Una delle configurazioni probabilmente più diffuse di alimentatore switching è quella step-down (anche nota come buck) dove la tensione di uscita VOUT è minore della tensione di ingresso VIN.
Partiremo da questa
topologia per capire dove e come si
evidenziano le diverse perdite e come
queste dipendono dai diversi parametri
circuitali.
Quanto si vedrà per questa
topologia può essere poi facilmente
esteso ad altre configurazioni.
Il convertitore buck utilizza un unico
switch (Figura 1) che viene alternativamente
aperto e chiuso.
Il gate del
MOSFET viene pilotato da un segnale
PWM caratterizzato da una frequenza
fissa fS e, quindi, di periodo tS = 1/fS e
con duty cycle variabile pari a D.
Quando l’interruttore è chiuso, durante D•tS, la tensione di ingresso VIN viene collegata all’induttanza L (LOOP1) e la differenza di tensione tra VIN e VOUT forza una crescita della corrente attraverso di essa e verso il carico ed il condensatore di uscita.
Quando l’interruttore viene aperto -
(1-D)•tS - la tensione di ingresso applicata
all’induttanza viene rimossa ma
poiché la corrente nella induttanza
non può cambiare istantaneamente la
tensione ai suoi capi si porterà ad un
livello tale da consentire un mantenimento
della corrente al valore precedentemente
raggiunto (LOOP2).
Il terminale
di L verso il diodo verrà forzato
in negativo fino a raggiungere il
punto in cui il diodo stesso entra in
conduzione e quindi la corrente dell’induttanza
fluirà verso il carico e
troverà il suo ritorno attraverso il
diodo D di ricircolo.
Anche il condensatore
contribuirà a fornire energia al
carico durante questo periodo di scarica.
Il bilancio energetico nella induttanza
porta alle equazioni ideali (che non
considerano le cadute nel diodo e nel
MOS) tipiche dello step-down:
VO = D * VIN ; IIN = D * IOUT
Da notare che quanto più un convertitore
rimane in uno dei due intervalli
tanto maggiore sarà il peso delle perdite
relative a quel periodo (o LOOP).
Per uno step-down un basso valore di
D (e quindi una bassa VOUT) risulterà in
maggiori perdite relative sul LOOP2
poiché sarà questo a dominare il
periodo di commutazione.