Step-up 80W con 3843

Gli alimentatori a commutazione (SMPS) sono estremamente interessanti per molti motivi, tra cui:
- alto rendimento
- bassa numero di componenti
- piccole dimensioni

Per l'hobbista, però, la loro realizzazione può essere problematica, in quanto si tratta di circuiti a frequenze elevate (da 60kHz a 1MHz e più), cosa che richiede cure costruttive diverse da quelle di un alimentatore lineare a tre terminali, oltre all'uso di bobine e di condensatori a basso ESR.

Possiamo, però, provare un piccolo step-up di facile realizzazione e di sicuro funzionamento e che non richiede componenti difficili da trovare e che è anche in grado di trattare una certa potenza.

3843

Il circuito intergrato 3843 (qui il datasheet di Onsemi) non è recente, ma ha avuto un buon successo ed è prodotto da numerosi brand, come Texas e Unitrode (UC3843), ST (SG3843), Onsemi (NCV3843), ecc. Appartiene ad una famiglia di cui fanno parte 3842/3844/3845, simili, ma con caratteristiche un poco differenti.

Sono controllori PWM a frequenza fissa in modalità corrente. Sono stati progettati appositamente per applicazioni off-line e per convertitori CC-CC con un minimo di componenti esterni. 3843 può funzionare fino a 500kH, ha un basso consumo e permette di realizzare circuiti con una limitata criticità. Esiste in DIP a 8 e 14 pin e in SOIC-8 pin: in questo progetto utilizziamo la versione DIP 8 pin.

Questi circuiti integrati sono dotati di un oscillatore stabile per un controllo preciso del duty cycle, di un riferimento di tensione compensato in temperatura, di un amplificatore di errore ad alto guadagno, di un comparatore di rilevamento della corrente e di un'uscita totem-pole ad alta corrente per pilotare un transistor di potenza.

Un segnale di clock ad una frequenza fissa agisce sull'ingresso S di in flip-flop, la cui uscita comanda un interruttore di potenza (transistor o MOSFET). La fine dell'impulso si verifica quando il livello della corrente dell'induttore raggiunge una soglia stabilita dal segnale di errore. In questo modo il segnale di errore controlla il picco di corrente dell'induttore.  L'impulso è anche controllato in durata dalla tensione di errore ottenuta dalla comparazione di una tensione di riferimento interna e la tensione di uscita.

Questo si differenzia dagli schemi convenzionali in cui in cui il segnale di errore controlla l'ampiezza degli impulsi senza tener conto della corrente dell'induttore. 

3843 step-up

Utilizziamo 3843 in una configurazione step-up classica per ottenere una conversione da 12V a 24-30V, ideale per alimentare apparecchiature a partire da una batteria da 12V.

Caratteristiche generali:
- Tensione di ingresso Vin 9-16V
- Tensione di uscita     Vout 18-30V
- Corrente uscita         Iout 3A
- Potenza                   oltre 70W
- Rendimento             90%

In effetti il circuito può erogare senza problemi tensioni di 50V e oltre o correnti maggiori, ma questo è un aspetto che tratteremo più avanti. 

Lo schema base minimale è il seguente:

I componenti usati:

IC1 è il 3843. Viene alimentato attraverso R6/C10 che garantiscono un certo disaccoppiamento dalla tensione di ingresso.
R1/C7 determina la frequenza operativa, in questo caso fissata a 100kHz. Si può aumentare la frequenza del clock fino a 500kHz, ma sono richieste maggiori attenzioni nella disposizione delle parti e nella qualità di induttore e condensatori.

Da notare che la rete RC è alimentata dalla tensione di riferimento interna del chip (disponibile al pin 8) per ottenere la migliore stabilità. C11 è in parallelo alla tensione di riferimento.

La tensione di ingresso è usata per caricare l'induttore durante la fase di on, in cui il transistor di switch lo collega alla massa. Quando l'interruttore si apre, l'induttore viene a trovarsi in serie alla tensione di ingresso: poiché le tensioni si sommano, la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso. 

