La modalità 100% nei convertitori DC/DC a bassa potenza

Grazie alla loro bassa corrente a riposo (IQ) e alle ridotte dimensioni totali della soluzione, i convertitori DC/DC step-down a bassa potenza, come la serie TPS62xxx di Texas Instruments, sono in genere ottimizzati per applicazioni portatili alimentate a batteria.[1] La maggior parte di questi convertitori supporta anche una modalità con duty cycle del 100% (modalità 100%), dove il MOSFET high-side è attivo per il 100% del tempo in modo da creare un percorso diretto dalla tensione di ingresso, passando per l’induttore, fino alla tensione di uscita. In questo modo si mantiene una tensione di uscita sufficiente anche quando la batteria si scarica e la sua tensione scende a livelli appena sopra la tensione di uscita. La modalità 100% minimizza questa tensione di dropout e consente la massima tensione di uscita possibile ottenibile da un convertitore step-down. Nella modalità 100%, la tensione di ingresso viene ridotta solo dalle perdite ohmiche del MOSFET high-side e non viene ulteriormente ridotta dal duty cycle del MOSFET high-side. Questo articolo descrive la modalità 100% dei convertitori DC/DC a bassa potenza e la confronta con altre implementazioni della modalità 100%. 

Funzionamento del convertitore step-down

La Figura 1 mostra lo schema a blocchi di base per lo stadio di potenza del convertitore step-down sincrono a bassa potenza TPS62090. I pin di commutazione (SW) si collegano al filtro di uscita (induttore e condensatore), che genera la tensione di uscita regolata. Quando il MOSFET high-side (M1) è attivo, la tensione sui pin SW diventa la stessa tensione che si trova sui pin della tensione di ingresso dell’alimentazione (PVIN), leggermente ridotta dalle perdite ohmiche di M1. Per un MOSFET a canale N, come mostrato nella Figura 1, il driver del gate applica una tensione superiore ai pin SW, il terminale di sorgente M1, per generare la tensione gate-source positiva richiesta (VGS_M1). Per un circuito paragonabile con un MOSFET a canale P, il driver del gate applica una tensione inferiore rispetto a quella sui pin PVIN, il terminale sorgente del MOSFET high-side, per generare la VGS negativa richiesta. In generale, i convertitori DC/DC a corrente più alta utilizzano un MOSFET a canale N per il MOSFET high-side per via della maggiore conduttività e mobilità del portatore di carica elettrone rispetto alla conduttività e alla mobilità del portatore di carica lacuna del MOSFET a canale P. Pertanto, una resistenza di drain-source inferiore (RDS(on)) si ottiene con MOSFET a canale N rispetto ai MOSFET a canale P.[2, 3] Indipendentemente dal tipo di MOSFET, il convertitore DC/DC utilizza tecniche gate-gate appropriate per ottenere il funzionamento descritto nella scheda tecnica specifica del dispositivo, che include la modalità 100% per molti dispositivi.

 

Condensatore di bootstrap

Il pilotaggio della tensione di gate al di sopra della tensione di source per un MOSFET high-side a canale N richiede dei circuiti aggiuntivi, poiché la tensione di source (pin SW) si trova al livello della tensione di ingresso (pin PVIN) e non è disponibile una tensione più alta nel convertitore step-down. Generalmente un condensatore di bootstrap genera la tensione più elevata necessaria per pilotare il MOSFET high-side a canale N. Per il TPS62090, il condensatore di bootstrap si trova tra i piedini CP e CN mostrati nella Figura 1. Per la maggior parte degli altri dispositivi a bassa potenza, l’integrazione del condensatore di bootstrap interamente all’interno del convertitore DC/DC (sullo stesso die dei MOSFET) consente di ridurre al minimo le correnti parassite e migliorare il normale funzionamento per offrire le migliori prestazioni in modalità 100%. I dispositivi a corrente minore utilizzano talvolta un MOSFET high-side a canale P, che non richiede un condensatore di bootstrap in quanto non è richiesta una tensione superiore per attivarlo. Adeguate tecniche di progettazione dei condensatori di bootstrap assicurano che un dispositivo con MOSFET high-side a canale N abbia le stesse prestazioni in modalità 100% di un convertitore DC/DC con un MOSFET high-side a canale P.

