Funzionamento di un Alimentatore Switching con Tecnologia ad Alta Frequenza (MHz)

Funzionamento di un Alimentatore Switching con Tecnologia ad Alta Frequenza (MHz)
Un alimentatore switching, noto anche come SMPS (Switched-Mode Power Supply), è un dispositivo che converte
l'energia elettrica da una forma a un'altra (tipicamente da AC a DC o da DC a DC) utilizzando tecniche di commutazione
ad alta frequenza invece di regolatori lineari. La "tecnologia del MHz" si riferisce agli alimentatori che operano a
frequenze di switching nell'ordine dei megahertz (1-10 MHz o superiori), il che permette di miniaturizzare i componenti
e aumentare l'efficienza. Vediamo in dettaglio come funziona, con esempi.

Principio di Base

A differenza degli alimentatori lineari, che dissipano energia come calore per regolare la tensione, gli switching usano
interruttori (come transistor MOSFET, IGBT o dispositivi GaN/SiC per alte frequenze) che si accendono e spengono
rapidamente. Questo crea una forma d'onda pulsante che viene filtrata per ottenere una tensione stabile. Il processo è
efficiente perché gli interruttori sono idealmente in stato "on" (bassa resistenza, bassa perdita) o "off" (nessuna
corrente), minimizzando le perdite.

Passi dettagliati del funzionamento:

 1. Rettifica e Filtraggio Iniziale: L'ingresso AC (es. 220V 50Hz) viene rettificato in DC pulsato usando un ponte di
    diodi, poi filtrato con condensatori per ottenere un DC alto e stabile (es. 300-400V). Per ingressi DC, questo passo
    è saltato.
 2. Commutazione ad Alta Frequenza: Un controller PWM (Pulse Width Modulation) genera segnali che
    accendono/spengono gli switch a frequenze elevate (MHz). La duty cycle (rapporto on/off) controlla la potenza
    trasferita. A MHz, il periodo di switching è molto breve (es. 1 μs per 1 MHz), riducendo le dimensioni dei
    componenti magnetici.
 3. Trasferimento di Energia: L'energia viene accumulata in un induttore o trasformatore durante la fase "on" (E =
    1/2 L I²) e rilasciata durante "off". A frequenze MHz, l'induttore può essere piccolo perché l'energia per ciclo è
    bassa.
 4. Rettifica e Filtraggio in Uscita: La forma d'onda pulsante viene rettificata (di nuovo con diodi, spesso Schottky
    per velocità) e filtrata con condensatori/induttori per ottenere DC liscio.
 5. Regolazione e Feedback: Un circuito di feedback (es. optoisolatore per isolati) confronta l'uscita con un
    riferimento e regola la duty cycle per mantenere la tensione stabile, compensando variazioni di carico o ingresso.

A frequenze MHz, si usano materiali avanzati:

     Semiconduttori: GaN o SiC per switching veloci con basse perdite (Ron basso, tempi di commutazione 90%, dimensioni ridotte
(trasformatore piccolo), peso leggero. Svantaggi: EMI alto (richiede schermature), perdite parassite, costi elevati per
componenti RF-like.

Confronto con kHz: A 50-500 kHz (comune), i componenti sono più grandi; a MHz, l'alimentatore è compatto ma
richiede design anti-EMI (es. filtri LC, layout PCB ottimizzato).

Vantaggi della Tecnologia MHz

     Miniaturizzazione: Dimensioni ridotte (es. induttori da mH a μH), ideale per dispositivi portatili.
     Alta Efficienza: Fino al 98% con risonanza LLC.
     Densità di Potenza: >1 kW/L, per server o EV charger.
     Risposta Veloce: Migliore regolazione dinamica.

Esempi Applicativi: Driver LED ad alta freq (1-2 MHz) per illuminazione automotive; alimentatori per data center (fino a
10 MHz con GaN).

