Un convertitore DC-DC può anche innalzare il livello di tensione continua rispetto a quello di ingresso, oltre che abbassarlo. Questi tipi di convertitori sono detti “step-up” e sono molto usati per qualsiasi tipologia di applicazione. Essi risultano utili quando occorre aumentare la bassa tensione delle batterie e degli accumulatori, a livelli più alti. In questo articolo saranno esaminati gli schemi di principio e il funzionamento dei convertitori step-up.

Il convertitore step-up

Anche nei circuiti convertitori step-up vengono utilizzati gli interruttori elettronici (ad esempio i MOSFET) opportunamente pilotati in commutazione. Un convertitore step-up, chiamato anche boost, è un convertitore di potenza DC-DC che aumenta la tensione d’ingresso, fornendola più alta in uscita. Il circuito switching è costituito da un interruttore elettronico (un BJT, un Mosfet o altro) che commuta alternativamente in posizione ON e OFF a frequenza molto elevata (vedi lo schema elettrico generale in figura 1). La frequenza di commutazione è sicuramente maggiore o superiore a quella ultrasonica (>20 kHz). Lo schema è generico è utilizza le capacità dell’induttore di immagazzinare l’energia. Il generatore di tensione V1 (in questo esempio da 12 V) è ideale, ma grazie al resistore R2 da 0.1 ohm in serie a esso, il suo funzionamento in simulazione è abbastanza reale. Lo stesso resistore R3 in serie all’induttore L1 rende il suo comportamento molto realistico. L’interruttore elettronico S1 è generico e potrebbe essere sostituito da un MOSFET. Nell’esempio esso ha un valore Rds(on) di 0.1 Ohm e un valore Rds(off) di 1 MegaOhm. Il pilotaggio avviene attraverso il generatore switching V2, con una frequenza di pilotaggio pari a 20 kHz e un duty cycle del 50%.

Figura 1: nel convertitore step-up è sufficiente modificare il duty-cycle del segnale switching per cambiare la tensione di uscita

E’ interessante notare che il circuito innalza la tensione modificando il duty cycle. Nel caso di default dello schema di esempio, un duty cycle del 50% e un carico resistivo da 15 Ohm si assicura una tensione continua media di uscita di circa 26.8 V, così come si può osservare nell’oscillogramma di figura 2. Il punto di equilibro del transitorio avviene dopo circa 5 ms. Nel grafico si può notare la presenza di un leggero tasso di ripple, che può essere attenuato o eliminato aumentando la capacità del condensatore di filtro C1. La presenza del ripple causa, ovviamente, la comparsa di armoniche pari e dispari nel segnale. L’aumento di tale capacità del condensatore riesce a ridurre le armoniche, ma allunga i tempi del transitorio secondo la nota legge della costante di tempo nei circuiti RC.

Figura 2: i componenti di default dello schema elettrico del convertitore step-up permettono di ottenere una tensione di uscita continua di circa 26.8 V

I condensatori di filtro devono essere attentamente selezionati dal progettista. Innanzitutto essi devono sopportare la massima tensione in uscita e se la loro tensione dovesse essere minore di quella di uscita, essi potrebbero facilmente esplodere. Nella loro scelta, quindi, occorre valutare attentamente anche la capacità. Se tale valore è troppo basso, il ripple potrebbe risultare elevato e non si otterrebbe una buona tensione continua ma più simile a un segnale triangolare, del tutto inaccettabile per la maggior parte delle applicazioni. Se, viceversa, il valore è troppo alto, la tensione in uscita sarebbe molto pulita e continua, ma i tempi del transitorio potrebbero risultare alquanto elevati. In figura 3 si possono osservare i segnali di uscita del convertitore cambiando il valore del condensatore. Si notano le diverse percentuali di ripple, a seconda del valore di capacità. L’ammontare del ripple dipende anche dalla resistenza di carico.

Figura 3: diverse capacità di condensatore di filtro influiscono sul ripple del segnale di uscita

La seguente tabella mostra l’effetto del condensatore di filtro all’uscita, ai diversi valori di capacità. La lunghezza temporale del transitorio, come si vede, è abbastanza proporzionale al valore del condensatore. La percentuale del ripple dovrebbe, invece, attestarsi al di sotto del 2%, per ottenere una ottima tensione all’uscita del convertitore.

