Come aumentare il tempo di hold-up per un convertitore DC/DC ad ampio ingresso

Autore : Tiger Zhou, Applications Engineer Battery Charging Products

Introduzione

Nelle applicazioni nel campo delle telecomunicazioni, spesso i dispositivi di rete necessitano di dati sullo stato dell’ingresso in modo da poter inviare messaggi agli utenti quando l’energia sta finendo in caso di interruzione dell’alimentazione. Questi dispositivi di rete si basano su un immagazzinamento dell’energia di tipo temporaneo, ad esempio le batterie di condensatori, che consente di spegnere tali dispositivi delicatamente e di generare tali messaggi di esaurimento dell’energia. Il circuito di backup (hold-up) è progettato per durare fra 10 e 20 ms per eseguire queste operazioni. Questa estensione di tempo è detta tempo di hold-up.

Se lavorate nel campo della progettazione di alimentatori, probabilmente vi starete ponendo due domande sulla progettazione dei circuiti di hold-up, in particolare nel caso di un convertitore DC/DC ad ampio ingresso:

• Il condensatore di hold-up va messo sul lato di ingresso o sul lato di uscita?

• Per avere un ampio intervallo di ingresso, occorre utilizzare l’approccio a due stadi o un approccio a singolo stadio?

Questo documento mette a confronto due diverse soluzioni di backup e propone un nuovo circuito di backup in grado di ottenere un tempo di hold-up pari a 15 ms per un convertitore flyback da 12V/60 W con un ampio intervallo di ingresso da 9 a 60 V. Questo circuito di backup utilizza un convertitore boost ausiliario per caricare una batteria di condensatori ad alta tensione e un interruttore di limitazione dell’alimentazione ad azione rapida per rilasciare l’energia durante l’interruzione dell’alimentazione, consentendo di risparmiare il 50% di spazio su scheda senza introdurre perdite e aumentando sensibilmente il tempo di hold-up in un convertitore flyback ad ampio ingresso.

Dove posizionare il condensatore di hold-up

Prendiamo in considerazione un convertitore flyback da 12 V/60 W con ingresso a 60 V come esempio con un tempo di hold-up di progetto pari a 30 ms. Tradizionalmente, l’alimentatore è dotato di una voluminosa batteria di condensatori di uscita. Il condensatore di uscita mantiene la tensione di uscita, che cala lentamente, aumentando quindi l’autonomia prima dello spegnimento totale del sistema. L’energia di hold-up, Ecap (Equazione 1), è quadraticamente proporzionale alla tensione del condensatore, V:

dove, Ccap è la capacità.

Poiché la tensione di uscita cala lentamente, è necessario un sistema a valle con un’ampia tolleranza della tensione di ingresso. Se l’intervallo di ingresso è limitato, l’utilizzo dell’energia è scarso. Nell’Equazione 2, il tasso di utilizzo dell’energia, EU%, è definito come percentuale dell’energia utilizzata sull’energia immagazzinata:

Ad esempio, in un tipico sistema a 12 V che funziona con un ingresso minimo di 8 V, l’utilizzo della batteria di condensatori sarebbe il 55%. Per apparecchiature sensibili con una ristretta tolleranza di tensione, come il 10%, il tasso di utilizzo sarebbe pari a solo il 19%.

È anche possibile utilizzare i condensatori ad alta tensione sul lato di ingresso. Se la tensione di ingresso viene lasciata scaricare da 60 V a 9 V, il tasso di utilizzo dell’energia migliora fino al 97,8%.

Un condensatore ad alta tensione presenta una maggiore densità di energia rispetto a un condensatore a bassa tensione. Ad esempio, un condensatore in alluminio da 1.200 μF e 80 V ha le stesse dimensioni di un condensatore in alluminio da 6.800 μF e 16 V, ma la sua densità di energia è 4,4 volte maggiore rispetto a quella del condensatore a bassa tensione.