Il doppio diodo in uscita rende la giusta polarità; si usa tipicamente uno Schottky a causa della sua bassa caduta di tensione in conduzione. In questo caso la scelta del doppio diodo in TO220 riduce le perdite e consente un buon raffreddamento del componente.

La regolazione della tensione di uscita dipende dal partitore R7/R8/R10, la cui tensione viene inviata al pin di feedback VFB (pin 2) e confrontata con un riferimento interno. L'uscita del comparatore blocca il tempo di on del transistor di commutazione, che normalmente è un MOSFET con una bassa resistenza Rdson.

Il commutatore è un MOSFET N. Nel prototipo è stato usato un elemento ad alte prestazioni, IRF3710, ma possono essere usati altri MOSFET genere IRLZ44 e simili. Una bassa resistenza di conduzione riduce le perdite e il riscaldamento, mentre occorre un elemento con una tensione Vds superiore a quella di uscita ed una corrente di drain maggiore di una trentina di ampere.

La corrente nel MOSFET è valutata con la R3. R4 e C9 disaccoppiano e formano un filtro per l'ingresso di controllo della corrente (pin 3).

I condensatori C1/C2/C5/C6 sono sulla tensione di ingresso. E' opportuno non scendere sotto i 1000uF per gli elettrolitici, per compensare la resistenza dell'alimentazione. Qui usiamo una coppia di 1000uF/25V a bassa ESR. Nel caso di impiego con correnti elevate, è opportuno salire col valore a 2200uF ciascuno. C5/C6 sono elementi multistrato per ridurre l'impedenza alle frequenze elevate.
C3/C4 sono gli elettrolitici in uscita: qui è opportuno non scendere sotto i 2000uF e, nel caso di correnti elevate, è il caso di aumentare il valore anche verso i 4700uF. Nel prototipo sono usati 2x1500uF/50V.
C11/C12 sono multistrato per ridurre ulteriormente le compone nti ad alta frequenza in uscita..

Un LED è aggiunto per una indicazione della presenza della tensione di uscita.

Il rendimento in questa di applicazione può superare il 90% per una buona area del rapporto ingresso/uscita, il che si adatta ottimamente ad apparati alimentati a batteria e che devono utilizzare la meglio l'energia disponibile.

Realizzazione pratica.

Questo circuito è facilmente realizzabile anche a livello hobbistico con poca esperienza negli SMPS.
Abbiamo disegnato per il prototipo un circuito stampato a faccia singola, utilizzando passivi in SMD.
Ovviamente è possibile utilizzare componenti through-hole o una scheda millefori: se sono adottate le normali cure che richiede un circuiti elettronico, il successo è garantito comunque.

Tassativamente, come in tutti i circuiti switching di potenza, NON si deve ricorrere a cablaggi volanti con contatti, insicuri e a grovigli di fili. Un falso contatto può distruggere tutto quanto.

E' stato realizzato un circuito stampato mono rame. L'immagine sotto è puramente indicativa.

In questa versione, le resistenze ed i condensatori non elettrolitici sono saldati sul lato rame.
Elettrolitici, induttanza, LED, diodo, Mosfet e morsettiera sono sul alto opposto. Potendo realizzare un doppia faccia, si potrà dedicare una superficie maggiore alla massa e ai rami di potenza.

MOSFET e diodo sono fissati ad un dissipatore, assieme alla R3, che è TO220. Il case consente di raffreddare bene la resistenza, che dissipa un certo calore;è possibile utilizzare soluzioni diverse, come ad esempio 10 resistori da 1 ohm in parallelo. Per questa resistenza sono da evitare elementi a filo avvolto che aggiungerebbero una induttanza non desiderata.

In effetti, fino ad una corrente di uscita di 2A MOSFET e diodo non hanno neppure necessità di un dissipatore così ampio; basta una lastrina di alluminio. Diversamente, se vogliamo salire con la corrente (e, in questo caso, va considerata anche la dissipazione di R3) il dissipatore è essenziale (ricordare che stiamo trattando potenze oltre i 70W).

