13 motivi per iniziare a usare Power Stage Designer

Autore: Systems Engineer, TI EMEA Power Supply Design Services Group

Per oltre un decennio, il tool Power Stage Designer di TI ha rappresentato un grosso aiuto nella progettazione per gli ingegneri elettrici nel calcolare le correnti e le tensioni di diverse topologie di alimentazione. Ritengo che si tratti di un facile strumento per dare inizio a un nuovo progetto di alimentazione, in quanto esegue tutti i calcoli in tempo reale e permette di ottenere un feedback diretto.

La nostra ultima versione di Power Stage Designer comprende una nuova topologia e due nuove funzioni di progettazione, oltre all’insieme di funzionalità già esistenti che aiuteranno a ridurre ulteriormente i tempi di progettazione per lo sviluppo di alimentatori.

Il nuovo tool include calcolatori per le perdite dei transistor a effetto di campo (FET), per la condivisione di corrente per condensatori paralleli, per il condensatore bulk CA/CC, per il soppressore resistenza-condensatore (RC) per lo smorzamento del ringing tra raddrizzatori, per il soppressore resistenza-condensatore-diodo (RCD) per convertitori flyback, per resistenza-divisore della tensione di uscita, calcolatori dinamici analogici e digitali per la scalabilità della tensione di uscita, un convertitore di unità, un tool per diagramma di Bode per la compensazione del loop, un calcolatore delle fasi di carico e uno strumento per la progettazione dei filtri. Diamo uno sguardo in dettaglio a ciascuna di queste 13 funzionalità.

N. 1: Calcolatore delle perdite FET

Questo strumento consente di confrontare facilmente diversi FET che operano come interruttore principale o come raddrizzatore sincrono. I valori di corrente minimo, massimo ed RMS (valore efficace), la tensione da drain a source del FET e la frequenza di commutazione vengono trasferiti dalla finestra della topologia scelta. Inoltre, lo strumento può aiutare a valutare le perdite totali dei MOSFET (transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo) dei convertitori sincroni dopo aver scelto i MOSFET applicabili per l’interruttore principale e il raddrizzatore sincrono. La Figura 1 mostra la finestra del calcolatore delle perdite FET.

Figura 1: Finestra del calcolatore delle perdite FET

N. 2: Calcolatore di condivisione della corrente

Quando si mettono in parallelo diversi tipi di condensatori all’ingresso o all’uscita di un convertitore di potenza, i condensatori sono esposti a diverse quantità di corrente RMS, a seconda della loro impedenza. Con Power Stage Designer è possibile stimare la sollecitazione di corrente per un massimo di tre condensatori in parallelo sulla base di un modello di impedenza di prima armonica.

N. 3: Calcolatore per condensatori bulk CA/CC

In genere, i convertitori CA/CC sono dotati di un condensatore bulk a valle del raddrizzatore di ingresso per erogare una tensione di ingresso quasi costante allo stadio di potenza e al controller di gestione dell’alimentazione. Power Stage Designer suggerisce la capacità massima in base a diversi parametri di ingresso.

N. 4: Calcolatore del soppressore RC per raddrizzatori

Negli alimentatori, il ringing tra i raddrizzatori può costituire un grosso problema se occorre superare i test di interferenza elettromagnetica (EMI). Esistono diversi metodi per affrontare questo problema e l’implementazione di una rete di soppressori RC è una soluzione semplice che può eliminare la necessità di riprogettare il layout del circuito stampato (PCB). Il nostro tool offre un modo semplice per determinare i valori iniziali della rete di soppressori RC.

N. 5: Calcolatore del soppressore RCD per convertitori flyback

Per via degli elementi parassiti, come l’induttanza di dispersione del trasformatore, i convertitori flyback possono subire sovraelongazioni della tensione e ringing sul nodo di commutazione. Il modo più semplice per ridurre il ringing e attenuare la sovraelongazione è implementare un circuito soppressore RCD in parallelo con l’induttanza primaria del convertitore flyback. Power Stage Designer può contribuire a scegliere i valori iniziali per la resistenza e per il condensatore del soppressore.

