Un convertitore buck per sostituire i 78xx.

Per ottenere una delle tensioni tipiche che alimentano circuiti elettronici vari, a partire da trasformatore + raddrizzatore o batterie auto, la prima scelta è l'impiego di regolatori lineari del genere 7805, 7808, 7812, ecc.
Il problema di questo metodo è il basso rendimento: quanto maggiore è la differenza tra tensione di ingresso e tensione di uscita, e quanto maggiore è la corrente, tanto minore sarà il rendimento, mentre una consistente parte dell'energia fornita dalla fonte primaria finirà dispersa in calore.

Chi ha affrontato il caso comune di dover inserire un circuito a 5V in un veicolo alimentato a 12V o in un quadro elettrico, tipicamente alimentato a 24V, si è trovato davanti alla necessità di dotare il regolatore a tre terminali di un robusto radiatore.
Ma non è questo il solo problema: se l'apparecchiatura è in una scatola chiusa senza scambio di aria con l'ambiente oppure in quadri con altre fonti di calore o in ambienti superiori ai 20°C canonici, si deve considerare che temperature elevate sono sempre indicatori di scarsa durata dei componenti e probabile fonte di guasti.

Ideale sarebbe un circuito switch mode di dimensioni comparabili con il package TO-220.
Non si tratta di una ricerca infruttuosa, dato che numerosi produttori europei, giapponesi e americani di DC/DC hanno in catalogo simili oggetti. E anche i produttori cinesi non sono da meno: vediamo i moduli siglati DD4012SA:

Si tratta di un modulo a basso costo, di piccole dimensioni, comparabili con quelle del package TO220 e reperibile facilmente sui soliti siti di commercio cinesi, come Aliexpress, eBay, ma anche Amazon e simili. Le caratteristiche dichiarate nelle inserzioni sono queste: Buck converter, rendimento 76%-90%.  Campo di tensione in ingresso: 5 ... 40 volt.  Campo di tensione in uscita: 3V 3.3V 3.7V 5V 6V 7.5V 9V 12V  Corrente di carico a lungo termine: 1A.  Frequenza di conversione: 550 kHz.  Protezione da sovra temperatura, sotto tensione di ingresso, BS-voltage protection Protezione da cortocircuito. Campo di temperatura di funzionamento: -40 ° C ... + 85 ° C  Dimensioni : 18.4 x 10.3 x 6.6mm

Il componente principale è l'integrato ME3116 di Nanjing Microsystems.

Si tratta di uno step down in contenitore SOT23-6 che contiene tutto quello che serve , ad eccezione del diodo e della bobina

L'applicazione tipica consigliata dal costruttore è replicata nel modulo:

Co è costituito da due condensatori da 10uF in parallelo, mentre Cboot da 500nF è saldato sul lato opposto assieme al circuito integrato. Cin è pure da 10uF. Non è presente C1.

Il partitore del feedback è realizzato con due resistenze, di cui R2 è fissa e R1 è modificata per ciascuna versione del modulo, che è disponibile nelle tensioni di uscita tipiche 3V, 3.3V, 3.7V, 5V, 6V, 7.5V, 9V e 12V.
La formula generale è:

Vout = Vref (1+R1/R2)    

dove Vref è la tensione di riferimento integrata (0.8V tipico).

La resistenza R3 che abilita l'Enable è da 1.2Mohm. Se il pin EN è collegato a massa, il convertitore è bloccato e il consumo scende a meno di 1uA.

Il modulo non ha forature di fissaggio meccanico ed è previsto per essere innestato sulla scheda ospite con tre pin passo 2.54", a sostituire il TO220.

Una prima questione che ci si può porre riguarda il costo del modulo, che è mediamente attorno a 1.5$ per una decina di pezzi, mentre un 7805 è quotato meno di 0.4€ per pezzo singolo (TME alla data della stesura dell'articolo). 
Però va considerato che, se dobbiamo aggiungere dissipatore, viterie di fissaggio, compound termo conduttivo, tempo di assiemaggio, spazio occupato e calore prodotto, la differenza del costo passa decisamente a favore del modulo.

Si tratta ora di verificare se le sue caratteristiche sono adeguate.

