Perché usare Power Stage Designer 4.0 per progettare un circuito di alimentazione


Molti ingegneri elettronici utilizzano dal 2011 il tool gratuito Power Stage Designer basato su JAVA di Texas Instruments per agevolare la propria scelta dei componenti giusti per gli alimentatori in modalità switching. Con questa nuova versione, Power Stage Designer 4.0 compie un nuovo passo in avanti nel facilitare la vita dei progettisti di alimentatori. Il nuovo tool ora non solo calcola le informazioni di corrente e tensione per un totale di 20 diverse topologie, ma include anche una toolbox molto utile che consente al progettista di avviare un progetto di alimentatore con grande facilità e di portare a termine il progetto più rapidamente.

Lo scopo principale di Power Stage Designer rimane assistere l’utente nel calcolo e nella visualizzazione delle informazioni generali di tensione e corrente per le topologie supportate in tempo reale. Facendo clic sui componenti evidenziati in giallo nello schema, come in Figura 1, si apre una finestra che mostra le forme d’onda di tensione e corrente per questo componente.

Figura 1: Finestra della topologia di Power Stage Designer

Alcune informazioni aggiuntive, come i valori minimo e massimo di tensione e corrente sono mostrate in Figura 2.

Figura 2: Finestra del grafico per il FET Q1 in un convertitore flyback che mostra le forme d’onda per tensione e corrente

La nuova versione 4.0 aggiunge tre ulteriori topologie:

  • Convertitore buck a condensatore in serie 
    Questa topologia rappresenta uno speciale convertitore buck a due fasi per applicazioni point-of-load a corrente elevata, ove sono richieste anche dimensioni ridotte. È possibile utilizzare questo tipo di convertitore con frequenze molto elevate con livelli di efficienza accettabili.
  • Convertitore flyback quasi risonante 
    I convertitori AC/DC a bassa potenza devono essere sempre più efficienti. Facendo in modo che il convertitore flyback esegua la commutazione in una modalità operativa quasi risonante, è possibile ridurre significativamente le perdite di commutazione.
  • Convertitore a mezzo ponte LLC
    Le topologie risonanti induttore-induttore-condensatore (LLC) stanno diventando sempre più diffuse per via della richiesta di ottenere sempre maggiore potenza con i migliori livelli di efficienza possibile. Con la prima approssimazione armonica, implementata in Power Stage Designer, l’utente può valutare e progettare rapidamente lo stadio di potenza di un convertitore a mezzo ponte LLC senza la necessità di eseguire una simulazione complessa. Tuttavia, il progetto deve essere valutato e verificato successivamente tramite simulazione e prototipo.

Dopo aver valutato le tensioni e le correnti per la topologia scelta, l’utente può quindi procedere con la progettazione dell’alimentazione senza la necessità di utilizzare strumenti aggiuntivi. La nuova versione di Power Stage Designer contiene i seguenti elementi per portare a termine più rapidamente il progetto del convertitore di potenza:

  • FET Losses Calculator
    Il FET Losses Calculator aiuta il tecnico nella comparazione e nella valutazione delle perdite di diversi FET. È possibile eseguire calcoli per il FET principale o per il raddrizzatore sincrono in un circuito di alimentazione in modalità switching. Le perdite da conduzione, commutazione e COSS vengono sommate alle perdite totali del FET principale. Per il raddrizzatore sincrono, le perdite di commutazione sono pari a zero per via della commutazione soft, ma le ulteriori perdite del diodo contribuiscono alle perdite totali. Le perdite dovute agli effetti di recupero inverso vengono trascurate, anche se potrebbero diventare significative per frequenze di commutazione molto elevate. Inoltre viene visualizzata una stima delle perdite del driver.