N. 6: Calcolatore per partitore di resistenze della tensione in uscita

Ora è possibile calcolare facilmente il partitore di feedback della tensione di uscita per l’alimentatore in base alla tensione di uscita, alla tensione di riferimento e alla resistenza high-side o low-side, comprese le tolleranze.

N. 7: Calcolatore dinamico analogico per la scalabilità della tensione di uscita

Per alcune applicazioni, la tensione di uscita di un convertitore di potenza deve essere regolabile in un determinato intervallo di tensione di uscita. È possibile ottenere questo risultato fornendo una tensione di uscita analogica variabile con una terza resistenza al partitore di resistenze della tensione di uscita. Power Stage Designer aiuta a trovare i valori per le resistenze necessarie in base all’intervallo di tensione di uscita scelto, alla tensione di regolazione massima, alla tensione di riferimento e alla resistenza di feedback massima.

N. 8: Calcolatore dinamico digitale per la scalabilità della tensione di uscita

È anche possibile regolare la tensione di uscita dell’alimentatore mettendo in parallelo più combinazioni di MOSFET resistenza/segnale con la resistenza di retroazione low-side. Attivando e disattivando i MOSFET con un microcontroller è come se fossero state «programmate» diverse tensioni di uscita per l’alimentatore. Power Stage Designer aiuta a scegliere i valori di resistenza per il circuito di retroazione.

N. 9: Convertitore di unità

Power Stage Designer è dotato di un piccolo strumento per la conversione di diversi parametri di alimentazione, come la conversione da guadagno a fattore o da unità imperiali al sistema internazionale di unità di misura, e viceversa.

N. 10: Calcolatore di loop

Il calcolatore di loop visualizza i diagrammi di Bode delle funzioni di trasferimento a loop aperto e chiuso per il buck di controllo in modalità tensione e cinque diverse topologie di controllo in modalità corrente: buck, boost, buck-boost invertente, forward e flyback. È possibile utilizzare cinque diverse reti di compensazione per chiudere il loop. La Figura 2 mostra la finestra del calcolatore del loop di Power Stage Designer.

Figura 2: Finestra del calcolatore del loop di Power Stage Designer

N. 11: Calcolatore della fase di carico

Il calcolatore della fase di carico permette di determinare la capacità di uscita minima richiesta per i convertitori controllati in modalità tensione e in modalità corrente al fine di restare entro i requisiti di regolazione della tensione di uscita. Occorre fare attenzione nell’utilizzo di questo strumento con dispositivi che sfruttano una rete di compensazione interna, in quanto i gradi di libertà per la scelta dei componenti esterni sono limitati con questi tipi di dispositivi.

N. 12: Strumento per la progettazione dei filtri

Lo strumento per la progettazione dei filtri aiuta a progettare filtri π in modo differenziale opportunamente attenuati per gli alimentatori. Lo strumento non si limita a mostrare i diagrammi di Bode del filtro e la rete di attenuazione, ma mostra anche i grafici dell’impedenza del filtro con e senza attenuazione. Con queste informazioni è possibile determinare contemporaneamente se il filtro fornisce un’attenuazione e una stabilità di segnale sufficienti con i componenti di attenuazione scelti. Lo strumento per la progettazione dei filtri offre un ottimo punto di partenza, ma per soddisfare le specifiche EMI con un circuito stampato finito occorre considerare fattori come il layout del circuito stampato e gli elementi parassiti dei componenti, che hanno un impatto significativo sulle prestazioni finali del filtro.

N. 13: Nuove topologie

Il nostro strumento Power Stage Designer supporta un totale di 21 topologie, comprese le quattro recentemente aggiunte, il convertitore buck a condensatore in serie

Convertitore flyback quasi risonante/modulato in frequenza

Convertitore half-bridge induttore-induttore-condensatore (LLC).

Convertitore full-bridge induttore-induttore-condensatore (LLC). Vedere la Figura 3.

Figura 3: Finestra della topologia del convertitore full-bridge LLC

Power Stage Designer è in grado di semplificare la vita del progettista di alimentatori.

Per le equazioni e le ipotesi alla base di questa nuova serie di strumenti è possibile consultare il «Manuale utente di Power Stage Designer».