Riduzione delle interferenze elettromagnetiche mediante l'adozione della tecnica Spread-Spectrum in un convertitore switching DC/DC a Ton-costante = Spread-Spectrum based EMI reduction methodologies in a constant-Ton DC/DC Switching Power Converter

I vantaggi significativi di cui godono i convertitori di potenza di tipo switching rispetto ai regolatori lineari hanno portato, nel corso degli ultimi anni, ad una loro diffusione su larga scala e ad un impiego nella maggior parte delle applicazioni elettriche ed elettroniche, a partire da soluzioni per piccole potenze fino a soluzioni industriali a potenza estremamente alta. Un convertitore di tipo switching impiega dispositivi elettronici che vengono pilotati in modo da essere o completamente accesi, o completamente spenti, ovvero nelle regioni di funzionamento dove si hanno perdite trascurabili. Come conseguenza, l’efficienza di conversione risulta particolarmente elevata, riducendo così la necessità di smaltire il calore in eccesso dovuto alle perdite e ottenendo una riduzione sostanziale delle dimensioni, del peso, e dei costi implementativi. Tuttavia, questo tipo di funzionamento è caratterizzato da segnali con commutazioni rapide e di larga ampiezza, e ciò porta all'emissione di interferenze elettromagnetiche (EMI), rendendo i convertitori switching fonte di disturbi per altri circuiti posti elettronici nelle vicinanze. Tali interferenze possono essere ridotte con modifiche a livello circuitale, come ad esempio l’ottimizzazione del layout del circuito, l’introduzione di filtri o di schermature metalliche che possano attenuare le emissioni generate, o l’aggiunta di semplici circuiti in grado di sopprimere i veloci transitori. Tuttavia, tutte queste soluzioni comportano un aggravio di costi che potrebbe essere rilevante, e non assicurano la soluzione del problema. Per questo sono state sviluppate negli ultimi anni anche soluzioni a livello di sistema. Un esempio è la tecnica di spread spectrum, il cui scopo è quello di ridefinire opportunamente lo forma dello spettro di potenza associato alle interferenze introducendo un jitter controllato nel segnale di clock del convertitore. La conseguenza è la nascita nello spettro di emissione di nuove componenti, ridistribuendo e riducendo la potenza delle componenti già presenti. Lo scopo dell'attività di tesi, condotta in collaborazione con STMicroelectronics, consiste nel caratterizzare l’efficacia delle tecniche di spread spectrum integrate in un prototipo di un convertitore di potenza DC/DC, ed eventualmente proporre un’implementazione alternativa che consenta di ridurre ulteriormente le emissioni del sistema. L’attività è stata basata inizialmente sullo studio e l'analisi di testi e pubblicazioni presenti in letteratura, che ha permesso di acquisire le conoscenze necessarie volte a comprendere lo stato dell'arte relativo alla tecnica di spread spectrum, con particolare enfasi alle sue applicazioni ai convertitori switching DC/DC. Successivamente, grazie all’implementazione di un sistema di misura automatico, le prestazioni teoriche sono state confrontate con quelle effettive misurate sul dispositivo. Il set ottimale dei parametri di modulazione che permette di ottimizzare la riduzione delle emissioni è stato determinato controllando il prototipo con un segnale di temporizzazione opportunamente modulato e sintetizzato esternamente. Infine, è stato effettuato un breve studio legato agli impatti della modulazione su altre caratteristiche elettriche del dispositivo di rilevante importanza (e.g., efficienza, ripple d'uscita), con lo scopo di valutarne il possibile degrado a seguito dell'applicazione della tecnica di spread spectrum.