Capitolo 7
Progettazione e realizzazione della scheda
applicativa
7.1 Introduzione
In questo capitolo verranno discusse le varie fasi progettuali che hanno portato alla realizzazione della scheda applicativa (PCB) oggetto della tesi.
Tale scheda deve contenere la circuiteria e le connessioni per la realizzazione di un battery-charger basato su un convertitore boost SPV1020, il cui duty cycle viene imposto dal SEA05.
Sia i componenti costituenti la circuiteria che la geometria delle connessioni sono stati dimensionati tenendo conto delle specifiche caratteristiche (tensione, corrente) di un’ipotetica sorgente fotovoltaica, e delle caratteristiche di un’ipotetica batteria VRLA.
Le fasi progettuali che hanno portato alla realizzazione della scheda sono le seguenti:
• Generazione dello schema elettrico • Dimensionamento dei componenti • Scelta dei componenti
• Piazzamento dei componenti e Layout delle connessioni • Manufacturing e assemblaggio
7.2 Generazione dello schema elettrico
Lo schema elettrico del battery charger, costituito dal convertitore boost con SPV1020 e dal controllo in corrente con SEA05, è stato creato tramite Orcad Capture.
In figura 7.0 viene mostrato lo schema elettrico completo del battery charger.
La tensione d’ingresso al circuito, indicata con VIN è fornita dal pannello fotovoltaico.
Tra VIN e massa è collegata la capacità C5, che rappresenta la capacità d’ingresso del boost.
Il suo compito è quello di ridurre il ripple sulla tensione d’ingresso. Il boost SPV1020, essendo un convertitore a quattro fasi, presenta quattro rami d’ingresso, a cui fanno capo quattro induttori, indicati con L1, L2, L3 ,L4, tutti collegati in parallelo tra di loro.
La tensione d’ingresso VIN viene attenuata da un partitore resistivo indicato con R1 e R2 e inviata al pin VIN_SNS.
Il boost SPV1020, per mezzo di tale pin, monitora continuamente la tensione d’ingresso del pannello fotovoltaico per calcolarne la potenza d’ingresso.
VIN_SNS è connesso direttamente a un convertitore A/D, il partitore resistivo costituito da R1 e R2 serve infatti ad adattare la tensione d’ingresso del pannello alla dinamica dell’ A/D.
In particolare R1 e R2 vengono scelte in modo da ottenere 1V sul pin VIN_SNS qualora il pannello si trovi nel punto di massima potenza (MPP).
V R R R V SS VI_ MP 1 2 1 2 ≅ + ⋅ = .
Le capacita C1, C2, C3, C4 servono a garantire tensioni stabili rispettivamente sui pin CB1, CB2, CB3, CB4, per funzioni interne al convertitore che esulano da questa trattazione.
Ancora una volta, essendo il boost SPV1020, un convertitore a quattro fasi, presenta quattro uscite, indicate con V_OUT, tutte cortocircuitate fra di loro.
La tensione d’uscita V_OUT viene attenuata da un partitore resistivo indicato con R3 e R4 e inviata al pin VOUT_SNS, il cui scopo è proteggere il convertitore da sovratensioni.
Infatti, appena la tensione sul piedino VOUT_SNS supera 1 V, il loop di regolazione interno al convertitore limita la tensione in uscita.
Mentre se la VOUT_SNS supera 1,04 V, il convertitore viene spento e viene generato un segnale d’errore dal pin DIAG (DIAG=0).
Essendo R3 = 4.3MΩ e R4 = 110KΩ, la massima tensione in uscita al convertitore vale: ] [ 7 , 41 04 , 1 4 4 3 V R R R VOUTMAX = ⋅ + ≅ .
La capacità collegata al pin VREG, indicata con C7 serve invece a garantire, su tale pin, una tensione stabile di 5V, che rappresenta la tensione di riferimento per il regolatore di tensione interno del boost. La frequenza di switching del generatore PWM, interno al convertitore, è fissata tramite un oscillatore interno a 100Khz, collegando il pin OSC_IN a 5V (pin Vreg).
La frequenza di switching può essere variata in un intervallo compreso tra 50 KHz e 100 KHZ collegando un resistore esterno, indicato con R6, verso massa, dove:
] [ 120 100 ] [ 6 kHZ F K R SWITCHIG ⋅ = Ω .
Nello schema R6 è un c.c. , cioè la frequenza di switching è fissata a 100 KHz.
La rete R-C costituita da R5 e C8 rappresenta un rete di compensazione polo-zero, per garantire la stabilità del convertitore SPV1020.
Le due capacità indicate con C9 e C10 servono a garantire una tensione stabile, rispettivamente sui pin, VIN_SNS e VOUT_SNS.
