Un modo per ottimizzare un progetto automobilistico o industriale è ridurre le dimensioni dell’unità di alimentazione, il che può comportare un risparmio sui costi a livello di sistema richiedendo meno materiale fisico e ovviamente meno componenti discreti.
Le soluzioni di alimentazione isolate come i convertitori push-pull e flyback, richiedo tradizionalmente trasformatori pesanti e ingombranti, soggetti a vibrazioni, che necessitano di un layout di progettazione complicato. Anche la progettazione di soluzioni di alimentazione bias-supply isolate con trasformatori esterni influisce sull’efficienza delle prestazioni e può portare a elevate interferenze elettromagnetiche irradiate (EMI).
Le innovazioni nella progettazione dei trasformatori hanno consentito ai progettisti di circuiti integrati di integrare completamente trasformatore e silicio in un unico package, riducendo significativamente l’altezza e le dimensioni dell’alimentatore DC/DC isolato. L’utente finale ottiene un modulo di alimentazione isolato piccolo e leggero che consente un’elevata densità di potenza senza dover progettare un trasformatore o compromettere le prestazioni del sistema.
In questo articolo descriverò le funzionalità di base di tre applicazioni automobilistiche e industriali, l’importanza dell’alimentatore DC/DC isolato per questa funzionalità e il modo in cui il nuovo modulo di alimentazione UCC33420-Q1 di Texas Instruments può aiutare a progettare un efficace alimentazione DC/DC isolata.
Alimentazione DC/DC isolata nel BMS
La funzione principale di un sistema di gestione della batteria (BMS) è monitorare la tensione dei pacchi batteria, la corrente e la tensione della singola cella. Per garantire la conformità agli standard di sicurezza, è necessario monitorare la corrente di dispersione della batteria ad alta tensione (>60 V) e la resistenza di isolamento tra il bus ed il telaio.
Nel sottosistema di diagnosi di isolamento e alta tensione all’interno del BMS è presente un alimentatore DC/DC isolato che fornisce alimentazione agli isolatori digitali e ai sensori di corrente.
L’ingresso di alimentazione DC/DC isolato riceve un’alimentazione di 5 V dal circuito integrato di gestione dell’alimentazione di sicurezza e fornisce 5 V in uscita agli isolatori digitali, sensori di tensione/corrente o convertitori analogico-digitali sul lato ad alta tensione dell’unità di disconnessione della batteria, come illustrato nella Figura 1.
In una scatola di giunzione della batteria che utilizza un singolo monitor di tensione, corrente e resistenza di isolamento, l’alimentatore DC/DC isolato fornisce una tensione di uscita di 5 V al monitor della batteria. I progressi nella tecnologia dei trasformatori integrati consentono di occupare meno area del circuito stampato rispetto ad altre soluzioni discrete push-pull, ottimizzando la densità di potenza, riducendo la distinta base del materiale (BOM) del sistema e accelerando il time-to-market.
Ricarica di veicoli elettrici
All’aumentare delle vetture elettriche in circolazione, cresce anche la necessità di tempi di ricarica ridotti. Inoltre, ridurre le dimensioni dei moduli di potenza di ricarica dei veicoli elettrici (EV) può garantire maggiore efficienza e una riduzione dei costi di sistema.
Come mostrato in Figura 2, una stazione di ricarica per veicoli elettrici include interfacce di comunicazione dati come Controller Area Network, RS-485 e amplificatori isolati per il rilevamento di tensione e corrente, che richiedono tutti alimentazione DC/DC isolata. Per ridurre i tempi di ricarica, è necessario un aumento della potenza erogata, con conseguente aumento delle dimensioni complessive del sistema.
L’ingombro ridotto e l’elevata efficienza dell’UCC33420-Q1 possono aiutare a progettare un sistema di alimentazione isolato più efficiente riducendo allo stesso tempo lo spazio complessivo sulla scheda. È possibile eliminare fino al 50% di componenti esterni supportando al tempo stesso le alte tensioni dalle linee di ingresso AC.
I/O nei moduli PLC
Come mostrato nella Figura 3, i controller logici programmabili (PLC) ad alte prestazioni includono diversi moduli in uno spazio ridotto. I sistemi PLC utilizzano moduli di ingresso/uscita (I/O) centralizzati per comunicare con sensori, solenoidi e valvole. L’alimentazione isolata in un sistema PLC deve essere di piccole dimensioni, avere una rigorosa regolazione della tensione di uscita ed essere in grado di mitigare le interferenze elettromagnetiche per garantire la compatibilità elettromagnetica. Anche l’elevata densità di potenza e la precisione della tensione di uscita sono requisiti fondamentali.
La capacità dell’UCC33420-Q1 di fornire 1,5 W di potenza di uscita in un package senza piombo molto piccolo da 4 x 5 mm consente a questo dispositivo di alimentare più circuiti integrati. L’UCC33420-Q1 può fornire tensioni di uscita di 5 V e 3,3 V con precisione migliore del ±3% con VIN da 3 V a 3,6 V e da 4,5 V a 5,5 V, senza la necessità di un post-regolatore o di un regolatore a bassa caduta di tensione.
Conclusione
Nell’ambito della progettazione dei trasformatori, l’UCC33420-Q1 offre una densità di potenza superiore di più di 8,5 volte rispetto alle soluzioni con trasformatori discreti con gli stessi livelli di potenza in uscita. Altre innovazioni includono una riduzione delle dimensioni maggiore dell’89% rispetto alle soluzioni con trasformatori discreti, un miglioramento dell’altezza migliore del 75% e una distinta base con un numero di componenti dimezzato. La Figura 4 confronta le dimensioni dell’UCC33420-Q1 con un convertitore push-pull.
UCC33420-Q1 integra un trasformatore di alimentazione di isolamento, ponti sul lato primario e secondario e logica di controllo in un unico package, consentendo di soddisfare la domanda di applicazioni automobilistiche e industriali più piccole e leggere.
L’UCC33420-Q1 è progettato con un trasformatore ottimizzato EMI con 3pF di capacità primario-secondario in grado di soddisfare la conformità CISPR 32 senza l’uso di un filtro EMI. Il dispositivo può anche soddisfare lo standard CISPR 25 con meno componenti e un design del filtro più semplice.
Risorse addizionali
- Scheda tecnica del dispositivo UCC33420-Q1
- Pagina del sito di Texas Instruments dedicata a convertitori e moduli isolati DC/DC.
Bethlehem Defar è Product Marketing Engineer presso Texas Instruments; German Aguirre è Product Marketing Manager – Isolated DC/DC presso Texas Instruments