Molti dispositivi utilizzano un MOSFET high-side a canale N e un condensatore esterno tra il pin BOOT e il pin di fase (PH) per ridurre le dimensioni e i costi del die. All’aumentare della corrente del convertitore aumentano anche le dimensioni del MOSFET high-side e la carica del gate, rendendo necessari valori maggiori per il condensatore di bootstrap, la cui integrazione all’interno del convertitore non è pratica. La Figura 2 mostra il posizionamento del condensatore di bootstrap esterno, CBoot, per il TPS54623. Il pin PH è equivalente al pin SW. Fondamentalmente, un condensatore di bootstrap carica dapprima fino a un certo livello di tensione, tipicamente la tensione di ingresso o una tensione inferiore creata internamente dal convertitore, mentre uno dei suoi terminali è su GND. Questo stesso terminale è quindi collegato al pin PH, che amplifica l’altro terminale del condensatore al di sopra della tensione del pin PH per il valore di tensione al quale il condensatore è stato caricato in origine. Il condensatore mantiene questa tensione per un po’ di tempo mentre fornisce la carica al gate del MOSFET high-side. Tuttavia, le correnti di dispersione riducono questa carica accumulata e il condensatore del bootstrap deve essere ricaricato per mantenere attivo il MOSFET high-side. Un corretto dimensionamento del valore del condensatore di bootstrap permette di mantenere una carica sufficiente per la durata del periodo di commutazione; a quel punto, il condensatore del bootstrap si ricarica. Con il circuito di bootstrap mostrato in Figura 2, il condensatore di bootstrap è sempre collegato al pin PH e si ricarica quando PH è al potenziale GND, che si verifica solo quando il MOSFET low-side è attivo e forza la ricarica del condensatore di bootstrap in modo da coincidere con la commutazione dei MOSFET di potenza. Questo non è il caso dei dispositivi interni del condensatore di bootstrap, che non collegano un terminale del condensatore di bootstrap al pin SW in modo permanente. Pertanto, la carica del condensatore di bootstrap è indipendente dall’azione di commutazione e può ancora consentire una ricarica in modalità 100%. La Figura 3 mette a confronto le due configurazioni del condensatore di bootstrap. Il condensatore di bootstrap del TPS54623 è carico quando la traccia BOOT scende sotto la traccia VIN, che si verifica quando la traccia PH è bassa. In modalità 100%, il TPS62090 ricarica il suo condensatore di bootstrap senza richiedere l’attivazione del pin SW. La traccia CP del TPS62090 è equivalente alla traccia BOOT del TPS54623. Entrambi superano la tensione di ingresso per pilotare il gate del MOSFET high-side.

Funzionamento in modalità 100%

Una differenza molto importante tra le implementazioni in Figura 1 e Figura 2 è il collegamento del condensatore di bootstrap. Il circuito in Figura 1 (e tutti gli altri dispositivi con condensatori di bootstrap interni) controlla entrambi i terminali del condensatore di bootstrap. In alternativa, il circuito in Figura 2 controlla solo un pin, mentre condivide il pin PH con l’induttore e i MOSFET di potenza interni per il secondo terminale del condensatore. A differenza del dispositivo TPS54xxx, il dispositivo TPS62xxx consente un controllo completo su dove collegare il condensatore di bootstrap e quando si ricarica.

Avere il controllo su quando il condensatore di bootstrap si ricarica è fondamentale in molte applicazioni alimentate a batteria quando la tensione della batteria scende appena al di sopra della tensione di uscita desiderata. In tali casi, il convertitore deve mantenere una tensione di uscita sufficientemente elevata per alimentare correttamente il carico e mantenere così operativo il sistema. Aumentando il duty cycle al 100% e mantenendo sempre attivo il MOSFET high-side si raggiunge la massima tensione di uscita. Qualsiasi tempo di inattività richiesto per ricaricare un condensatore di bootstrap riduce il duty cycle dal 100% a un valore inferiore, riducendo la tensione di uscita media e creando un’ondulazione di tensione in uscita aggiuntiva. La Figura 4 confronta TPS54623 e TPS62135 in funzionamento con una batteria al litio a due celle scaricata profondamente a 5,0 V e generando una tensione di uscita a 5 V che eroga 2 A di corrente.

La tensione di uscita DC per il TPS54623 è leggermente superiore a quella del TPS62135 in questa condizione di dropout per via del suo MOSFET RDS (on) molto più basso . Tuttavia, il TPS62135 genera una tensione di uscita più pulita e senza ondulazione perché non ha bisogno di commutare per rimanere in modalità 100%. La Figura 5 mostra la stessa linea di regolazione dei due dispositivi. Senza carico, come mostrato nella Figura 5a, il TPS54623 fornisce una tensione di uscita inferiore perché non commuta abbastanza spesso da mantenere carico il condensatore di bootstrap.

Nella Figura 5b, con un carico di 2 A, il TPS54623 commuta abbastanza spesso per mantenere la carica del condensatore di bootstrap e genera una tensione di uscita più elevata per via del suo MOSFET RDS (on) più basso. La Figura 5 mostra anche il TPS563200 come un dispositivo con un duty cycle massimo consigliato del 65%. La Figura 5, inoltra, mostra come la tensione di uscita del TPS563200 inizia a diminuire a tensioni di ingresso molto più elevate a causa del limite del suo duty cycle. Limitare il duty cycle a livelli molto al di sotto del 100% ottimizza questi dispositivi per applicazioni convenienti dal punto di vista economico. In questi sistemi, la tensione di ingresso è solitamente fissata a 12 V e, pertanto, non richiede duty cycle elevati per generare le tensioni inferiori richieste. Infine, il TPS62135 funziona fino a una tensione di ingresso di 3 V, mentre il TPS54623 e il TPS563200 hanno una tensione nominale di 4,5 V. Questa caratteristica è importante nelle applicazioni di alimentazione di backup, in cui il convertitore fornisce energia al sistema da un supercondensatore. Mentre il supercondensatore fornisce energia la sua tensione diminuisce. La capacità di tensione in ingresso inferiore fornisce una tensione in uscita per un periodo di tempo più lungo, che estrae più energia dal supercondensatore.