Una prima indicazione che si può rilevare dal foglio dati è quella che la tensione di ingresso massima è 45V, per cui 40V è un limite ammissibile.  Il consumo a vuoto è dichiarato a 1.35mA tipico, mentre la tensione di riferimento del feedback è 0.8V. Il foglio dati riporta alcuni diagrammi, tra cui quello a alto che mette in relazione corrente/tensione in uscita con la tensione di ingresso e il rendimento. Il diagramma indica che il rendimento è minore per una alta differenza tra tensione di ingresso e uscita, mentre si abbassa al di sotto di una certa corrente in uscita.

I dati forniti dai venditori indicano un campo di impiego in cui Vin-Vout>1.5V:

Con questi dati, effettuiamo alcune prove su una versione a 5V e una a 12V. 

I test

Durante le prove il modulo è stato inserito in una breadboard. 

Un primo test riguarda la corrente a vuoto che risulta inferiore a 1.5mA in tutta la gamma delle tensioni di ingresso, mentre la tensione di uscita è un poco maggiore di quella nominale, fatto dovuto al valore della R1 usata per il partitore.

L'applicazione della sonda dell'oscilloscopio consente di verificare il ripple in uscita.

Vout=12V Vin=15V nessun carico	Vout=12V Vin=18V nessun carico
Vout=12V Vin=15V nessun carico +10uF	Vout=12V Vin=24V nessun carico +10uF

Senza alcun carico il ripple è veramente molto elevato. Osserviamo che anche l'aggiunta di un elettrolitico (tantalio 10uF) ottiene solo la riduzione della frequenza di commutazione. 

Se, però, inseriamo un carico minimo

Vout=12V Vin=15V carico 12mA +10uF	Vout=12V Vin=24V carico 12mA +10uF

ecco che si riduce drasticamente il ripple. 
Evidentemente il modulo richiede una certa corrente per la stabilità: dalle prove fatte correnti tra 20 e 50mA sono un valore sicuro che riduce il ripple al di sotto dei 50mV in tutte le situazioni.

Alcuni test con carico per la versione da 5V.
Nei modelli provati la tensione di uscita è variata da 4.95V a 5.1V circa, aumentando con l'aumento della tensione di ingresso.

Per valori di corrente superiori ai 600mA l'integrato si scalda sensibilmente, per cui riteniamo che, nonostante il circuito riesca ad erogare 1A senza problemi, correnti di uscita oltre 600mA non sono certamente per un funzionamento continuo.

Si nota che che la tensione di uscita sale con l'aumentare della tensione di ingresso, mentre scende il rendimento. Sicuramente i componenti o il layout non sono perfettamente ottimizzati.

Alcune prove con carico per la versione da 12V. 
Nei modelli provati la tensione di uscita è variata da 12.27V a 12.46V circa, aumentando con l'aumento della tensione di ingresso.

Anche qui al di sopra dei 600mA vale quanto detto in precedenza: anche se è possibile ottenere 1A, sicuramente correnti oltre 600mA sono da considerarsi possibili solo per brevi momenti.
Come per il modulo a 5V, anche qui si ha un aumento della tensione in uscita con l'aumentare della tensione in ingresso, mentre il rendimento scende. Questo, in relazione al diagramma del costruttore del chip precedente visto, sta ad indicare una non perfetta implementazione, probabilmente riguardante la scelta dell'induttore.

Per quanto riguarda il ripple, la situazione è molto buona: si mantiene al di sotto dei 50mV praticamente in tutta la gamma di funzionamento aggiungendo un condensatore elettrolitico in parallelo all'uscita. Durante le prove sono è stato usato un elettrolitico a basso ESR da 10uF fino a 300mA e 470uF oltre. Un aumento della capacità è consigliato solo se la corrente di uscita è elevata

Vout 12V Vin 15V @ 800mA - 10uF	Vout 12V Vin 15V @ 800mA - 470uF

Da notare che, data la frequenza di lavoro attorno a mezzo megahertz, conta più un basso ESR che una alta capacità. 
Il condensatore va cablato quanto più possibile vicino ai pin di uscita del modulo.

