Alimentatori: regolatori lineari e convertitori buck e boost
Regolatore lineare e suo rendimento, LDO, convertitore buck con bilancio volt-secondi dimostrato, ondulazione della corrente con esempio, convertitore boost, disturbi e PFC.
Ogni circuito elettronico ha bisogno di tensioni continue stabili: 3,3 V per il microcontrollore, 1 V per il processore, 5 V per l’USB, 12 V per un motore. Le si ricava da una batteria o dalla rete con i regolatori, lineari o a commutazione. In questa lezione vediamo come funziona un regolatore lineare e perché spreca energia, e come i convertitori switching buck e boost ottengono rendimenti oltre il 90%.
Il regolatore lineare
Un transistor (l’elemento di passo) in serie tra ingresso e uscita fa da resistenza variabile; un amplificatore d’errore confronta una frazione dell’uscita con una tensione di riferimento stabile (un riferimento bandgap da 1,2 V) e regola il transistor in modo che l’uscita resti costante. È un amplificatore non invertente retroazionato, con il riferimento come ingresso.
Il difetto è il rendimento. La corrente del carico attraversa il transistor, che ha ai capi la differenza tra ingresso e uscita:
![\[ P_{persa} = (V_{in} - V_{out})\,I,\qquad \eta \le \frac{V_{out}}{V_{in}} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6b95e7b5112fd7a2580ec577cf73f6d8_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Esempio. Da 12 V a 3,3 V con 1 A: il carico riceve 3,3 W e il regolatore dissipa 8,7 W, rendimento del 27,5%. Serve un dissipatore, e una batteria durerebbe un quarto di quanto potrebbe.
I regolatori lineari restano però preziosissimi quando la differenza è piccola o la corrente bassa: sono semplici, economici e soprattutto silenziosi, senza disturbi di commutazione. I regolatori LDO (low dropout) funzionano con una differenza tra ingresso e uscita di poche centinaia di millivolt, e si usano spesso dopo un convertitore switching per ripulire l’alimentazione dei circuiti analogici sensibili.
Il convertitore buck
Il convertitore buck (abbassatore) usa un interruttore, un diodo (o un secondo interruttore), un induttore e un condensatore.
L’interruttore si chiude per una frazione 
del periodo 
(il ciclo di lavoro) e si apre per il resto. Quando è chiuso, l’induttore è tra 
e l’uscita e la sua corrente cresce; quando è aperto, la corrente continua a scorrere attraverso il diodo e decresce.
Teorema. In regime stazionario e con conduzione continua,
![\[ V_{out} = D\,V_{in} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5bacd3ea7f130581bd049f851cf6f6ac_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. In regime stazionario la corrente dell’induttore all’inizio e alla fine di ogni periodo è la stessa, quindi la tensione media ai suoi capi è nulla (
, integrata su un periodo, dà zero): è il bilancio volt-secondi. Durante 
ai capi dell’induttore c’è 
; durante 
, con il diodo in conduzione, 
. Quindi 
, cioè 
. ∎
Il convertitore è un trasformatore in continua con rapporto regolabile elettronicamente. Idealmente non dissipa nulla: l’interruttore ha o tensione o corrente nulla, l’induttore e il condensatore immagazzinano energia senza consumarla. I convertitori reali raggiungono il 90-95%.
L’ondulazione della corrente. Durante la corrente sale di
![\[ \Delta I = \frac{(V_{in} - V_{out})\,D}{f\,L} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-a33c6ada40d9a4e18eb93874613640fd_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Esempio. Da 12 V a 3,3 V: 
. Con 
kHz e 
µH, 
A. Una frequenza più alta permette induttori e condensatori più piccoli, ma aumenta le perdite di commutazione: i convertitori moderni lavorano tra qualche centinaio di kilohertz e qualche megahertz, e con i transistor al nitruro di gallio anche più in alto.
Il convertitore boost
Scambiando le posizioni di interruttore e induttore si ottiene il boost (elevatore). Con l’interruttore chiuso l’induttore si carica dall’ingresso; aperto, la sua tensione si somma a quella d’ingresso e spinge corrente verso l’uscita attraverso il diodo. Lo stesso bilancio volt-secondi (
) dà
![\[ V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ee8362fbfe84f915d8e15690a78758de_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Da 5 V a 12 V serve 
. È il convertitore che porta la tensione di una cella al litio (3,7 V) ai 5 V di una porta USB nei power bank, e quello che alimenta i LED delle retroilluminazioni.
In pratica
I convertitori switching sono ovunque, ma vanno progettati con cura: le commutazioni veloci producono disturbi elettromagnetici, che si contengono con anelli di corrente il più corti possibile sul circuito stampato, condensatori ceramici vicini ai componenti e filtri all’ingresso. Le correnti a impulsi del raddrizzatore che li alimenta dalla rete, infine, sono la causa del basso fattore di potenza degli alimentatori, che si corregge con uno stadio PFC (lezione sulla potenza di Elettrotecnica): quello stadio è proprio un convertitore boost.