Funzionamento in modalità quasi 100%

Molti dispositivi con condensatori di bootstrap esterni supportano il funzionamento in modalità 100% finché il condensatore di bootstrap rimane sufficientemente carico, secondo la misurazione da parte di un circuito UVLO (undervoltage-lockout, blocco per sottotensione) sul condensatore di bootstrap stesso. Questo circuito UVLO è diverso dal circuito UVLO sulla tensione di ingresso e garantisce che il condensatore di bootstrap sia sufficientemente carico per attivare correttamente il MOSFET high-side. Se il condensatore non è sufficientemente carico, si ricarica spegnendo il MOSFET high-side. Pertanto, questi dispositivi non supportano la modalità 100% per tempi lunghi, ma supportano una modalità quasi 100%, come mostrato nella Figura 4. Il Riferimento 4 descrive vari metodi per ottenere una modalità 100% migliorata in alcune condizioni con i dispositivi TPS54xxx. Poiché la tensione di ingresso cala verso la tensione di uscita, la maggior parte dei dispositivi funziona con un tempo di spegnimento minimo. Questo tempo minimo di interruzione è semplicemente il tempo di attivazione più breve del MOSFET low-side che il convertitore è in grado di generare. Una volta raggiunto questo tempo di spegnimento, il convertitore diminuisce la frequenza di commutazione per mantenere sia la tensione di uscita che il tempo di spegnimento minimo. Mentre la tensione di ingresso continua a scendere, il TPS62135 passa infine alla modalità 100% con un tempo di spegnimento di 0 ns. Il tempo di spegnimento minimo non proibisce il funzionamento in qualsiasi duty cycle o punto di funzionamento specifico e si riferisce semplicemente al punto in cui la frequenza di commutazione inizia a scendere dal suo valore nominale.[5] La Figura 6 mostra il tempo minimo di spegnimento di 80 ns del TPS62135. La Tabella 1 riassume le tipiche prestazioni in modalità 100% dei vari dispositivi di conversione step-down. Consultare la scheda tecnica del dispositivo per i dettagli relativi a un dispositivo specifico.

La Figura 6 mostra il tempo minimo di spegnimento di 80 ns del TPS62135. La Tabella 1 riassume le tipiche prestazioni in modalità 100% dei vari dispositivi di conversione step-down. Consultare la scheda tecnica del dispositivo per i dettagli relativi a un dispositivo specifico.

 Conclusione

Il funzionamento in modalità 100% vera della maggior parte dei dispositivi TPS62xxx rende questi convertitori CC/CC adatti ad applicazioni alimentate a batteria in cui la tensione della batteria scende appena al di sopra della tensione di uscita richiesta. Le loro piccole dimensioni e basso IQ sono ulteriori caratteristiche a vantaggio della loro idoneità. L’uso di un condensatore di bootstrap interno o l’uso di due pin per un condensatore di bootstrap esterno consentono di caricare il condensatore di bootstrap indipendentemente dall’azione di commutazione. Questa possibilità è diversa dalla maggior parte dei dispositivi TPS54xxx, che utilizzano solo un singolo pin per collegarsi a un condensatore di bootstrap esterno. Mentre i dispositivi TPS62xxx generalmente hanno prestazioni di dropout molto buone, altri dispositivi possono avere limiti massimi per il duty cycle che ne vietano l’uso in applicazioni a duty cycle elevato. È importante leggere la scheda tecnica di ciascun dispositivo per comprenderne il comportamento in modalità 100% se è fondamentale per una determinata applicazione.

Bibliografia

1. Chris Glaser, «Iq: What it is, what it isn’t, and how to use it», Texas Instruments Analog Applications Journal (SLYT412), 2Q 2011.
2. Vedere la voce di Wikipedia sul MOSFET.
3. Vedere la voce di Wikipedia sulla mobilità elettronica.
4. Jerry Chen, Steve Schnier, Anthony Fagnani e Dave Daniels, «Methods to Improve Low Dropout Operation with the TPS54240 and TPS54260», Rapporto Applicativo Texas Instruments (SLVA547A), ottobre 2013.
5. Chris Glaser, «Understanding frequency variation in the DCS-Control™ topology», Texas Instruments Analog Applications Journal (SLYT646), 4Q 2015.

A cura di Chris Glaser, Member Group Technical Staff, Senior Applications Engineer. Texas Instruments