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Nei progetti di alimentatori ad alta tensione, i problemi di sicurezza richiedono l’isolamento dell’ingresso ad alta tensione dall’uscita a bassa tensione. I progettisti utilizzano in genere l’isolamento magnetico in un trasformatore per il trasferimento di potenza, mentre un fotoaccoppiatore fornisce l’isolamento ottico per il feedback del segnale.
Uno dei principali svantaggi degli optoaccoppiatori negli alimentatori isolati è la loro affidabilità. L’uso di un LED negli optoaccoppiatori tradizionali per trasmettere segnali attraverso la barriera di isolamento porta ad un’ampia variazione da parte a parte del rapporto di trasferimento di corrente in base alla temperatura, alla corrente diretta e al tempo di funzionamento. Anche gli optoaccoppiatori sono carenti in termini di prestazioni di isolamento, poiché spesso utilizzano materiali isolanti deboli come le resine epossidiche o talvolta solo un traferro d’aria.
Un dispositivo puramente a base di silicio che emula il comportamento di un accoppiatore ottico come ISOM8110 di Texas Instruments (TI) risolve questi problemi poiché rimuove il componente LED, utilizza un materiale isolante resiliente come il biossido di silicio ed è certificato e testato in un ambiente molto norma più rigorosa [International Electrotechnical Commission (IEC) 60747-17] rispetto allo standard sui fotoaccoppiatori IEC 60747-5-5 (vedere questa nota applicativa per maggiori dettagli).
La mancanza di affidabilità di un fotoaccoppiatore nel tempo e nella temperatura ha fatto sì che molti settori, come quello automobilistico e spaziale, abbiano dovuto fare affidamento sulla regolazione del lato primario o su altri mezzi per regolare l’uscita. Un optoemulatore contribuisce a migliorare l’affidabilità e fornisce anche miglioramenti sostanziali nella risposta ai transitori e al loop senza aumentare il filtro di uscita.
In genere, il fattore limitante nella larghezza di banda di un alimentatore isolato è la larghezza di banda del fotoaccoppiatore. Questa larghezza di banda è limitata dal polo del fotoaccoppiatore, formato dalla sua capacità parassita intrinseca e dal resistore di polarizzazione di uscita. L’uso di un optoemulatore elimina questo polo, il che porta ad una maggiore larghezza di banda per l’intero sistema senza alcuna modifica al filtro di uscita. Figura 1 E figura 2 mostrano la risposta in frequenza di un progetto flyback isolato testato rispettivamente con un accoppiatore ottico e un optoemulatore.
Figura 1 Larghezza di banda totale di un alimentatore isolato utilizzando il fotoaccoppiatore TCMT1107. Fonte: Texas Instruments
figura 2 Larghezza di banda totale di un alimentatore isolato utilizzando l’optoemulatore ISOM8110. Fonte: Texas Instruments
L’obiettivo di entrambi i progetti era quello di aumentare la larghezza di banda complessiva mantenendo comunque un margine di fase di 60 gradi e un margine di guadagno di 10 dB. Tabella 1 elenca i risultati affiancati.
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Accoppiatore ottico |
Optoemulatore |
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Larghezza di banda (kHz) |
8.6 |
38.2 |
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Margine di fase (gradi) |
60.2 |
67.4 |
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Margine di guadagno (dB) |
18.7 |
11.62 |
Tabella 1 Risultati della risposta in frequenza dell’accoppiatore ottico e dell’emulatore ottico.
La maggiore larghezza di banda dell’optoemulatore aiuta a ottenere un aumento quasi quadruplo della larghezza di banda complessiva del progetto mantenendo i margini di fase e guadagno. Figura 3 evidenzia le modifiche apportate alla rete di compensazione della scheda optoemulatore rispetto alla scheda fotoaccoppiatore. Come puoi vedere, questi cambiamenti sono minimi e richiedono solo la modifica di un totale di tre componenti passivi. Un altro vantaggio dell’emulatore ottico è che è compatibile pin per pin con la maggior parte degli accoppiatori ottici, quindi non richiede un nuovo layout per i progetti esistenti.
Figura 3 Modifiche schematiche apportate alla rete di compensazione della scheda optoemulatore rispetto alla scheda accoppiatore ottico. Fonte: Texas Instruments
Solo i componenti di compensazione attorno al regolatore di tensione shunt TL431 sono stati modificati da un progetto all’altro. A parte C19, C22 e R20, il resto del progetto era identico, compresi i componenti dello stadio di potenza, che includono la capacità di uscita.
Grazie all’aumento quadruplo della larghezza di banda, siamo stati in grado di migliorare significativamente anche la risposta ai transitori, senza aggiungere ulteriore capacità all’uscita. Figura 4 E Figura 5 mostrano la risposta transitoria rispettivamente dei progetti dell’accoppiatore ottico e dell’emulatore ottico.
Figura 4 La risposta transitoria per il progetto del fotoaccoppiatore. Fonte: Texas Instruments
Figura 5 La risposta transitoria per il progetto dell’optoemulatore mostra una riduzione superiore al 50% nella risposta transitoria complessiva. Fonte: Texas Instruments
Il gradino di carico e la velocità di variazione erano gli stessi in entrambi i test. La risposta al gradino di carico è passata da –1,04 V nel fotoaccoppiatore a –360 mV nell’optoemulatore e la risposta al dump del carico è diminuita da 840 mV a 260 mV. Si tratta di una riduzione > 50% della risposta transitoria complessiva, senza aggiungere ulteriori condensatori di uscita.
Vantaggi dell’optoemulatore
Grazie al significativo miglioramento della larghezza di banda offerto da un optoemulatore rispetto a un optoaccoppiatore, i progettisti possono ridurre le dimensioni del condensatore di uscita senza sacrificare le prestazioni transitorie in progetti isolati sensibili ai costi e alle dimensioni.
Un optoemulatore fornisce inoltre maggiore affidabilità rispetto a un fotoaccoppiatore consentendo la regolazione del lato secondario in applicazioni che prima non potevano utilizzare optoaccoppiatori, come nel settore automobilistico e spaziale. Con l’aumento della larghezza di banda, un optoemulatore può fornire una larghezza di banda maggiore per l’intero circuito dell’alimentatore, portando a una risposta transitoria significativamente migliore senza aumentare la capacità di uscita. Per i progetti esistenti, la compatibilità pin per pin di un optoemulatore con la maggior parte dei fotoaccoppiatori consente sostituzioni immediate, con solo piccole modifiche alla rete di compensazione.
Sarmad Abedin è ingegnere di sistema presso Texas Instruments dal 2011. Lavora per il team Power Design Services a Dallas, Texas. Progetta alimentatori personalizzati da oltre 10 anni specializzandosi in applicazioni CA/CC a bassa potenza. Si è laureato al RIT nel 2010 con una laurea in Ingegneria Elettrica.
Matt Smith lavora come ingegnere di sistema per il team Isolation Products di Texas Instruments, dove definisce prodotti e roadmap di prodotto per dispositivi come optoemulatori e altri isolatori di segnale. Matt ha frequentato la Texas A&M University dove ha conseguito la laurea in ingegneria informatica ed elettrica.
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Il post Suggerimenti di alimentazione n. 125: Come un opto-emulatore migliora l’affidabilità e la risposta ai transitori per convertitori CC/CC isolati è apparso per la prima volta su EDN.
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