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Questo articolo illustrerà come scegliere le giuste tolleranze per progettare un alimentatore. Nello specifico, verrà utilizzato “LTpowerCAD resistor divider toolbox” per mostrare come utilizzare le tolleranze dei componenti e stimare i corrispondenti errori nella tensione d’uscita. Disponendo di queste informazioni, i progettisti potranno decidere a ragion veduta quale siano i valori di tolleranza ammissibili nelle proprie applicazioni.
Gli alimentatori si trovano quasi in ogni circuito. Dai transceiver radio ai microprocessori, FPGA e amplificatori, è garantito che da qualche parte ci sia il blocco di alimentazione, rendendolo una parte vitale di qualsiasi circuito analogico o digitale.
Così come accade per altri componenti, anche gli alimentatori si possono presentare in innumerevoli forme e dimensioni. Le diverse architetture, come quelle dei regolatori lineari o a commutazione, mostrano vantaggi e svantaggi, rendendo l’una preferibile all’altra in determinate applicazioni. Tali architetture hanno un denominatore comune: il modo in cui viene, di solito, stabilito il valore d’uscita attraverso una combinazione di componenti esterni, in particolare i resistori di feedback.
Con l’aiuto degli strumenti di simulazione, un alimentatore può essere progettato per garantire le specifiche di progetto richieste, definendo anche i valori di componenti che permettano di rispettarle. Tuttavia, nonostante quanto venga promesso dai risultati della simulazione, nel mondo reale esistono dei limiti. Un esempio comune potrebbe essere la tolleranza dei componenti. In realtà, il valore dei componenti, che siano resistori o condensatori, può variare rispetto al nominale e questa variazione viene descritta dalla tolleranza. Una rete di resistori di 57 kΩ e 23 kΩ, scelti e simulati per produrre in uscita un segnale a 5 V, potrebbe dare risultati diversi nel circuito reale, proprio a causa della variazione dei valori. Pertanto, tale tolleranza condiziona l’accuratezza della tensione DC in uscita, indipendentemente dagli errori inerenti all’IC.
Calcolo della Tensione di Uscita del Regolatore
Molti regolatori di tensione di Analog Devices dispongono di un pin di feedback sull’uscita (pin FB o ADJ). Pertanto, la tensione d’uscita può essere predisposta grazie ad una coppia di resistenze esterne, RTOP e RBOT, dove RTOP si collega tra VOUT e il pin FB, e RBOT tra il pin FB e la massa di segnale dell’IC. Di solito, l’equazione standard indicata sulle specifiche dell’IC è data da:
dove VREF è la tensione di riferimento interna dell’IC, applicata all’ingresso dell’amplificatore di errore di feedback interno. Prendiamo come esempio la formula per il calcolo della tensione d’uscita del regolatore lineare LT3062 . La Figura 1 mostra la tensione d’uscita calcolata.
Figura 1. Calcolo della tensione d’uscita per l’LT3062.
Con una tensione di riferimento (VREF = 0,6 V) generata internamente all’LT3062, e considerata precisa, il partitore di feedback della tensione d’uscita (R1 e R2) stabilisce il livello di tensione regolato dall’IC. Nell’equazione dell’LT3062, si ha un termine addizionale derivante da IADJ, ovvero la corrente indesiderata di bias che scorre in uscita dal pin ADJ. Il suo valore tipico è di 15 nA, ma può arrivare anche a 60 nA, come illustrato nella tabella delle caratteristiche elettriche (EC), e può causare un ulteriore errore nella regolazione di VOUT.
Utilizzando resistori R1 e R2 con tolleranza = 1%, l’errore complessivo Vo causato dal partitore è 1% o 2%? E se per un’applicazione si utilizzassero resistori con tolleranze di 0,5% o 0,1%? Qualora siano necessari determinati livelli di accuratezza nella regolazione della tensione d’uscita, la scelta dei resistori corretti gioca un ruolo chiave. Se il margine di errore previsto potesse essere raggiunto anche con resistori a tolleranza più elevata, si potrebbe evitare l’utilizzo di componenti ad alta precisione (che possono avere un costo significativo).
LTpowerCAD Resistor Divider Tool
Per facilitare il progetto, è possibile utilizzare LTpowerCAD® resistor divider tool . LTpowerCAD è un programma completo per la progettazione di alimentatori, dotato di strumenti che includono il “resistor divider design tool”. Tale strumento utilizza parametri d’ingresso come la tensione d’uscita VOUT richiesta e il riferimento VREF del regolatore (tensione dei pin ADJ o FB) e raccomanda i valori di resistenza standard disponibili in commercio, secondo la tolleranza selezionata, per raggiungere la tensione richiesta. Con questo strumento vengono valutati errori di due tipi. Il primo è l’errore causato dai valori standard dei resistori in commercio. Scelte VOUT e VREF, il tool sceglie automaticamente la coppia di valori di resistenza standard per minimizzare questo genere di errore, di modo che VOUT si avvicini il più possibile al valore previsto. Il secondo errore è causato dalla tolleranza dei valori dei resistori scelti per una data combinazione di VOUT e VREF. Infatti, per un partitore con resistori di accuratezza pari a 1%, la tolleranza effettiva del partitore stesso diventa funzione del rapporto di partizione, con un range da 1% a 2%. Per ottenere la tolleranza complessiva del partitore resistivo, LTpowerCAD resistor divider tool somma questi due errori. Ciò permette al progettista di poter considerare facilmente l’errore totale e decidere quale livello di tolleranza sarà necessario utilizzare per i singoli resistori (0,1%, 0,5%, 1% o 2%), al fine di raggiungere l’obiettivo finale.