Particolare del prototipo:

MOSFET e doppio diodo richiedono l'interposizione di un pad termoconduttivo per isolarli. La resistenza TO220 non ne ha bisogno. L'uso di pasta termoconduttiva è sempre una cosa indispensabile.
Il circuito stampato è protetto con una deposizione di stagno chimico a freddo, che evita l'ossidazione del rame.

Note sui componenti:

Praticamente tutti componenti (esclusi gli SMD) sono stati recuperati da alimentatori commerciali guasti.

- UC3843 in DIP è stato recuperato da un alimentatore PC.

- Il MOSFET può essere un comune IRFZ44 (160W, 60V, 50A) o equivalente con caratteristiche simili (IRLZ44, 65N06, 80N06, FDP045N10A, ecc.). Qui è stato usato un IRF3710. Più bassa è la Rdon, meglio è.

- Il doppio diodo, del genere 2045 o 2545 o simili, è un componente classico negli alimentatori PC; è stato usato per la facilità di reperirlo. I due diodi in parallelo hanno caratteristiche migliori di uno singolo.  Vanno ovviamente bene elementi con tensione e corrente maggiori. 

- L'induttore da 100uH è pure recuperato da vecchi alimentatori PC. Non è critico: sono stati provati valori da 50 a 110uH. Peraltro può essere realizzato facilmente usando un nucleo giallo/bianco (usato comunemente negli avvolgimenti di uscita degli alimentatori PC) o verde/blu, diametro 27-33mm, avvolgendo 32/40 spire di rame smaltato da 1mm.

- I condensatori elettrolitici sono da scegliere con la minima ESR. Non stiamo realizzando un amplificatore audio, ma un circuito a commutazione dove circolano impulsi da 100kHz.
La bassa impedenza degli elettrolitici e la loro capacità di sostenere corrente elevata  sono un elemento chiave in questo genere di circuiti.
In questa direzione, sono state impiegate coppie di condensatori, piuttosto che uno singolo, in quanto si  minimizza l'impedenza e massimizza la corrente sostenibile e si limita il riscaldamento.

- minuterie di montaggio dei semiconduttori e i pad isolanti sono pure di recupero da alimentatori PC.

- il dissipatore è quello di una CPU. Se la corrente di uscita è inferiore a 1A si potrà utilizzare anche solo una lastrina di alluminio. Un dissipatore alettato con o senza ventola può essere necessario nel caso di funzionamento continuo ad alta corrente o in ambiente dove il calore può salire molto, come in automotive.

- usare cavi di adeguata sezione per collegare l'alimentatore e il carico. Fili sottili con le pinzette in fondo non sono una buona scelta

- il connettore è un genere Phoenix MSTBV o simili, passo 5.08, con una portata nominale sul contatto di 12A. E' stato inserito per comodità durante i test. Si potranno usare senza problemi collegamenti diretti o morsettiere di altro tipo.

Tenere presente che è importante testare tutti componenti recuperati prima di utilizzarli.

Un modo semplice è verificare i componenti di recupero e la qualità dei condensatori è impiegare uno dei tanti prova componenti di produzione cinese come questo. Essendo molto economici e ragionevolmente precisi, non dovrebbero mancare anche ad un hobbista con budget limitato.

Il funzionamento è assicurato solo se utilizzate materiale non deteriorato.

I test.

Una nota preliminare: questo convertitore può assorbire correnti impulsive da 6-7A. Un alimentatore da banco ordinario difficilmente è in grado di fornire questa uscita con una impedenza sufficientemente bassa.
Per evitare problemi, limitate i test a quanto possibile con la strumentazione che avete disponibile.

In Laboratorio, abbiamo impiegato un alimentatore da 10A nominali, un carico elettronico e un oscilloscopio.

