Switching vs Regolatore di Tensione Lineare: Qual è la migliore decisione?

7805 Voltage Regulators

 

Vi è mai capitato che un condensatore vi sia scoppiato davanti? Quello è il modo in cui ho iniziato la mia carriera nella progettazione elettronica. Ho anche sbagliato il calcolo di budget per l’alimentazione in quello che all’inizio era considerato come un progetto “semplice”. Il risultato finale è stato un prototipo di PCB con un voltaggio rosso fuoco che era capace di friggere un uovo...o forse peggio.

Da allora ho realizzato che l’eleganza del progetto e la ricercatezza contano poco. Se si commette un errore quando si configurano i circuiti di gestione dell’alimentazione il progetto è virtualmente inutile. I calcoli del budget dell’alimentazione, la temperatura ambientale, e, in molti casi, la scelta del nucleo centrale dei componenti di gestione dell’alimentazione, come un regolatore di tensione, possono far funzionare o fallire il progetto di un PCB.

La funzione del circuito di gestione dell’alimentazione in un sistema embedded

In oltre un decennio di progettazione di sistemi incorporati (embedded), ho visto i microcontrollori evolversi a passi da gigante, partendo dallo storico Zilog fino ad arrivare al moderno processore Cortex M4. Tecnologie come Bluetooth LE e ZigBee hanno ulteriormente rivoluzionato l’industria dei sistemi incorporati. In ogni caso c’è sempre bisogno di circuiti di alimentazione ben progettati. Senza di essi questi fantastici pezzi di tecnologia sono soltanto “parti” - parti che avranno un odore terribile quando inizieranno a sfrigolare, sciogliersi e bruciare.

Oltre ai condensatori esistono i regolatori di tensione, che costituiscono il cuore dei circuiti di alimentazione ben progettati.  Come indica il nome stesso essi garantiscono un voltaggio stabile che permette al sistema embedded di operare in maniera costante. I regolatori di tensione funzionano ricevendo un ingresso ad alto voltaggio per poi abbassare e stabilizzare la tensione al livello richiesto dal dispositivo elettronico.

Prima che i componenti a 3.3V diventassero diffusi eravamo limitati a microcontrollori (MCUs) e circuiti integrati (ICs) alimentati a 5V. La sigla LM7805 era particolarmente popolare ed indicava un semplice regolatore di tensione lineare a 5V. La sua semplicità è davvero elegante e costituisce una scelta popolare ancora oggi. Quando il voltaggio a 3.3 è diventato di largo uso l’LM1117-33 si è diffuso come efficace regolatore di tensione lineare.

I limiti dei regolatori di tensione lineare
 
C’è stato un periodo in cui i circuiti integrati sono cambiati per adeguarsi ai voltaggi di 3.3V e, durante questo periodo, i microcontrollori hanno subito una fase di evoluzione rapida. Precedentemente i progettisti si concentravano sul numero di input/output su un microcontrollore. Poi hanno iniziato ad interessarsi maggiormente al numero di funzioni integrate, come UARTS, Ethernet, USB, e all’evoluzione rapida della potenza. Alla fine il regolatore di tensione lineare è stato spinto al suo limite.

 

Black aluminum heat sinks

Questi dissipatori pratici raffreddano i regolatori.

Molte persone compiono un errore da principiante nell’utilizzo dei regolatori di tensione lineare, accettando il rating indicato come assoluto. Questo è stato un grave problema perché il regolatore LM7805 è specificato come a 5V, 1.5A ma ciò non significa che può reggere questo voltaggio senza sciogliere componenti, nello scenario migliore, o bruciare nel processo in quello peggiore. Prima di scegliere un regolatore di tensione lineare devono essere considerati almeno altri tre parametri.  

Il livello di potenza dissipata è calcolato considerando la differenza fra voltaggio di input e di output; quindi si moltiplica questa cifra con la corrente di carico. Se state regolando da 12V a 5V, e il sistema integrato consuma 100mA, allora la potenza dissipata sarà pari a 0.7W. Tenendo presente tutto questo va notato che l’LM7805 può operare a temperature fino a 125°C. Oltre questo valore si possono verificare eventi indesiderati come scioglimento e bruciatura.

Un tipico LM7805 in un imballaggio TO-220 ha una temperatura di resistenza di 65°C/W. Ciò significa che per ogni Watt si verifica un aumento di 65°C che si aggiungono alla temperatura ambientale. In alcune regioni la temperatura media è intorno ai 35°C, quindi l’LM7805 potrebbe raggiungere i 100°C, un valore molto vicino alla sua temperatura massima consentita, con meno del 10% della massima corrente certificata di 1.5A.

Perché un regolatore di commutazione di tensione è la scelta più fresca, letteralmente

Le caratteristiche di un regolatore di tensione lineare lo rendono tutt’altro che ideale nei sistemi con requisiti di alta potenza, visto che il calore generato potrebbe danneggiare il regolatore o ridurre la vita utile dei componenti nelle vicinanze. Per questo si è assistito ad un interesse crescente nel regolatore di commutazione. Come implica il nome, il regolatore di commutazione commuta da on a off in un tempo molto breve, garantendo un’alimentazione stabile ed efficace. Il regolatore di commutazione può dissipare il calore molto efficacemente, riducendo le temperature e minimizzando il rischio di scioglimento.   

Graphic saying “Improve Efficiency”

I regolatori di commutazione riguardano soprattutto l’efficienza.

 

Un componente che ho usato è il LM2576, un regolatore di commutazione popolare che opera con un’efficienza del 75% quando regolato a 3.3V. Produce una frazione del calore che si produrrebbe con un equivalente regolatore lineare, rendendolo ideale per applicazioni che necessitano di regolare da un alto voltaggio ad uno basso. È anche adatto a sistemi integrati quando si usano costantemente ad alta capacità.

Regolatori di commutazione contro regolatori di tensione lineare

Con tutta l’efficienza che garantisce un regolatore di commutazione di tensione, due criteri impediscono che sia la scelta di partenza. Il costo del regolatore di commutazione e i componenti passivi obbligatori. Ciò può essere significativo, e fino a 30 volte più alto dei costi che vedresti con un regolatore di tensione lineare ed una coppia di condensatori.

Inoltre, il regolatore di commutazione richiede più componenti passivi. Quando hai un numero più grande di componenti passivi, la manutenzione diventa parecchio più complessa. Devi assicurarti che attentamente selezioni il valore dei tuoi induttori e condensatori, e ciò traduce automaticamente in una necessità di più spazio sul PCB.

In breve, se stai lavorando un’applicazione semplice che non consuma molta energia, il regolatore di tensione lineare è la scelta logica. Ma se stai lavorando su un progetto ad alta alimentazione o ti stai cercando di scendere dal voltaggio industriale 24VDC ad un sistema 3.3V, allora dovresti considerare di usare un regolatore di commutazione di tensione.

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