Un doppio LDO intelligente per la gestione dei percorsi di alimentazione dei contatori intelligenti

Riceviamo e pubblichiamo con piacere questo contributo di Dan Tooth di Texas Instruments.

Alcune applicazioni dei contatori intelligenti richiedono l’installazione di un modulo di comunicazione wireless esterno. I requisiti di alimentazione imposti prevedono che il modulo limiti la corrente di alimentazione in un intervallo compreso tra 100 e 150 mA. Inoltre, è necessario un alimentatore di riserva a supercondensatore per continuare ad alimentare il modulo per un dato lasso di tempo dopo la caduta dell’alimentazione principale. Questo articolo spiega come soddisfare questi requisiti.

Doppio regolatore lineare TPS7B7702-Q1 (LDO)

Il TPS7B7702-Q1 è un LDO a doppio canale con limiti di corrente programmabili indipendenti per ciascun canale. I canali sono contrassegnati come x = 1, 2. Il limite di corrente per ciascun canale viene impostato per mezzo di un resistore dal pin ILIMx di ciascun canale e viene calcolato dall’equazione RLIMx = 1,223 V x 198 / ILIMx. Il TPS7B7702-Q1 fornisce anche segnali di tensione in uscita VSENSEx per ciascun canale, proporzionali alle correnti di carico e regolati dall’equazione VSENSEx = RSENSEx x IOUTx / 198. Ogni canale può essere configurato in modalità a regolatore lineare (LDO) (utilizzando un partitore di resistenze da OUTx a FBx a terra) o in modalità a interruttore di carico (FBx collegato low). Nella modalità a interruttore di carico, la tensione di ingresso VIN viene commutata su OUTx quando ENx è high, meno la caduta di tensione su resistenza attiva dei MOSFET in serie. Il TPS7B7702-Q1 è dotato anche di una protezione da guasto di blocco della corrente inversa. Questa condizione di guasto può essere rilevata in due modi dal circuito integrato. (1) Sul fronte di salita di ENx, ossia viene controllata la differenza di OUTx – VIN e, se è maggiore di 500 mV (max), il canale viene disabilitato e la corrente inversa è bloccata. (2) Dopo che un canale è stato abilitato correttamente, se OUTx è in cortocircuito su una tensione superiore a VIN e si ha il passaggio della corrente inversa, il canale in questione spegne i suoi MOSFET per bloccare la corrente. Entrambe queste modalità sono soggette a un tempo di spegnimento di 16 ms, per cui la corrente inversa viene prima fermata e quindi bloccata dopo 16 ms. La condizione di guasto con bloccaggio della corrente può essere resettata portando il pin ENx prima su low e poi di nuovo su high per il canale o i canali interessati.

Figura 1 – Schema circuitale

La Figura 1 mostra lo schema circuitale. CH1 è configurato come interruttore di carico (FB1 = terra) e il suo limite di corrente è impostato da R1+R3. CH2 è configurato in modalità LDO con una tensione di uscita di 5 V impostata da Rfb1 e Rfb2 e con il suo limite di corrente impostato da R1+R2. All’uscita di CH2 è collegato un supercondensatore, la cui tensione (VOUT2) è in collegamento OR con la tensione di uscita di CH1 (VOUT1) per mezzo di un diodo. L’uscita finale del carico (il modulo di comunicazione) è la tensione di ingresso commutata da CH1 o la tensione del supercondensatore. Se VOUT1 > VOUT2 – VF, la tensione di uscita è VOUT1. Quando CH2 è abilitato entra in modalità di limitazione della corrente e carica il supercondensatore con una corrente fornita da ILIM2 = 1,223 x 198 / (R1+R2). In modalità di limitazione della corrente il pin ERR/flag è low, ma diventa high dopo che la modalità di limitazione della corrente è stata chiusa. Il limite corrente di CH1 è dato da ILIM1 = 1,223 x 198 / (R1+R3). Poiché R1 è comune a CH1 e CH2, la corrente di ingresso totale prelevata dal pin IN può essere controllata perché la corrente che scorre in un canale influenza il limite di corrente dell’altro.

Figura 2 – Variazione della corrente di carica del supercondensatore al cambiare della corrente di carico

La Figura 2 mostra la corrente misurata prelevata dal carico e dal caricatore a corrente costante del supercondensatore quando entrambi i canali sono abilitati. Per questi test, quindi, R1 = 1k5, R2 = 2k5 ed R3 = 500 Ω. Due casi limitanti si verificano (1) quando il supercondensatore ha terminato la carica (OUT2 = 5 V) e la corrente del CH2 scende a zero. Il carico può essere attraversato da una corrente massima da OUT1 data da 1,223 x 198 / (1 k5 500 Ω) = 121 mA. (2) Quando la corrente di carico è zero, la corrente di carica massima nel supercondensatore proveniente da CH2 è 1,223 x 198 / (1k5 2k5) = 60 mA. La Figura 2 mostra che quando la corrente di carico supera lo zero, la corrente di carica si riduce. Le considerazioni termiche impongono un limite massimo alla corrente di carica consentita del supercondensatore. Quando il supercondensatore è scarico e il carico è zero, viene dissipata una VIN x 60 mA = 0,72 W nel TPS7B7702-Q1 quando VIN = 12 V. La configurazione dei due canali è tale che il carico è dominante ed è favorito a scapito della corrente di carica del supercondensatore. Inoltre, la corrente di carica massima è limitata per evitare problematiche termiche. La corrente di ingresso massima totale è alcuni mA superiore alla corrente calcolata quando la corrente di carica è zero (121 mA). La corrente massima effettiva può essere controllata regolando la corrente di carico intorno al suo massimo e osservando la corrente totale assorbita dall’alimentazione.