I diodi indicati con D1,D2,D3 sono tre diodi schottky.
Il diodo D1 rappresenta un percorso alternativo per la corrente quando il convertitore è spento cioè se Vin > Vout.
D2 è il tipico diodo di by-pass.
D3 (insieme a C11) consente di ottenere una tensione d’alimentazione per il boost (pin VCC) priva del rumore dovuto all’attività di switching dei MOS.
Tali diodi sono di tipo schottky, per impattare il meno possibile sull’efficienza dell’intero sistema.
La logica di controllo realizzata con il circuito integrato SEA05, e’ stata messa in evidenza in figura 7.1:
0
V_OUT R7 = 3.6M R8 = 0.75M VCTRL=2.5V @Vout_max R-sense = 0.05V @Iout_max C14 = 4.7nF J37 SEA05,CV-CC controller 1 2 3 4 5 6 R9 R-sns PZ_OUT PZ_OUT C15 = 22nF R10 = 220k Isns R11 = 22K Vctrl Ictrl V_OUT Vctrl = 2.5V @Vout = 14.4V R12 = 4.7k GND_BATT7.3 Dimensionamento
Il dimensionamento dei componenti e delle piste di rame preposte al trasporto dei segnali è stato effettuato tenendo conto delle correnti da trasportare e delle tensioni da sopportare, minimizzando comunque le perdite per dissipazione di potenza.
Si ha questa esigenza perché le efficienze delle sorgenti fotovoltaiche sono estremamente basse (circa il 20%), di conseguenza tutti i dispositivi dediti al controllo e all’ottimizzazione del flusso di energia devono avere efficienze quanto più elevate possibili al fine di intaccare al minimo l’efficienza complessiva del sistema.
7.3.1 Dimensionamento dei componenti
Dallo schema circuitale di figura 7.0 si nota come nella scelta dei valori di R7 e R8 che costituiscono il partitore d’uscita, sia stata fatta l’ipotesi di caricare una batteria da 12 V o due in serie da 6V.
Infatti nel caso di batteria da 12V, il circuito relativo al controllo della tensione d’uscita (la cui soglia interna vale 2,5V) deve scattare (cioè l’uscita dell’op-amp deve andare bassa) non appena l’uscita arriva a
14,4V e quindi V V R R R VO 2,5 14,4 8 8 7 = ∗ + = . Essendo R8 = 0,75 MΩ, si ottiene: R =4,76R =3,57MΩ≅3,6MΩ 8 7
L’approssimazione nella scelta di R7 nasce dalla necessità di trovare un valore commerciale che più si avvicina a quello reale.
Tale scelta non compromette il funzionamento del circuito anche perché le tolleranze tipiche di questi componenti si aggirano intorno al 10% e cioè 0,36 MΩ nel caso in esame, ossia superiore all’approssimazione fatta.
Inoltre i valori di R7 e R8 sono tali per cui si minimizza la corrente di scarica della batteria nel caso in cui la sorgente fotovoltaica non fornisce energia.
Infatti, in tal caso, essendo R +R =4,35MΩ
8
7 , la corrente che scorre su
tali resistenze vale: A A
R R Vbatt I 2,76µ 10 35 , 4 12 6 8 7 ≅ ⋅ ≅ +
= , cioè una corrente di
scarica della batteria del tutto trascurabile.
Tale scelta ha dunque evitato l’inserimento di un diodo in serie tra l’uscita e la batteria (col catodo rivolto verso la batteria), che avrebbe appunto evitato il fenomeno di scarica della batteria verso le resistenze del battery charger.
Il valore della resistenza R9 (Rsense) dipende, come già detto, dalla massima corrente con cui si vuole caricare la batteria.
La rete di compensazione RC per l’op-amp per il controllo della tensione ( costituita da R11 e C14), e quella per l’op-amp per il controllo della corrente (costituita da R10, R12, C15) sono state dimensionate a partire dai dati forniti dal data-sheet del componente.
La taratura finale è stata sperimentata osservando per quali valori di tali reti RC gli op-amp oscillassero e per quali valori assumessero un uscita stabile.
7.3.2 Dimensionamento delle piste
Si è scelto di realizzare le piste con spessore pari a 35 µm.
Le larghezza delle piste va dimensionata a seconda della corrente che scorre su di esse.
Le uniche due piste che vengono percorse da elevate correnti sono quelle che collegano Rsense da una parte alla massa del convertitore SPV1020 e dall’altra alla massa della batteria da caricare.
In particolare esse sono percorse dalla stessa corrente.