Una delle formule per il calcolo della percentuale del ripple è la seguente:

dove:

• % Ripple: è l’ammontare del segnale di ripple espresso in percentuale;
• V(ripple)pp: è il valore picco picco dell’ondulazione, ossia la differenza aritmetica tra il suo valore massimo e il suo valore minimo;
• Vout: è il valore medio della tensione di uscita del convertitore.

Il calcolo della percentuale del ripple dovrebbe essere effettuato sempre con il carico collegato all’uscita del circuito.

Il funzionamento del convertitore step-up

Il lavoro del circuito step-up può essere esaminato in due stati distinti di funzionamento, come si può evincere nell’oscillogramma della figura 4. Nel periodo in cui l’interruttore elettronico S1 è chiuso, la corrente cresce e l’energia viene immagazzinata nell’induttore L1. Quando l’interruttore S1 è aperto, tutta l’energia che si è immagazzinata nell’induttore passa sul carico attraverso il diodo. In questa fase la corrente diminuisce. Il valore della tensione di uscita è legata alla seguente formula:

dove:

• Vout: è il valore della tensione di uscita del convertitore;
• Vs: è il valore minimo della tensione di uscita quando il duty cycle è minimo (k=0);
• L: è il valore dell’induttore;
• I: è la corrente sull’induttore;
• t1: è il tempo in ON;
• t2: è il tempo in OFF;
• k: è la rappresentazione unitaria del duty cycle (0=0%, 1=100%).

Il valore della tensione di uscita dipende fortemente anche dal duty cycle del segnale switching (k). Saranno analizzate, adesso, i diversi valori di uscita del circuito, a parità di carico, con diverse percentuali di duty cycle, ricordando che la tensione di alimentazione del circuito, in questo esempio, è sempre 12 V.

Questa tabella è molto importante poiché ci fa comprendere, guardando anche il grafico della figura 5, che con un duty cycle maggiore del 90%, la tensione di uscita comincia a diminuire, alle condizioni di questo circuito, ossia di frequenza, di carico e di induttanza. Nel caso specifico, inoltre, con un duty cycle pari al 98%, il valore del ripple è molto alto e inaccettabile. Questo fatto deve mettere in guardia il progettista a scegliere i corretti valori di duty cycle. Il grafico riporta anche il segnale della batteria di 12 V, per avere un riferimento dell’innalzamento della tensione in uscita.

Figura 5: il grafico della tensione di uscita del convertitore, in dipendenza al duty cycle del segnale switching

Un semplice convertitore da 1.5 V a 5 V con circuito integrato

Lo schema elettrico di principio visto prima è funzionante, ma per ottenere una buona funzionalità da esso occorre realizzare il relativo generatore switching e anche un buon driver per pilotare il gate del MOSFET utilizzato. A ogni modo il mercato elettronico mette a disposizione dei progettisti degli ottimi circuiti integrati che eseguono tutto il lavoro della generazione del segnale PWM e che contengono anche l’interruttore elettronico. La figura 6 mostra un semplice convertitore step-up che innalza la tensione continua di 1.5 V (di una piccola pila AA) a 5 V. Con i componenti elettronici utilizzati nello schema elettrico e con il carico adottato, la percentuale del ripple è del 2.6%, ma le prestazioni possono essere ulteriormente migliorate. Nell’oscillogramma si noti il tempo di durata del transitorio (in questo caso di circa 4 mS) nel quale il sistema si mette a regime. Lo schema proposto è utilizzato per basse potenze, ma se si vogliono ottenere prestazioni maggiori occorre modificare radicalmente, ovviamente, tutto il sistema. L’efficienza è di circa il 75%, nella configurazione adottata.

Conclusioni

Il circuito convertitore step-up è estremamente utile, in quanto esso consente di ottenere tensioni più alte, a partire dalle pile e dalle batterie. Il problema maggiore che si riscontra in queste tipologie di convertitori è quello delle emissioni elettromagnetiche, per le quali il progettista deve prevedere e predisporre ottimi filtri di taglio.