Tipi di Topologie Switching Esistenti

Le topologie definiscono come gli switch, induttori e trasformatori sono configurati. Si dividono in non-isolate (nessun
isolamento galvanico) e isolate (con trasformatore per sicurezza). Ecco i principali tipi, con esempi:

Topologie Non-Isolate

     Buck (Step-Down): Riduce la tensione (V_out < V_in). Switch in serie con induttore; energia accumulata durante
     "on". Esempio: Convertire 12V a 5V per USB. Vantaggi: Semplice, efficiente.
     Boost (Step-Up): Aumenta la tensione (V_out > V_in). Induttore in serie con ingresso; switch a terra. Esempio: Da
     batteria 3.7V a 5V per LED. Vantaggi: Utile per boost da basse tensioni.
     Buck-Boost: Può step-up o down (V_out > o < V_in). Invertito, con diodo/induttore. Esempio: Regolatori per
     batterie variabili.

Topologie Isolate

Flyback: Semplice isolato, come buck-boost con trasformatore. Accumula energia nel primario, rilascia nel
    secondario. Esempio: Caricabatterie low-power (5-100W). Vantaggi: Pochi componenti, economico.
    Forward: Simile a buck isolato. Trasformatore trasferisce energia durante "on"; reset winding per smagnetizzare.
    Esempio: Alimentatori PC mid-power (100-500W).
    Push-Pull: Due switch alternati su primario center-tapped. Esempio: Convertitori DC-DC per telecom (fino a 1kW).
    Vantaggi: Bilanciato, bassa ripple.
    Half-Bridge: Due switch in mezzo ponte, con condensatori. Esempio: Alimentatori ad alta potenza (>500W).
    Full-Bridge: Quattro switch per inversione completa. Esempio: EV charger ad alta efficienza. Vantaggi: Alta
    potenza, bassa distorsione.

Altre: Risonanti (LLC, LCC) per MHz, riducono perdite con oscillazioni sinusoidali.

Progetto di un Alimentatore Switching Utilizzando il Controller UC3846

L'UC3846 è un controller PWM current-mode di Texas Instruments, progettato per topologie dual-ended come push-
pull, half-bridge o full-bridge. Opera fino a 500 kHz (non MHz, ma alta per standard classici), con features come
compensazione feedforward, limitazione corrente pulse-by-pulse e correzione simmetria. Progettiamo un esempio
semplice: un convertitore push-pull DC-DC isolato da 48V ingresso a 12V/5A uscita (60W), a 100 kHz (adattabile a più
alto, max 500 kHz).

Passi di Progetto

 1. Specifiche: V_in = 36-72V (tipico telecom), V_out = 12V, I_out = 5A, f_sw = 100 kHz, efficienza target >85%.
 2. Selezione Topologia: Push-pull per bilanciamento e potenza media. Usa trasformatore center-tapped.
 3. Configurazione UC3846:
          Alimentazione: VIN (pin 15) = 10-40V (usa regulator da V_in). VC (pin 13) per driver output.
          Oscillatore: Calcola RT (pin 9) e CT (pin 8): f = 1.72 / (RT * CT). Per 100 kHz: RT = 10 kΩ, CT ≈ 1.72 nF (usa
          1.8 nF per tolleranza).
          Amplificatore Errore: Collega feedback da uscita a E/A- (pin 6) via optoisolatore. Compensazione Type II su
          COMP (pin 7) per stabilità (calcola poli/zeri con tool come SPICE).
          Sensore Corrente: Usa shunt R_sense = 0.1 Ω su primario. Collega a C/S+ e C/S- (pin 4,3). Gain interno ≈3.
          Limitazione Corrente: CS/SS (pin 1) con R_CS/SS = 1.5 kΩ per I_lim ≈1A (scalato per trasformatore).
          Soft-Start: C_SS = 0.01 μF su pin 1 per t_SS ≈10 ms.
          Output: A_OUT e B_OUT (pin 11,14) drivono MOSFET (es. IRF540) via gate driver se necessario.
          Shutdown: SH-DN (pin 16) grounded o con soglia >0.35V per spegnimento.
 4. Componenti Principali:
          Trasformatore: Rapporto giri N_p/N_s = V_in_min / (2 * V_out) ≈ 36/(2*12) = 1.5:1. Nucleo ferrite (es.
          ETD29), L_pri ≈200 μH. Calcola: B_max = V_in * D / (N_p * A_e * f), con D=0.4 max.
          Switch: Due MOSFET N-channel, V_ds >2*V_in (es. 200V), I_d > I_out * N_s/N_p.
          Uscita: Diodi Schottky (es. MBR20100), induttore L_out = (V_out * (1-D_min)) / (ΔI * f) ≈100 μH, C_out =
          I_out / (ΔV * f) ≈1000 μF.
          Decoupling: 100 μF su VIN, 0.1 μF su VREF (pin 2).
 5. Calcoli Esempio:
          Duty Cycle Max: D = (V_out / V_in_min) * (N_p/N_s) ≈0.4.
          Corrente Primario: I_pri = (I_out * V_out / V_in) / eff + ripple ≈3A peak.
          Perdite: Switching P_sw = 1/2 * V_in * I_pri * (t_r + t_f) * f ≈0.5W con t_r/f=10 ns.
 6. Layout e Test: PCB con ground plane, minimizza loop per EMI. Testa con oscilloscopio per ripple (

