Il primo capitolo del nostro viaggio all’interno dei circuiti integrati, ci porterà a parlare dei cosiddetti “buck“. Quando utilizziamo questo termine, ci riferiamo in realtà al “convertitore buck”, ovvero un circuito che converte una tensione in ingresso VIn in una tensione differente in uscita, VOut. La particolarità fondamentale del “buck“, che lo differenzia dal “boost“, è quella di fungere da riduttore di tensione (step-down).

In poche parole, grazie a questo circuito, avremo in uscita una tensione inferiore rispetto a quella in ingresso (chopper). Cerchiamo di fare chiarezza: non stiamo parlando di un partitore di tensione, ma di qualcosa di esponenzialmente più evoluto, che prende il nome di “convertitore switching“. Il termine “chopper” significa letteralmente “frammentatore”, ed è la sintesi del funzionamento del buck DC-DC: la regolazione di tensione ad intermittenza On-Off.

Attenzione: per comprendere il funzionamento dei convertitori switching, occorre sapere il funzionamento degli alimentatori switching. Ne parleremo in un altro articolo.

 

 

All’interno di un commutatore switching, si usano componenti che idealmente non dissipano potenza attiva (genererebbe calore, facendone crollare l’efficienza). Questi componenti sono essenzialmente tre: induttore, condensatore e transistor “in interdizione”, ovvero in “commutazione” o “switching”. Il transistor in questo caso non dissipa potenza (idealmente), poiché, come un interruttore, ha due livelli di funzionamento: aperto o chiuso.

La potenza dissipata per Effetto Joule è data dalla relazione:

P = V x I

Se l’interruttore è aperto, a livello ideale la corrente (I) è nulla, quindi la potenza (P) è 0. Se l’interruttore è chiuso (corto circuito), la tensione (V) ai suoi capi è nulla e quindi si ricade nel caso precedente. La funzione di uscita (in funzione del tempo t) quando l’interruttore è chiuso vale VIN (TOn), mentre quando l’interruttore è aperto vale 0 (TOff). La Frequenza di Commutazione (Switching) in un determinato periodo T, vale 1/T. Per filtrare le armoniche si utilizza un filtro passa basso (low pass filter), composto da induttore e condensatore. In questo caso la funzione di trasferimento del filtro (che diminuisce all’aumentare della frequenza) è data dalla relazione F = 1/sqrt(LC).

 

 

In questo tipo di circuiti, per ridurre al minimo la dissipazione di potenza, si cerca sempre di evitare componenti come i resistori e, allo stesso modo, i transistor che funzionano come amplificatori in zona di saturazione (FET) o zona attiva diretta (BJT). In realtà l’interruttore è composto da un transistor MOSFET e da un diodo. L’inserimento del diodo evita di dover utilizzare due transistor pilotati in opposizione di fase, correndo il rischio che possano trovarsi entrambi in conduzione o in interdizione. La presenza del diodo regola il funzionamento del circuito secondo due casi:

 

 

1. Quando il Transistor conduce, il diodo è polarizzato inversamente (non conduce).
2. Quando il Transistor è in interdizione, la corrente nell’induttore non cambia e il diodo conduce.

In poche parole, pilotando opportunamente il MOSFET, si ottiene lo switching desiderato tra ON e OFF.

 

 

Questo tipo di convertitori, come vedremo tra poco, ha un’efficienza di conversione del 96%. In questo caso vuol dire che le perdite sono del 4%, un valore infinitamente ridotto rispetto ad un semplice (e rudimentale) partitore di tensione.

A questo proposito, grazie al kit fornito da Avnet Silica, possiamo prendere in esame il convertitore buck MAX38640.

 

 

Si tratta di un convertitore DC DC Single Step Down con una sorgente di tensione utilizzabile che va da 1.8V a 5.5V. In uscita fornisce una tensione che varia da 0,7V a 3,3V. Potete trovare il datasheet qui.

Pensate di non aver mai avuto a che fare con questo tipo di componenti? Sappiate che all’interno dell’alimentatore del PC dal quale state leggendo questo articolo, c’è un convertitore switching. Questi circuiti ormai sono ovunque, dai PC agli smartphone, passando per smartwatch e tutto ciò che richieda un’alimentazione opportunamente trattata in base al funzionamento del dispositivo finale.