Figura 2. Come lanciate il tool “resistor divider” nel Toolbox di LTpowerCAD.
Figura 3. LTpowerCAD resistor divider tool: raccomandazione dei valori del partitore resistivo.
Lo strumento offre anche la possibilità di calcolare il valore del resistore RTOP o RBOT, impostando manualmente uno dei due, e tenendo in considerazione anche la tolleranza del componente prevista o consentita. In aggiunta alle raccomandazioni sul valore di resistenza, lo strumento mostra anche i calcoli dell’errore associato alla tolleranza del componente, rispetto al valore ideale e reale di VOUT. Con questi parametri, date le tolleranze dei componenti scelti, i progettisti possono dare uno sguardo all’intervallo di tensione atteso e stabilire se soddisfi i requisiti dell’applicazione. Infine, per semplificare la ricerca del componente, lo strumento dispone di un’opzione per la ricerca dei valori standard dei resistori, per ogni valore disponibile.
Ulteriori Errori e Considerazioni
È necessario precisare che il “resistor divider tool” stima solamente l’errore DC dovuto al partitore resistivo. Non include altri errori DC che dovrebbero essere aggiunti a quello prodotto dal partitore per calcolare l’accuratezza complessiva della regolazione di VOUT dell’alimentatore. Tali errori aggiuntivi includono: 1) errore di riferimento interno VREF dell’IC, che si colloca tipicamente nell’intervallo tra 0,5% e 1,5% e si può trovare nella tabella EC delle specifiche dell’integrato; 2) errori sulla linea di alimentazione e sulla regolazione del carico, sempre indicati sulla tabella EC dell’IC; 3) errori dovuti al leakage di corrente sui pin ADJ o FB, come descritto nell’esempio dell’LT3062, con un valore RBOT inferiore per ridurlo; 4) ulteriori errori causati dalla resistenza del PCB tra l’IC e il carico, etc. Nella fase di progettazione di un alimentatore, tutti questi errori dovrebbero essere presi in considerazione per la stima dell’errore complessivo.
Oltretutto, un sistema ad alta precisione può anche essere soggetto a requisiti severi sulla tolleranza complessiva della tensione d’uscita, compresi l’errore DC e il ripple AC. Per esempio, molti ASIC e FPGA ad alta corrente hanno una finestra di tolleranza complessiva di ±2% o ±3%, inclusi errore DC e ripple AC. Per rispettare tale requisito stringente, l’alimentatore deve essere progettato con una risposta veloce al transitorio, nonché essere dotato di condensatori d’uscita di capacità elevata per minimizzare il ripple di VOUT durante i transitori veloci sul carico. In questo caso, la scelta di un IC con minima tolleranza su VREF risulta critica. Per linee di alimentazione a corrente elevata, è auspicabile l’utilizzo di un regolatore con sense di tensione remoto. In aggiunta, il risparmio in termini di spazio e costo per i condensatori d’uscita sarà molto più consistente del modesto aumento di spesa dovuto all’uso di resistori con precisione pari a 0,5% o addirittura a 0,1%. Può anche risultare utile utilizzare un modulo integrato, come ADI LTM series µModule® regulator, che specifica la tolleranza complessiva della regolazione DC (compresi errori di regolazione su VREF, linea e carico) di una soluzione d’alimentazione completa ad alte prestazioni.
Figura 4. LTpowerCAD resistor divider tool: risolutore per RTOP o RBOTTOM.
Figura 5. LTpowerCAD resistor divider tool: calcoli per l’errore di tensione.
Figura 6. LTpowerCAD resistor divider tool: ricerca del valore di resistenza standard.
Conclusione
Dipendentemente dall’applicazione, per la tensione d’alimentazione VOUT vengono richiesti determinati valori di tolleranza. Un errore di pochi millivolt può rappresentare un aspetto cruciale in diversi sistemi, quindi devono essere soddisfatte le considerazioni di progetto più appropriate.
Nell’accuratezza del regolatore, la tolleranza dei componenti rappresenta un fattore esterno e controllabile. La differenza tra l’uso di resistori con tolleranza = 0,5% o 2% può avere un impatto significativo sulle prestazioni del sistema e la scelta dei componenti giusti diminuisce la possibilità di errori. Selezionare correttamente i componenti aiuta anche a minimizzare i costi e migliorare l’affidabilità, eliminando o riducendo al minimo la necessità di doverli sostituire a posteriori.
Con l’uso di LTpowerCAD resistor divider tool, gli ingegneri possono osservare gli effetti dovuti alla tolleranza dei componenti sui propri progetti di alimentatori. Scegliendo già dall’inizio la tensione d’uscita prevista e quella del pin di riferimento, i progettisti sono in grado di: (1) conoscere i valori della miglior coppia di resistori standard per ottenere la tensione prevista; (2) risolvere partendo dal valore del resistore “top” o “bottom” e (3) restare entro l’intervallo desiderato dell’errore di tensione causato dalla tolleranza del partitore resistivo.
Con queste specifiche, oltre allo “standard resistor finder”, il resistor divider tool dimostra tutta la sua utilità nel progetto di alimentatori, aiutando in modo particolare gli ingegneri che si stanno avvicinando a questo tipo di progettazione. Utilizzando tale strumento, un tecnico è in grado di progettare alimentatori che rispettino le specifiche richieste per l’applicazione e garantire prestazioni e alimentazione ottimali ai differenti blocchi di sistema.