Confrontiamo ora due approcci di progettazione:

• Il primo progetto utilizza un approccio semplice e diretto, con i condensatori di hold-up sul lato di uscita. Questo progetto richiede l’utilizzo di sette condensatori di uscita da 6.800 μF, 16 V, 16 mm x 40 mm, che occupano più di metà dello spazio su scheda. Il tempo di hold-up stimato è pari a 32 ms con un carico completo di 60 W.

• Il secondo progetto utilizza un solo condensatore ad alta tensione da 1.200 μF, 80 V, 16 mm x 40 mm come fonte di energia. Questo singolo condensatore di ingresso offre un tempo di hold-up di 32 ms a pieno carico, ipotizzando un’efficienza di sistema del 90%. L’efficienza del sistema riduce il tempo di hold-up disponibile, in quanto il convertitore flyback elabora l’energia sul lato di ingresso.

Il primo progetto (Figura 1) misura 4,6 x 3,7 pollici, pari al doppio delle dimensioni del secondo progetto (Figura 2). Il tempo di hold-up è sempre pari a 32 ms per entrambi i progetti. Questo confronto mostra chiaramente che il posizionamento del condensatore ad alta tensione sul lato di ingresso permette di utilizzare meno condensatori grazie al loro migliore tasso di utilizzo dell’energia e alla loro maggiore densità di energia. Pertanto, la soluzione di hold-up sul lato di ingresso riduce della metà le dimensioni della batteria di condensatori di hold-up, nonché i costi.

Figura 1. Confronto fra soluzioni di hold-up sul lato di uscita e di ingresso: la soluzione di hold-up sul lato di uscita con sette condensatori da 6.800 μF, 16 V, 16 mm x 40 mm occupa 4,6 x 3,7 pollici.

Figura 2. Confronto fra soluzioni di hold-up sul lato di uscita e di ingresso: la soluzione di hold-up sul lato di ingresso con un solo condensatore da 1.200 μF, 80 V, 16 mm x 40 mm, occupa 4,6 x 1,85 pollici, con dimensioni pari alla metà.

Confronto fra approccio a due stadi e a singolo stadio

Se il convertitore presenta un ampio intervallo di ingresso, come da 9 V a 60 V, l’energia immagazzinata e il tasso di utilizzo dell’energia calano sensibilmente al calare del livello della tensione di ingresso. All’ingresso minimo di 9 V, il condensatore di ingresso ad alta tensione offre praticamente zero capacità di hold-up.

Un rimedio rapido consiste nell’aggiungere un convertitore boost nel front end. Come mostrato in Figura 3, il convertitore boost aumenta l’ampio ingresso fino a 60 V o oltre. Questo approccio a due stadi presenta comunque un paio di risvolti negativi: riduce l’efficienza e comporta costi aggiuntivi.

Figura 3. La tradizionale soluzione di hold-up a due stadi.

Un’alternativa consiste nell’utilizzare un convertitore boost ausiliario per caricare il condensatore ad alta tensione a 60 V e inserire il condensatore quando il circuito di hold-up rileva un’interruzione di alimentazione. La Figura 4 mostra questa proposta di soluzione di hold-up ad alta tensione. Poiché il convertitore boost non è sul percorso di alimentazione principale, non va a incidere sull’efficienza del sistema. Le dimensioni del convertitore sono ridotte, dato il basso livello di potenza, che è appena sufficiente a caricare il condensatore ad alta tensione. Il diodo in Figura 4 potrebbe essere un dispositivo hot-swap oppure un dispositivo ORing, comunemente disponibili per le applicazioni di telecomunicazione.

Figura 4. Una proposta di soluzione di hold-up a singolo stadio per mantenere in efficienza elevata.

Anche l’interruttore di trasferimento dell’energia richiede particolare attenzione e deve essere ad azione rapida; in caso contrario, il progetto necessita di un’elevata capacità di ingresso fissa. Inoltre deve essere dotato di limitazione di potenza. Durante il trasferimento di energia, il convertitore flyback potrebbe scendere a livelli di esercizio minimo mentre il condensatore di hold-up è completamente carico, generando un’elevata tensione differenziale attraverso l’interruttore. Al tempo stesso, una grande quantità di corrente viene immessa nell’ingresso di flyback, generando quindi enormi stress elettrici sull’interruttore. La Figura 5 mostra una fonte di corrente scalabile con controllo ON/OFF.