La pista che collega Rsense alla massa del convertitore SPV1020 è larga 39,3 mils mentre quella che collega Rsense con la massa della batteria è larga 31,44 mils. Nel grafico di figura 7.2 è rappresentata la variazione della portata in corrente e della larghezza della pista al variare della sezione, il tutto in funzione della sovratemperatura rispetto alla temperatura ambiente.
Nel peggiore dei casi, ovvero pista larga 31,44 mils, e con le piste spesse 35µm la massima corrente che può scorrere sulla Rsense vale circa 1,75A, considerando una sovratemperatura pari a 10°C.
Caricando una batteria con una corrente massima pari a circa il 25% della sua capacità, si può concludere che batterie con capacità fino a 7Ah possono esssere caricate senza limitazione di corrente.
Con 1,75A, essendo che 28,6[ ]
] [ 75 , 1 ] [ 05 , 0 Ω ≅ = m A V
Rsense , essa dovrà
dissipare una potenza di: R I2 87,6[mW]
sense⋅ ≅ .
Tale valore è inferiore al valore di 0,1 [W], tipico per questo tipo di resistenze e quindi va senz’altro bene.
Per capacità maggiori di 7Ah, la batteria potrebbe essere ugualmente caricata, ma con una corrente massima inferiore a quella consentita dalla batteria, allungando così il tempo di carica.
Per quanto riguarda le altre piste è stata scelta una larghezza non inferiore a 7,86 mils, cioè ampiamente sovradimensionata per le correnti trattate.
Inoltre tale valore ove possibile è stata esteso fino a 39,3 mils evitando il più possibile vie, le quali introducono induttanze e resistenze parassite. Ciò consente di ridurre le resistenze delle piste e di mettersi al sicuro su eventuali picchi di corrente dovuti a accoppiamenti induttivi.
Le vie utilizzate per contattare il ground del top col ground del bottom, sono tutte sovradimensionate rispetto al necessario.
Inoltre per evitare che eventuali fault nelle vie possano interrompere il collegamento col piano di massa, dove possibile sono state inserite più vie.
In tal modo si aumenta la resa e si diminuiscono resistenze e induttanze parassite.
7.4 Piazzamento dei componenti e Layout delle
connessioni
Definire il layout di una scheda vuol dire determinarne l’ingombro (cioè le dimensioni massime) dei singoli componenti, fissare la loro disposizione e tracciare le piste dei vari collegamenti. Tutte le informazioni relative al layout vengono incluse in alcuni file (Gerber files) che vengono inviati ai fornitori per la realizzazione fisica della scheda.
Nella generazione del layout occorre rispettare i seguenti passaggi: • Creare la lista dei componenti presenti nello schematico;
• Verificare che tutti i componenti abbiano il proprio PCB footprint; • Creare la netlist;
• Definire le dimensioni della scheda, riducendole più possibile per abbatterne i costi;
• Posizionare i componenti in posizioni strategiche per la fase di test e debug;
• Determinare le dimensioni delle piste e le distanze minime tra una pista e il componente;
• Descrivere le piste e creare i piani di massa e di alimentazione; • Generare i Gerber files.
7.4.1 Generazione della lista dei componenti e del loro
footprint
A partire dallo schematico è possibile, mediante il tool del pacchetto Orcad “Capture Cis”, generare la lista di tutti i componenti, quindi verificare che tutti i componenti abbiano il proprio footprint.
Il footprint non è altro che l’impronta del componente e contiene tutte le informazioni sulle sue dimensioni, sull’ingombro, sui pin e sui fori necessari per il suo inserimento nella PCB. Stabilito ciò, si può lavorare nell’ambiente di sviluppo come se si stessero utilizzando componenti reali (così facendo abbiamo una perfetta idea di come vengono piazzati nella scheda). Non tutti i componenti vengono fissati alla PCB mediante dei fori, ecco perché si distinguono due tipi di footprint:
• Quello di tipo THM (Through Hole Mounting) prevede dei fori per le connessioni;
• Quello di tipo SMD (Surface Mounting Device) utilizzato solitamente per connettere su modulo piuttosto che su scheda, non prevede dei fori per le connessioni.
7.4.2 Acquisizione della netlist
Tutti i collegamenti tra i vari componenti costituiscono la cosiddetta netlist, ossia un file generato con l’utilizzo del tool “Capture Cis”. L’operazione deve essere eseguita subito dopo il controllo fatto per individuare eventuali errori (cortocircuiti involontari o al contrario linee non connesse o connesse tra loro se pur con assegnazioni diverse).