Per quanto riguarda il rendimento, questo è vicino o superiore al 90%

La bobina può scaldare. Usando una bobina avvolta con filo di maggiore sezione, il riscaldamento si ridurrà.
Gli elettrolitici in ingresso scaldano se l'impedenza della connessione con l'alimentatore è elevata.
Scalda la R3 con correnti superiori a 2A.

La tensione di uscita è stabile. Regolata per la tensione voluta, da vuoto a pieno carico la stabilizzazione è migliore dell'1%. 

Non ci sono problemi per il funzionamento a vuoto, ma con il carico appaiono impulsi dovuti alla commutazione:

Vin 12V  Vout 24V  nessun carico	Vin 12V  Vout 24V   carico 2.5A

Se si desidera eliminare il ripple in uscita, è il caso di inserire un filtro a LC (almeno 10-20uH e da 500uF in su).

Più potenza...

Se il circuito si presta ad essere modificato per ottenere maggiore potenza e/o tensione, occorre valutare bene i componenti.

Se aumenta la tensione di uscita, sarà necessario che siano adeguate le tensioni lavoro del MOSFET e del diodo, con un margine di sicurezza non piccolo, almeno del 50% sui valori nominali, dato che possono essere presenti spike brevi, ma di valore elevato..

Anche gli elettrolitici devono avere un margine adeguato della tensione di lavoro. Ad esempio, con una uscita di 40V, il minimo sarà usare elementi in uscita da 63V, meglio 80V. Anche gli elementi di ingresso, se usati in automotive, saranno da 35Vl, meglio 63V: la tensione su un veicolo può avere variazioni e picchi non indifferenti. L'interposizione di un fusibile tra batteria e alimentatore è indispensabile per la sicurezza.

Se la corrente di uscita sale, occorre aumentare il valore della capacità, e, in particolare, utilizzare condensatori con corrente di picco adeguata. Così pure la bobina richiederà un nucleo che non si trovi ad essere saturato.
Sarà anche necessario variare la R3 per una corrente ottimale nel sistema commutatore/bobina.

Il consiglio è quello di affrontare un aumento di prestazioni solo se avete le idee ben chiare.

Qualcosa da sapere sullo step-up.

Caratteristica essenziale di uno step up (o boost) è quella di ricevere una tensione all'ingresso e rendere all'uscita una tensione superiore. Da qui il nome di step-up (un gradino in su) o boost (aumento, incremento).

Dovrebbe essere ben compreso che questo circuito:

• NON amplifica la potenza, ovvero non può rendere all'uscita una potenza maggiore di quella assorbita. 
  

• la tensione di uscita dello step-up è sempre maggiore di quella di ingresso. 
  Non è possibile ottenere dallo step up una tensione di uscita minore di quella in ingresso.Se all'uscita ci serve una tensione minore di quella in ingresso si dovrà ricorrere alla configurazione step down o buck
  Se all'uscita serve una tensione che sia più bassa o più alta di quella di ingresso va realizzata una configurazione SEPIC.
  

• lo step up lavorerà meglio quanto minore sarà la differenza tra tensione di ingresso e tensione di uscita perchè si ridurrà la corrente assorbita, che deve essere supportata dall'induttanza e dal transistor di switch, con le relative perdite, ma, comunque, occorrerà un minimo margine di differenza tra i due valori per una regolazione efficiente; ad esempio, la tensione di ingresso dovrà essere superiore a quella di uscita almeno di 2V in modo da mantenere attiva la regolazione. 

Il nome boost o booster può trarre in inganno in quanto può essere usato anche per amplificatori di potenza, ma non è questo il senso in cui è inteso per i convertitori di tensione step-up, dove l'incremento riguarda la tensione e non la potenza.

Quindi, uno step up rende una tensione maggiore di quella in ingresso a pari potenza (a meno del suo rendimento).
Ovvero, se all'uscita richiedo 24V con 2A

P= V * I = 24 * 2 = 48W

applicando all'ingresso 12V, sarà assorbita una corrente teorica di almeno 4A. Se il rendimento è del 90%, la corrente assorbita sarà 4,4A circa.