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Regolatore di corrente switching con LM2576

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Introduzione
Da tempo volevo  realizzare un circuito a commutazione. L'idea iniziale era progettare il circuito di regolazione e comando tutto a componenti discreti, con comparatori e amplificatori operazionali. Sono state sufficienti poche simulazioni con SPICE per rendermi conto che l'obiettivo è molto difficile da raggiungere, per via dell'elevato numero di integrati da utilizzare con caratteristiche non ideali. Molto meglio affidarsi ad uno dei tanti circuiti integrati dedicati.

Come applicazione ho scelto di progettare un circuito regolatore a corrente costante. In pratica volevo caricare in modo rapido delle batterie NiMH. Per fare questo avevo bisogno di un generatore di corrente costante da collegare ad una opportuna sorgente non regolata, ed in grado di erogare una corrente di almeno 1.2A. Con un regolatore lineare avrei ottenuto rendimenti molto bassi e dimensioni non trascurabili dell'aletta di smaltimento del calore, per via dell'elevata potenza dissipata dal componete attivo di regolazione. Ho iniziato quindi una breve ricerca e ho trovato particolarmente utile la nota applicativa AN-946 della National Semiconductor ( http://www.national.com/ ), basata sul regolatore LM2576.

L'integrato LM2576
L'integrato LM2576 fornisce tutte le funzioni necessarie per realizzare un regolatore a commutazione di tipo step-down ( anche detto buck converter) con una corrente massima di 3A. Il principio di funzionamento di questa tipologia di regolatori è ben illustrato  nella nota applicativa AN793 della Microchip ( http://www.microchip.com). La serie di integrati  LM2576 permette di realizzare regolatori switching con l'aggiunta di pochi componenti esterni. Tuttavia occorre prestare molta attenzione nella scelta dei componenti e nel loro collegamento.

L'induttore
Smontando un vecchio alimentatore per PC ho trovato, al suo interno, alcuni nuclei ferromagnetici toroidali. Le forme, le dimensioni, la colorazione di questi nuclei coincidono esattamente gli articoli T106-26 e T90-26 prodotti dalla Micrometals ( http://www.micrometals.com ). Si tratta di nuclei ferromagnetici aventi caratteristiche adatte a funzionare in applicazioni di conversione di potenza con frequenza di commutazione fino a 50kHz. Nella sezione download del sito ho scaricato un utile software per la progettazione di induttori con nuclei del medesimo produttore, si chiama "Micrometals inductors for power filter application". Con questo strumento è possibile inserire le specifiche di progetto ed ottenere come output la tipologia del nucleo migliore da utilizzare. Nel mio caso ho inserito i seguenti parametri di progetto: indutttanza alla massima corrente 100uH, resistenza DC massima 0.1 ohm, corrente massima 1.5A,  tensione di picco sull'induttore 12V, tensione di uscita 3V, frequenza di lavoro 50kHz, temperatura di lavoro 45 °C. Limitando la scelta dei materiali dei nuclei al solo materiale 26, ho trovato che per ottenere le specifiche richieste, il programma consiglia di avvolgere 40 spire di filo AVG#16 sul nucleo T90-26. La formula per ottenere il diametro del filo per un dato AWG è 

Diametro_filo=(2,54/pigreco)*10^(-AWG/20)

Ad esempio nel mio caso con AWG#16 il diametro del filo consigliato è di 1,28mm. Avendo a disposizione un conduttore in rame smaltato del diametro di 1 mm, sono riuscito ad avvolgere a mano 38 spire. Il valore di induttanza ottenuto non è critico per il funzionamento del circuito, quindi mi accontento di quello che sono riuscito ad ottenere.  Dai grafici forniti dal programma si vede che l'induttore costruito mantiene valori accettabili di induttanza anche con la corrente massima dell'integrato. In questo modo sono sicuro che il nucleo magnetico non satura e quindi il circuito mantiene prestazioni accettabili.

I condensatori di ingresso
Il pin di ingresso dell'integrato assorbe una corrente caratterizzata da forti variazioni di intensità, molto rapide nel tempo. Per prevenire la comparsa di transitori di tensione sulla sorgente di alimentazione e per garantire un funzionamento stabile del convertitore, è indispensabile collegare un condensatore elettrolitico di bypass tra il pin d'ingresso dell'integrato e il pin di massa GND. Il condensatore deve essere collegato il più vicino possibile al dispositivo, mantenendo molto corti i suoi reofori. A causa dell'accentuato andamento impulsivo della corrente d'ingresso all'integrato, il valore efficace della corrente che attraversa il condensatore d'ingresso non è trascurabile. Diviene quindi di fondamentale importanza la sua resistenza equivalente serie (ESR). Se questa resistenza non è trascurabile si determina  un degrado delle prestazioni del circuito dovute ad un accentuata ondulazione di tensione e una elevata dissipazione di potenza all'interno dei condensatori. Per queste applicazioni è quindi necessario utilizzare condensatori elettrolitici a bassa ESR. E' assolutamente da evitare l'impiego di condensatori elettrolitici di tipo tradizionale perchè si verificherebbe un un rapido deterioramento degli stessi, con la conseguente degrado di prestazioni del circuito. Inoltre per la maggioranza dei condensatori elettrolitici, il valore di capacità diminuisce e la ESR aumenta col diminuire della temperatura. Per rendere affidabile il circuito anche a basse temperature è comunque richiesto un valore di capacità minimo all'ingresso del circuito. Per migliore la stabilità alle basse temperature si può utilizzare in parallelo al condensatore elettrolitico, un condensatore con elevata stabilità anche alle altre frequenze, come uno al tantalio solido oppure uno ceramico.

