Compensazione attiva del ripple in convertitori DC-DC

Oggi per far fronte alla progettazione di circuiti di alimentazione sempre più efficienti è possibile optare per i convertitori DC-DC switching, utilizzabili in un'ampia varietà di applicazioni. L'efficienza energetica e il ripple della tensione di uscita rappresentano due parametri di fondamentale importanza nei sistemi di alimentazione; basti pensare ai dispositivi portatili a batteria quali computer, telefoni cellulari e sistemi biomedicali impiantabili, che necessitano di un'alimentazione altamente efficiente. In particolare, in tutte queste applicazioni è auspicabile avere non solo un'elevata efficienza ma anche un ripple d'uscita più basso e una tensione d'uscita costante.Queste caratteristiche si possono ottenere con la progettazione di un linear-switching hybrid DC-DC converter. Tale convertitore consiste in un regolatore di tensione lineare collegato in parallelo ad un convertitore switching. Questa configurazione combina i vantaggi di entrambi i circuiti: alta efficienza, ripple di tensione contenuto, maggiore livello di integrazione su chip e risposta rapida nei transitori.L'utilizzo di questa struttura permette, inoltre, di eliminare il condensatore di filtro di uscita nei convertitori switching, consentendo di ottenere numerosi vantaggi, tra cui una riduzione del volume complessivo del circuito e un aumento dell'affidabilità del sistema, poiché il condensatore rappresenta la prima causa di guasto per i convertitori a commutazione. In questo modo l'alimentatore può essere destinato ad applicazioni System-on-Chip (SoC) o System-in-Package (SiP). Il regolatore di tensione lineare presente in un convertitore ibrido opera una compensazione attiva del ripple di tensione. È possibile utilizzare un approccio in cui il regolatore lineare impone la tensione di uscita con il proprio feedback di tensione. Per questo scopo è stato utilizzato un amplificatore operazionale con un buffer in classe AB come stadio di uscita, il quale porta diversi vantaggi rispetto all'uso alternativo di un regolatore lineare costituito da un amplificatore operazionale a feedback di corrente. Con la suddetta configurazione è possibile ottenere ottime prestazioni dinamiche e ridurre le dimensioni dell'induttore a valle dell'interruttore del circuito di switching.Il convertitore switching fornisce la corrente richiesta dal carico, attraverso un controllo che monitora la corrente uscente dall'amplificatore in classe AB, in modo ridurre al minimo la corrente media fornita dal regolatore lineare.L'obiettivo della tesi è quello di illustrare dei metodi per migliorare le prestazioni del suddetto convertitore ibrido e di eccedere i limiti imposti dai convertitori presenti in letteratura, proponendo diverse soluzioni circuitali. Il buck sincrono e il buck interleaved, ad esempio, permettono rispettivamente di migliorare l'efficienza del sistema e di ridurre l'ampiezza del ripple. I convertitori ibridi studiati sono adatti a diverse applicazioni, tra cui elettrolizzatori, sistemi di ricarica per batterie, e sistemi in cui l'affidabilità è un vincolo fondamentale. Sono stati simulati ed analizzati diversi circuiti in ambiente LTspice, utilizzando di volta in volta diversi circuiti integrati per la generazione del controllo PWM e il pilotaggio dei componenti di switching. Infine è stato realizzato il circuito stampato di una delle soluzioni presentate e sono state effettuate diverse misure in laboratorio che hanno confermato i risultati ottenuti in simulazione.