Il riscaldamento è concentrato nell'integrato, ma scalda anche l'induttore; temperature preoccupanti si raggiungono per correnti di uscita oltre i 600mA, segno che i componenti, date le minuscole dimensioni del modulo, non dispongono di una sufficiente superficie radiante. 

Modifiche

Anche se i test dimostrano che il circuito potrebbe essere meglio implementato, non pare sensato operare modifiche date le ridottissime dimensioni dei componenti e del modulo che rendono necessaria una attrezzatura non generica e una certa manualità.

L'unica cosa che si può evidenziare è la possibilità di modificare, in caso di necessità, la tensione di uscita sostituendo la R1.
Si tratta di un componente SMD formato 0603 che richiede, comunque, una minima capacità di lavorare su questo genere di circuiti.

Il valore di R1 si calcola con la formula:

R1 = R2 * ((Vout/0.8) -1)

Il costruttore, con R2 fissa a 2k, utilizza i seguenti valori:

I valori indicati producono a vuoto una tensione maggiore di quella nominale, ma entro il +5%.

Conclusioni

Per riassumere i punti essenziali:

• Si tratta di un convertitore buck (o step down) quindi la tensione di ingresso deve essere maggiore di quella di uscita.  E' consigliata una differenza di tensione minima di 1.5V.
   
• Per la stabilità è richiesta una corrente minima di 20-50mA.
   
• La corrente in uscita arriva a 600mA in modo continuo. Oltre, è possibile raggiungere 1A, ma il riscaldamento del chip consiglia di sfruttare correnti oltre i 600mA solo come picchi per breve periodo.
   
• Il ripple può essere contenuto al di sotto dei 50mV  aggiungendo all'uscita un elettrolitico a bassissimo ESR da 10-470uF a seconda della corrente richiesta in uscita. E' più importante un basso ESR che una alta capacità.
   
• nei modelli provati il rendimento risulta tra il 92 e il 72%. A pari corrente diminuisce con l'aumento della differenza tra tensione di ingresso e di uscita.
   
• Le dimensioni fisiche del modulo consentono l'inserimento su uno stampato previsto per un tre terminali in TO220
   
• Nei modelli provati la tensione di uscita varia meno del 2%, aumentando, a pari corrente, con l'aumento della tensione di ingresso

Possiamo concludere che si tratta di una buona sostituzione dei lineari a tre terminali quando il questi necessitano di un radiatore. Prendiamo due casi in cui vogliamo ottenere con un 7805 la tensione di 5V partendo da una tensione di alimentazione maggiore:

Vediamo subito che il rendimento è estremamente basso, mentre viene dispersa in calore una quantità sensibile dell'energia assorbita dalla sorgente di alimentazione, con la necessità di dissipatori anche corposi.

Se confrontiamo questi dati con quelli del modulo, notiamo subito il vantaggio energetico e termico

Alto rendimento, bassa emissione di calore.

Il vantaggio del lineare riguarda il ripple in uscita, che è praticamente nullo, mentre quello del modulo risulta minore di 50mV. Quindi, il lineare è vincente in applicazioni dove sia richiesto il minimo di rumore. 
Peraltro, si tratta di un ripple limitato che non crea alcuna conseguenza nelle applicazioni generiche. Solamente nel caso di circuiti contenenti analogica sensibile se ne dovrà tenere conto. In questi casi, nulla vieta di utilizzare il modulo switch mode per le parti digitali e alimentare le sole parti sensibili al ripple con un lineare.

Un neo si può ancora addebitare al modulo, ovvero la variazione della tensione in uscita in relazione alla tensione di ingresso; anche se si tratta di una frazione percentuale molto bassa va tenuta presente nel caso di applicazioni critiche  dove si usa la tensione di alimentazione come riferimento per conversioni AD.

In conclusione, si possono consigliare questi moduli per applicazioni con correnti tra 50 e 600mA e un ampio range di tensioni di ingresso: alto rendimento e bassa produzione di calore. Un lineare a tre terminali sarà invece preferibile nelle situazioni in cui il carico è tale da non richiedere dissipatori o dove è richiesta assenza di ripple. 
Per correnti maggiori occorrerà un altro genere di circuito, ma qui siamo al di fuori anche delle possibilità di un 78xx.