Figura 5. Una fonte di corrente scalabile con controllo ON/OFF.

Questo interruttore di trasferimento di energia presenta un ritardo inferiore a 2,5 μs, ossia un’azione rapida. È dotato di un limite di corrente regolabile impostato dalla resistenza di rilevamento della corrente. Il collegamento di più fonti di corrente in parallelo aumenta il livello di potenza. Quando il gate del transistor di controllo a effetto di campo (FET) è high, fa abbassare il gate del FET principale, spegnendo quindi l’interruttore di trasferimento principale.

Dimostrazione del sistema

La Figura 6 mostra la verifica di questo concetto in un’applicazione Internet of Things. Il convertitore flyback presenta un ampio intervallo di ingresso da 9 V a 60 V; l’uscita è 12 V/5 A. È presente un solo condensatore di hold-up. Il convertitore boost è di piccole dimensioni. Le tre fonti di corrente sono collegate in parallelo e poste sul retro della scheda per ridurre lo stress sul dispositivo.

Le condizioni di test nel caso peggiore si verificano quando la tensione di ingresso è pari a 9 V. Il piccolo convertitore boost carica il condensatore di hold-up fino a 60 V. Il circuito di rilevamento dell’interruzione di alimentazione imposta la soglia a 8 V. Quando la tensione di ingresso scende al di sotto di 8 V dopo un’interruzione di alimentazione, l’interruttore di trasferimento dell’energia si attiva, trasferendo quindi l’energia dal condensatore di hold-up al condensatore flyback di ingresso principale e aumentando quindi di 17 ms il tempo di hold-up.

Figura 6. Sistema sperimentale che mostra un convertitore flyback da 60 W, un condensatore di hold-up e un piccolo convertitore boost.

I dati di test in Figura 7 mostrano come la tensione di flyback sia salita da 9 V a 40 V durante il trasferimento dell’energia. La tensione del condensatore di hold-up è scesa da 58 V a 43 V; quindi, entrambe le tensioni si sono consumate per alimentare il convertitore flyback per 17 ms.

Figura 7. Dati di test che mostrano il trasferimento di energia e il tempo di hold-up di 17 ms: in blu (C3) è indicata la tensione del condensatore di hold-up, in verde scuro (C1) la tensione di ingresso di flyback e in verde chiaro (C4) la tensione di uscita di flyback.

Conclusione

Per rispondere alle richieste di un maggiore tempo di hold-up, spesso si utilizza una batteria di condensatori. Per la batteria di condensatori, i due aspetti principali da considerare sono la densità di energia e il tasso di utilizzo dell’energia. Rispetto a una soluzione di hold-up sul lato di uscita facile da implementare, una soluzione di hold-up sul lato di ingresso permette di risparmiare il 50% di spazio su scheda sfruttando la densità di energia e il tasso di utilizzo di un condensatore ad alta tensione. Un circuito di backup di recente introduzione, progettato per ridurre al minimo le perdite di inserzione, utilizza un piccolo convertitore boost ausiliario per potenziare il condensatore ad alta tensione e un interruttore di limitazione di corrente ad azione rapida per ridurre le sollecitazioni durante lo scarico di potenza. Questa proposta di soluzione, detta «pump-and-dump», permette di mantenere l’efficienza del sistema, mentre la soluzione convenzionale a due stadi subisce una penalizzazione del 5% in termini di efficienza a causa dello stadio aggiuntivo costituito dal convertitore boost. L’implementazione di questo circuito di backup in un’applicazione per Internet of Things da 60 W permette di raggiungere un tempo di hold-up pari a 17 ms con un singolo condensatore di hold-up da 1.200 μF. Questa soluzione di hold-up è l’ideale per un convertitore DC/DC ad ampio ingresso per il quale le priorità principali di progettazione sono l’efficienza, lo spazio e il costo. Tale soluzione permette di ridurre i costi e le dimensioni delle voluminose batterie di condensatori e di aumentare sensibilmente il tempo di hold-up del condensatore di immagazzinamento dell’energia.