• la tensione di uscita sul carico;
• la tensione quadratica dell’impulso che permette lo stato di commutazione.

La simulazione dura 2 millisecondi, quindi puoi osservare 40 periodi dell’oscillazione. Nel grafico della figura 2 possiamo vedere tre tracce:

• la traccia verde indica la tensione di alimentazione del circuito a 50 V (VCC);
• la traccia ciano mostra il treno di impulsi a 45 V per l’accensione e lo spegnimento del MOSFET (Vgate);
• la traccia rossa mostra la tensione di 20 V all’uscita del circuito, sul carico di 30 Ohm (Vout).

Figura 2: nel grafico di questa simulazione possiamo osservare la tensione di ingresso, la tensione di uscita e il segnale di commutazione

Con i valori attuali dei componenti utilizzati in questo circuito, possiamo notare alcune circostanze:

• il segnale di uscita, di 20 Vdc, si stabilizza dopo il transitorio di 1 mS, con un picco di 35 Vdc a 0,2 mS (figura 3a). Il progettista deve valutare questo aumento di tensione iniziale, per evitare di danneggiare i dispositivi;
• il segnale di uscita è influenzato da un ripple di 0,8 V (figura 3b). Può essere ridotto o eliminato aumentando la capacità del condensatore C1. Il valore del condensatore è stato volutamente scelto basso per evidenziare meglio l’ondulazione.

Figura 3: il picco iniziale del segnale di uscita (a) e il suo ripple (b)

La corrente sull’induttore

La corrente media sull’induttore è circa uguale alla corrente di uscita. Durante la fase “on” la corrente nel MOSFET sarà uguale alla corrente media nell’induttore più un ripple. Viceversa, durante la fase “off” la corrente circolante in D1 sarà pari alla somma della corrente media nell’induttanza più un ripple di corrente (vedi figura 4). Nel nostro esempio la corrente è di circa 700 mA.

Figura 4: la corrente sull’induttore I(L1) e sul carico I(R1)

Interessante è anche osservare il grafico della corrente che scorre sull’induttore, in corrispondenza del treno di impulsi sul gate del MOSFET (vedi figura 5). L’efficienza del circuito esaminato è di circa il 77%.

Figura 5: il grafico della corrente sull’induttore rispetto alla tensione pulsante sul MOSFET

Rumore e interferenze

Il convertitore Buck, per la sua media frequenza di commutazione e per la presenza di componenti reattivi, genera rumore elettrico e, in alcuni casi, può trasmettere il segnale elettrico nelle immediate vicinanze, come una vera radio. Molte oscillazioni prodotte dal circuito hanno una frequenza molto più alta della normale frequenza di commutazione del MOSFET. Osserviamo il grafico in figura 6. Misura la tensione del transitorio tra il tempo iniziale e 1 mS, al catodo del diodo. In altre parole, questa è la tensione all’uscita “Source” del MOSFET. Il grafico mette in relazione questa tensione con la corrente che passa attraverso l’induttore L1. Il rumore ad alta frequenza termina quando la corrente raggiunge il suo valore medio. La frequenza del rumore è di circa 420 kHz.

Figura 6: un convertitore Buck può generare un rumore elettrico ad alta frequenza

Nella figura 7 possiamo osservare lo spettrogramma all’uscita del MOSFET, prima del filtro LC. In esso possiamo vedere il segnale di commutazione a 20 kHz, volutamente superiore alla soglia uditiva dell’uomo.

Figura 7: lo spettrogramma alla sorgente del MOSFET

Regolatore di commutazione step-down IC

Esistono molti circuiti integrati che implementano un intero sistema di convertitori Bulk. Uno di questi è il modello LTC1707 di Analog Device. Si tratta di un regolatore buck sincrono in modalità di corrente monolitico ad alta efficienza che utilizza un’architettura a frequenza fissa. La gamma di alimentazione operativa va da 8,5 V fino a 2,85 V, il che lo rende adatto per applicazioni alimentate a batteria agli ioni di litio sia singole che doppie. Il funzionamento in modalità Burst fornisce un’elevata efficienza a basse correnti di carico. Il ciclo di lavoro al 100% fornisce un funzionamento a bassa caduta, estendendo il tempo di funzionamento nei sistemi alimentati a batteria. La frequenza di commutazione è impostata internamente a 350kHz, consentendo l’uso di induttori a montaggio superficiale di piccole dimensioni. Per applicazioni sensibili al rumore può essere sincronizzato esternamente fino a 550kHz. L’interruttore MOSFET sincrono interno aumenta l’efficienza ed elimina la necessità di un diodo Schottky esterno, risparmiando componenti e spazio sulla scheda. La figura 8 mostra un’applicazione dell’LTC1707 e l’uscita a 3,3 V su un carico di 30 Ohm.

Figura 8: Regolatore di commutazione step-down LTC1707

Nell’esempio la potenza dissipata dal carico è 0,355813 Watt e la potenza generata dalla batteria è 0,371479 Watt. La potenza persa dagli altri componenti è di 0,01566 watt. In queste condizioni, l’efficienza del convertitore Buck con l’LTC1707 è del 95,78%. L’efficienza non è fissa ma varia in base alla tensione di ingresso del circuito e del carico, come si può vedere nella tabella seguente.