UC3846 DATASHEET

Spiegazione dettagliata pinout UC3846

L'UC3846 è un controller PWM (Pulse Width Modulation) in modalità current-mode prodotto da Texas Instruments,
progettato per applicazioni in alimentatori switching come convertitori push-pull, half-bridge o full-bridge. È disponibile
in package a 16 pin, come PDIP o SOIC. Il pinout descrive la disposizione e la funzione di ciascun pin, basata sul
datasheet ufficiale. Di seguito, fornisco una spiegazione dettagliata per ogni pin, inclusi numero, nome, tipo
(input/output), funzione, caratteristiche elettriche rilevanti e consigli di connessione. Le informazioni sono derivate
direttamente dal datasheet TI.

Elenco dei Pin e Descrizioni

     Pin 1: CS/SS (Current Sense/Soft-Start) – Input Questo pin programma la soglia di limite di corrente e fornisce
     la funzionalità di soft-start collegando un condensatore o resistore esterno. Serve a limitare la corrente di picco
     dello switch su base pulse-by-pulse per proteggere il circuito. Caratteristiche elettriche: Corrente di sink per soft-
     start massima 50 mA. In pratica, collega un condensatore per un avvio graduale (es. 0.01 µF per ~10 ms di soft-
     start) per evitare picchi di corrente all'accensione.
     Pin 2: V_REF (Reference Voltage Output) – Output Fornisce una tensione di riferimento bandgap precisa di
     5.1V ±1% per componenti esterni, come divisori di tensione o amplificatori. Capacità di corrente in uscita: fino a
     10 mA (regolazione del carico 3–15 mV). Deve essere disaccoppiato con un condensatore low-ESR da 1–2.2 µF a
     GND per stabilità. Esempio: Usato per impostare il riferimento nel loop di feedback.
     Pin 3: C/S- (Current Sense Comparator Inverting Input) – Input Ingresso invertente dell'amplificatore
     differenziale di senso corrente. Accetta segnali da reti di senso corrente (es. resistore shunt o trasformatore).
     Range di modo comune: 0 V a V_IN - 3 V. Segnale differenziale massimo: 1.1–1.2 V. Serve per monitorare la
     corrente nello switch.
     Pin 4: C/S+ (Current Sense Comparator Non-Inverting Input) – Input Ingresso non invertente
     dell'amplificatore di senso corrente. Lavora in coppia con C/S- per rilevare la corrente dello switch. Guadagno
     dell'amplificatore: 2.5–3.0 V/V. Tensione di offset in ingresso: 5–25 mV. Esempio: Collega a un resistore shunt (es.
     0.1 Ω) per misurare I_pri ≈3A in un design push-pull.
     Pin 5: E/A+ (Error Amplifier Non-Inverting Input) – Input Ingresso non invertente dell'amplificatore di errore.
     Riceve la tensione di feedback dall'uscita regolata. Range di modo comune: 0 V a V_IN - 2 V. Usato per confrontare
     il segnale di feedback con il riferimento interno.
     Pin 6: E/A- (Error Amplifier Inverting Input) – Input Ingresso invertente dell'amplificatore di errore. Confronta
     il segnale di feedback con il riferimento interno per regolare il duty cycle. Tensione di offset in ingresso: 0.5–5 mV
     (per UC1846/7), 0.5–10 mV (per UC3846/7). Esempio: Collega tramite un divisore resistivo dall'uscita (es. con
     optoisolatore per isolamento).
     Pin 7: COMP (Error Amplifier Output / PWM Comparator Input) – I/O Uscita dell'amplificatore di errore e