Finita questa fase si passa all’utilizzo di un altro tool di Orcad “Layout plus”. Grazie alla NetList, questo tool riesce a stabilire i collegamenti tra i vari componenti. Nell’ambiente di lavoro del tool ritroviamo tutti i componenti e tutti i collegamenti in una sorta di intreccio disordinato. Il passo successivo sarà quello di definire il perimetro della scheda (attraverso l’obstacle tool) nel rispetto delle dimensioni fissate.
7.4.3 Disposizione dei componenti
Definita la dimensione della scheda, il compito del layoutista sarà quello di andare a posizionarvi i componenti all’interno. Questi ultimi devono essere inseriti al meglio così da garantire agli operatori una buona maneggevolezza della scheda e di limitare al massimo gli incroci fra le piste di collegamento.
Inoltre un giusto posizionamento è necessario ai fini del corretto funzionamento del circuito.
I maggiori accorgimenti presi in fase di realizzazione del PCB sono stati: • Tutti i percorsi tra ogni induttore e il relativo pin sono gli stessi dal
punto di vista resistivo. Infatti percorsi resistivi differenti avrebbero provocato una non equa distribuzione delle correnti tra i
trova in quel ramo, e compromesso il funzionamento dell’algoritmo dell’MPPT.
• Le piste su cui scorrono correnti elevate sono tutte sovradimensionate ed il piano di massa connesso al pad esposto del convertitore SPV1020 aiuta la dissipazione del calore, aumentando l’efficienza.
• I condensatori d’ingresso e d’uscita sono molto vicini ai pin del convertitore SPV1020.
• Le capacità di bypass in parallelo all’alimentazione sono state posizionate il più vicino possibile ai piedini di alimentazione di ogni integrato in modo da ridurre il più possibile l’effetto dovuto alle induttanze parassite.
• La resistenza Rsense essendo di pochi mohm è stata posizionata il più vicino possibile all’integrato per evitare che la resistenza introdotta delle piste di interconnessione non alteri il valore della Rsense.
• I partitori resistivi in ingresso o in uscita da entrambe i chip sono stati collegati più vicino possibile ai rispettivi pin di sensing e più lontano possibile dai percorsi dove scorrono correnti elevate. Ciò permette di diminuire il rumore.
7.4.4 Realizzazione delle piste
Fissata la posizione di tutti i componenti non rimane che andare a tracciare le piste.
Per questa operazione ci si è mossi sui due strati della scheda (Layer): il Top è lo strato di piste superiore mentre il Bottom è lo strato di piste inferiore. Sul top verranno sistemati i componenti e verranno tracciate le piste che li collegano.
Lavorare su due layer consente notevoli vantaggi di tipo implementativo perchè permette una maggiore facilità nella stesura delle varie piste e una ottimizzazione nelle dimensioni della scheda.
7.4.5 Realizzazione del piano di massa e di alimentazione
Tracciate le piste dei due layer si procede alla definizione delle piazzole di alimentazione e di massa. Per ogni piazzola occorre creare una copper area (un’area di conduttore, in particolare di rame) sullo strato superiore. L’ultima fase della descrizione effettiva del layout è quella della generazione del piano di massa e del piano di alimentazione (copper pour). Dato che la massa e l’alimentazione portano i segnali a potenza elevata, le piste ad essi dedicate dovrebbero avere spessore molto ampio, ecco il perché dei piani in luogo delle semplici piste.
Per fare ciò, una volta tracciate tutte le piste a meno di GND (PV-) e di PV+, queste saranno implementate assegnando loro tutto il piano restante (detto appunto Copper Pour) a meno di un margine di separazione di alcuni millimetri con le altre piste e piazzole. In tal modo non solo si ottimizza la dimensione delle piste per questi due
Per funzionare al meglio, la distribuzione della copper pour deve avere una continuità sulla maggior parte della facciata. Il layout della scheda ultimata è presentato nelle figure seguenti rispettivamente nella proiezione del Top, del Bottom e nella proiezione globale.
Figura 7.3: Proiezione del Top
Figura 7.5: Proiezione globale
7.4.6 Manufacturing e assemblaggio
Finito il layout occorre ricavare i Gerber files. Questi files, contengono tutte le informazioni relative alla scheda da realizzare in termini di: larghezza e lunghezza delle piste, larghezza e posizione dei fori e quant’altro è possibile ricavare dal layout. I files creati dal tool “Layout Plus” hanno come estensione: .tap, .top, .smt, .smb, .gtd, .dts, .drd e .bot. Grazie a questi files è possibile trasmettere alla fresatrice tutte le informazioni necessarie alla realizzazione fisica del circuito stampato. Le immagini che seguono sono fotografie della scheda oggetto della tesi, prima e dopo l’assemblaggio.
Figura 7.6: Fotografia del top della scheda
Figura 7.7: Fotografia della scheda assemblata