La resistenza di sensing corrente
La resistenza per la misura della corrente d'uscita non deve aver un valore troppo elevato, per non dissipare troppa potenza e quindi far diminuire l'efficienza del circuito. Il valore di tale resistenza non può essere comunque esser preso troppo basso. In funzionamento normale la caduta di tensione sulla resistenza deve essere molto maggiore della tensione di offset dell'amplificatore operazionale. La resistenza di sensing deve essere inoltre di tipo antinduttivo per evitare l'insorgere di transitori di tensione che possono portare rumore alla misura.

Circuito di feedback
La corrente d'uscita (Io) scorrendo nella resistenza R1 determina una caduta di potenziale VR1=R1 Io che viene amplificata dall'operazionale CA3130. La tensione d'uscita dell'amplificatore è applicata al pin di feedback del regolatore LM2576. Quando la tensione al pin di feedback è inferiore a quella di riferimento interna al LM2576 (Vref =1.23V), il regolatore stesso  aumenta il valor medio della sua tensione d'uscita. L'esatto contrario avviene se la tensione di feedback è superiore a quelle di riferimento. Quindi in condizioni di equilibrio vale la seguente relazione Vref=Av VR1, dove si è indicato Av il guadagno di tensione dell’amplificatore operazionale in configurazione non invertente data da Av=1+(R2+R3) /R4.

Sostituendo le equazioni ricava

Io=VR1/Io=(Vref/R1) (1/Av) = Vref/R1 [R4/(R4+R2+R3)]

Con i valori indicati nello schema R3=33kohm e R4=3.9kohm si ottiene una corrente d'uscita compresa tra 1.0A e 1.3A rispettivamente per R2=0 e R2=10kohm.

I diodi
I diodi utilizzati hanno un'importanza rilevante sulle prestazioni del circuito. In questo tipo di convertitori i diodi Schottky garantiscono le migliori prestazioni, per via del loro basso tempo di commutazione e della bassa caduta di tensione diretta. La bassa tensione di lavoro per cui è pensato il circuito pemette di rendere accettabili i limiti sulle massime tensioni applicabili ai diodi con giunzione metallo-semiconduttore.

Il PCB
Nei circuiti switching il disegno delle piste è di fondamentale importanza. Ho cercato di rispettare nel limite del possibile le indicazioni riportate nelle note applicative dei costruttori. Ho eseguito lo sbroglio con i limiti imposti dalla tecnologia da hobbista. Da notare che è possibile realizzare il PCB su due lati oppure anche su uno solo. 

I componenti
Come detto il circuito utilizza componenti con caratteristiche particolari, non sempre facilmente reperibili nei negozi di elettronica vicino casa. Nella tabella seguente riporto alcuni riferimenti sui costi e reperibilità dei componenti più importanti.

Note
Come temevo, dalle prime prove il circuito si è dimostrato subito molto sensibile. funzionava bene a tratti,  mettendosi ad oscillare muovendo semplicemente i fili che lo collegavano all'alimentatore o toccando la basetta con le dita. Si riusciva ad udire il circuito emettere il classico fischio ad alta frequenza. Dopo diversi tentativi sperimentali sono riuscito ad ottenere un funzionamento stabile riducendo la banda dell'operazionale. Ho aumentato il valore della capacità nel ramo di retroazione portandola a 0.47uF. Inoltre ho inserito un condensatore elettrolitico da 1uF in prossimità del pin di feedback del regolatore LM2576. L'inserimento di condensatori di capacità più elevata all'ingresso non portava invece benefici. 

Misure
Per misurare l'ondulazione residua sulle batterie ho utilizzato un oscilloscopio analogico. La misura è stata eseguita con tecnica differenziale. In questa immagine è rappresentato cosa appare sullo schermo con una scala verticale di 2mV/div e orizzontale di 5us/div. Si vede, il ripple di tensione è di circa 10mVpp alla frequenza di 50kHz. 

Come già detto la corrente assorbita all'ingresso del regolatore è molo distorta. Per misurarla servirebbe un multimetro a vero valore efficacie con una banda di almeno 3 volte la frequenza di commutazione. Per misurare la corrente con un strumento economico, in grado di misurare senza errori solo grandezze continue e sinusoidali, occorre inserire un filtro LC come illustrato nella figura seguente:

il filtro attenua le componenti ad alta frequenza della corrente che quindi si può approssimare a continua e si può misurare con il multimetro economico. La corrente d'uscita del regolatore è invece già filtrata e quindi si può misurare senza errori. La tabella seguente riporta alcune misure eseguite, con in evidenza il rendimento, calcolato come il rapporto  tra la potenza d'uscita e la potenza all'ingresso. Il carico d'uscita è costituito da due batterie NIMH poste in serie.

Link
Vi suggerisco di visitare i siti seguenti, dove potete trovare molte informazioni utili.

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