ingresso del comparatore PWM. Controlla il duty cycle del PWM tramite il loop di feedback. Escursione di tensione
in uscita: 0.7–4.6 V. Corrente source/sink: ±0.5 mA tipica. Richiede rete di compensazione (es. Type II con R e C)
per stabilità del loop.
Pin 8: CT (Oscillator Timing Capacitor) – Input Collega un condensatore esterno per impostare la frequenza
dell'oscillatore. Corrente di scarica ~7.5 µA a 25°C. Formula per la frequenza: f = 1.145 / (R_T × C_T) kHz (R_T in
kΩ, C_T in µF). Esempio: Per 100 kHz, usa C_T ≈1.72 nF.
Pin 9: RT (Oscillator Timing Resistor) – Input Collega un resistore esterno per impostare la frequenza
dell'oscillatore. Deve essere posizionato vicino all'IC per minimizzare rumore. Valore tipico: 10 kΩ per operazioni
intorno a 500 kHz.
Pin 10: SYNC (Synchronization Input/Output) – I/O Pin di sincronizzazione per operazioni master/slave in
sistemi paralleli o multi-fase. Tensione di uscita sync: 3.9–4.35 V (alto), 2.3–2.5 V (basso). Corrente in ingresso
sync: 1.3–1.5 mA. Utile per sincronizzare più controller.
Pin 11: A_OUT (PWM Output A) – Output (Totem-Pole) Segnale di drive PWM complementare (basso in stato
OFF per UC3846). Corrente di picco in uscita: 500 mA. Tempo di salita/discesa: 50–300 ns (con C_L = 1 nF).
Tensione collector-emitter: max 40 V. Serve a pilotare MOSFET o BJT.
Pin 12: GND (Ground) – Ground Terra di riferimento per tutti i segnali. Tutti i segnali sono misurati rispetto a
questo pin. Collega a un piano di massa solido.
Pin 13: VC (Collector Supply) – Input Alimentazione di bias per lo stadio di uscita. Deve essere disaccoppiata
con condensatori low-ESR. Collegata tramite resistore a V_IN per filtraggio rumore. Range di tensione: fino a 40 V.
Pin 14: B_OUT (PWM Output B) – Output (Totem-Pole) Segnale di drive PWM complementare a A_OUT. Stesse
caratteristiche di A_OUT. Usato per pilotare gli switch di potenza in configurazioni dual-ended.
Pin 15: V_IN (Supply Voltage Input) – Input Ingresso principale di alimentazione per l'IC. Range operativo:
tipicamente 8–40 V. Richiede un condensatore di disaccoppiamento da 100 µF vicino al pin. Soglia di undervoltage
lockout: 7.7–8.0 V.
Pin 16: SH-DN (Shutdown Input) – Input Ingresso di shutdown attivo-alto. Soglia: 250–400 mV. Può latciare il
dispositivo spento (con corrente di latch minima 3 mA) o permettere auto-riavvio. Ritardo agli output: 300–600 ns.