Figura 3: Finestra del FET Losses Calculator di Power Stage Designer

  • Condivisione della corrente tra condensatori paralleli
    Spesso i progettisti non dedicano molta attenzione alla valutazione della corrente nei condensatori di ingresso e di uscita nel proprio progetto di alimentazione. Quando vengono utilizzati diversi tipi di condensatori, come quelli ceramici ed elettrolitici, si ottengono quantità diverse di corrente RMS. Se questo fatto viene trascurato, alcuni condensatori possono subire un’enorme sollecitazione, che ne riduce significativamente la durata. Questo strumento calcola l’approssimazione armonica della corrente RMS per tre condensatori paralleli in base alle impedenze alla frequenza di commutazione e aiuta i progettisti a scegliere condensatori con una corrente nominale adeguata.
  • Calcolo del condensatore bulk per alimentatori CA/CC
    Generalmente gli alimentatori CA/CC integrano un condensatore bulk dietro il raddrizzatore di ingresso per fornire allo stadio di potenza una tensione di ingresso quasi costante. Power Stage Designer offre ai progettisti uno strumento per calcolare rapidamente la capacità bulk necessaria per il progetto di alimentazione CA/CC. Il risultato dipende dalla tensione bulk minima accettabile, dall’ondulazione di tensione massima accettabile, dalla potenza di ingresso e dalla frequenza di linea minima.
  • Calcolatore del soppressore RC per raddrizzatori
    Soddisfare i requisiti di interferenza elettromagnetica può essere un compito difficile. Quando il layout del circuito stampato è già definitivo, l’implementazione di una rete di soppressori RC parallela al raddrizzatore rappresenta una possibilità per ridurre il ringing nel circuito. Con il calcolatore del soppressore RC per raddrizzatori, i progettisti dispongono di un’opzione semplice per ottenere i valori di partenza per la rete di soppressori con cui minimizzare le emissioni. È sufficiente che l’utente misuri la frequenza di ringing con e senza condensatore di soppressione. Lo spostamento di frequenza causato dalla capacità fornisce un’indicazione sugli elementi del circuito parassita, che vengono utilizzati per calcolare i valori iniziali per il resistore e per il condensatore del soppressore.
  • Calcolatore del soppressore RCD per convertitori flyback
    Nei convertitori flyback può accadere che il FET sia sottoposto a una notevole sollecitazione. In particolare, se il layout del circuito stampato non è ottimale, gli effetti parassiti della scheda in combinazione con l’induttanza di dispersione del trasformatore flyback possono causare un enorme picco di tensione ogni volta che il FET viene spento, aumentando così il livello di tensione che il FET deve essere in grado di sopportare. Per evitare danni irreparabili al FET causati dall’energia residua accumulata nell’induttanza, è pratica comune bloccare l’avvolgimento primario con una rete soppressore RCD all’ingresso. Power Stage Designer offre la possibilità di calcolare i valori iniziali per la resistenza e la capacità della rete soppressore RCD.
  • Partitore di resistenze della tensione in uscita
    Di solito è facile calcolare il partitore di resistenza per impostare la tensione di uscita di un convertitore di potenza. Tuttavia, può comunque essere necessario molto tempo per verificare l’equazione dalla scheda tecnica e provare valori diversi. Lo strumento per il partitore di resistenza della tensione in uscita di Power Stage Designer consente all’utente di selezionare una delle resistenze di retroazione, quindi provvede a calcolare l’altra e la tensione di uscita risultante. Viene inoltre visualizzata una valutazione del caso peggiore, considerando le tolleranze della tensione di riferimento e dei componenti. Gli effetti causati dalla corrente di polarizzazione del pin di retroazione vengono trascurati.
  • Ridimensionamento dinamico della tensione di uscita analogica e digitale
    A volte gli alimentatori devono avere una tensione di uscita regolabile. Per ottenere questo risultato è possibile mandare un segnale di corrente al partitore di resistenze oppure collegare in parallelo diverse resistenze alla resistenza low-side del partitore di resistenze di retroazione. Power Stage Designer offre due strumenti, che calcolano il partitore di resistenze della tensione di uscita, oltre ai componenti supplementari per il ridimensionamento della tensione di uscita analogica e digitale.
  • Convertitore di unità
    I parametri di alimentazione comunemente utilizzati possono essere facilmente convertiti con questo piccolo strumento, ad esempio unità imperiali o metriche e viceversa.
  • Loop Calculator
    Lo strumento Loop Calculator di Power Stage Designer offre agli utenti la possibilità di visualizzare la risposta in frequenza di diverse topologie di convertitori di potenza e le loro reti di compensazione. I grafici del diagramma di Bode sono calcolati con funzioni di trasferimento semplificate, ma forniscono comunque una buona indicazione della risposta in frequenza nella realtà. Dopo aver scelto una topologia e la rete di compensazione, l’utente deve inserire alcune informazioni più generali sul circuito di alimentazione e sul controller di gestione dell’alimentazione. L’effetto della rete di compensazione scelta può essere visualizzato direttamente nel grafico di Bode dello strumento. Per alcune topologie, Power Stage Designer è in grado di suggerire valori per la rete di compensazione in base a regole generali.

Figura 4: Finestra del Loop Calculator di Power Stage Designer

Gli schemi di controllo supportati dal Loop Calculator sono:

  • Buck con modalità di controllo in tensione (VMC, Voltage Mode Control)
  • Buck con modalità di controllo in corrente (CMC, Current Mode Control)
  • Boost CMC
  • Buck-boost invertente CMC
  • Flyback CMC
  • Forward CMC

Le reti di compensazione supportate dal Loop Calculator sono:

  • Tipo II
  • Transconduttanza tipo II
  • Tipo II isolato con diodo Zener di clamp
  • Tipo II isolato senza diodo Zener di clamp
  • Tipo III

In sintesi, Power Stage Designer è uno strumento che consente all’utente di valutare rapidamente valori e forme d’onda importanti per le topologie di alimentazione più comunemente utilizzate. La nuova toolbox fornisce utilità di progettazione aggiuntive per portare a termine rapidamente lo schema di alimentazione. Tuttavia, è vivamente consigliabile utilizzare la simulazione e il test al banco del prototipo per verificare e valutare la corretta funzionalità dell’alimentatore.

Le equazioni alla base dei calcoli della topologia in Power Stage Designer sono disponibili nel Manuale delle topologie di alimentazione, mentre le ipotesi e le equazioni alla base della toolbox si trovano nel Manuale utente di Power Stage Designer.

Link per il download del tool: www.ti.com/powerstagedesigner

 

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