Figura 3 – Tensione OUT1 (rosso, 4 V/div) e Supercondensatore (blu, 2 V/div) durante la carica/scarica

La Figura 3 mostra alcune forme d’onda senza la presenza del TPS3710. Invece del supercondensatore viene utilizzato un condensatore elettrolitico da 1000 μF, in quanto mostra più facilmente il comportamento di carica/scarica in un periodo di tempo più breve. Inoltre, dal punto di vista della sicurezza è consigliabile sperimentare inizialmente senza il supercondensatore. Si consiglia di indossare occhiali protettivi, poiché l’energia immagazzinata è notevole, specialmente all’interno del supercondensatore quando viene utilizzato (~ 31 joule). Quando si accende l’alimentatore a 12 V, la tensione di carico aumenta rapidamente a 12 V, meno la caduta di resistenza attiva del FET. La corrente di carico è 104 mA, ossia la corrente di carica è 20 mA e porta la tensione del supercondensatore ad aumentare in modo lineare a 5 V. Circa 0,5 secondi dopo, la tensione di ingresso viene ridotta manualmente passo dopo passo fino a quando non scende al di sotto della tensione del supercondensatore e il supercondensatore scarica nel carico. Quando la tensione del supercondensatore e la VIN sono uguali, la VIN riprende a sostenere il carico in quanto CH1 non si è spento. La tensione di ingresso viene quindi ripristinata manualmente a 12 V, ma il supercondensatore non torna a caricarsi perché la protezione inversa di CH2 era stata attivata quando la tensione del supercondensatore era superiore alla VIN. Per riprendere la ricarica, il pin EN2 viene commutato prima su low e poi su high e il supercondensatore carica di nuovo fino a 5 V per un tempo pari a 7,5 secondi. Vale la pena notare che la protezione da corrente inversa di CH1 non è stata attivata durante questo processo e, quindi, mentre il supercondensatore stava alimentando il carico, si è verificata una corrente inversa attraverso CH1 che ha innalzato la tensione di ingresso fino alla tensione del supercondensatore. La sezione successiva spiega come prevenire questa situazione e come evitare la necessità di attivare EN2 al ritorno dell’alimentazione di ingresso.

La Figura 1 mostra anche il supervisore di tensione TPS3710, implementato come comparatore con isteresi e disponibile come versione TPS3710-Q1 qualificata per il settore automobilistico. Inoltre è disponibile un dispositivo omologato per tensioni più alte, il TPS3711. Il riferimento di tensione interno del circuito integrato è VREF = 0,4 V. I valori dei resistori da R4 a R7 mostrati in Figura 1 indicano che, quando VIN ≥ 7 V, i pin ENx vengono portati su high e, quando VIN ≤ 6 V, vengono portati su low. Per calcolare i valori di resistenza per queste tensioni «start» e «stop», è necessario lasciare R4 >> R7 e R4 = R5. I valori scelti sono R4 = 100 k ed R7 = 2 k; R6 ed R5 sono calcolati con le seguenti equazioni.

Vstart ≈ VREF (R6 + R7) / R7 e Vstop ≈ VREF ([R4 + R5] || R6) + R7) / R7

Figura 4 – Con TPS3710 montato, OUT1 (rosso, 4 V/div) e tensione Supercondensatore (blu, 2 V/div) durante la carica/scarica e il recupero automatico.

La Figura 4 mostra il comportamento al montaggio del TPS3710. Il TPS7B7702-Q1 è disabilitato quando la VIN scende al di sotto di 6 V e il condensatore alimenta il carico (in questo caso, test a 1000 μF). Quando VIN sale sopra 7 V, viene riattivato ed entrambe le uscite sono di nuovo attive. CH1 sostiene il carico e CH2 ricarica il condensatore. Quando il TPS7B7702-Q è disabilitato, sta bloccando la corrente inversa.

Conclusione

Questo articolo mostra come un doppio LDO intelligente può essere utilizzato per la ricarica di supercondensatori e per alimentare un carico. La corrente è limitata per entrambi i canali e il carico è dominante, pertanto la corrente di carica del supercondensatore è ridotta ai carichi più elevati. L’aggiunta di un TPS3710 al circuito ne consente il recupero automatico nei casi in cui la VIN è prima assente e poi torna, e per impedire il flusso di corrente inversa.