Cosa ospita il vostro dispositivo portatile?

Oggigiorno abbiamo tutti familiarità con le batterie, poiché le troviamo pressoché dovunque, in una miriade di prodotti e applicazioni. Gli esempi più comuni: i telefoni cellulari e i notebook; ma sono presenti anche in vari e diversi apparecchi – torce elettriche, utensili cordless, console portatili per videogiochi e multimetri palmari nonché strumenti scientifici e una gamma in rapida espansione di dispositivi medicali.

Introduzione

Nel 2011 il valore del mercato globale dei prodotti portatili funzionanti a batteria è stato stimato a 408 miliardi di dollari e si prevede che supererà i 600 miliardi di dollari entro il 2016. [Fonte: BCC Research]. Inoltre, si prevede che questo settore continuerà a espandersi fino al 2020. È possibile segmentarlo, in modo approssimato, come segue:

circa il 29%: prodotti relativi alla trasmissione dati;
circa il 29%: prodotti correlati ai computer;
circa il 19%: prodotti medicali;
circa il 23%: videocamere e fotocamere, intrattenimento, orologi e cronometri, impianti di illuminazione, sistemi di navigazione militari.

Questa diversità risulta dalla sinergia unica fra i prodotti in sé e per sé e le batterie di cui sono dotati oltre ai caricabatteria e ai sistemi di gestione della potenza che ricaricano le batterie stesse.

Composizione chimica della batteria e applicazioni

È chiaro che il settore dei prodotti funzionanti a batteria è considerevole, ma per quanto riguarda la composizione chimica delle batterie installate in tali prodotti? La composizione chimica predominante nelle batterie di prodotti così diversi fra di loro è quella basata sul litio e il valore di tale segmento è stato stimato a 22,5 miliardi di dollari nel 2016. [Fonte: Frost & Sullivan]. Il Nord America e la Cina realizzano oltre la metà delle entrate globali risultanti dalle batterie al litio. Inoltre, guardando al futuro, questa richiesta sarà alimentata ulteriormente da utenti finali essenziali di produttori di dispositivi nel settore consumer, fabbricanti di beni industriali, case automobilistiche e del segmento dell’immagazzinamento dell’energia rinnovabile e dell’energia elettrica. Nel segmento industriale, i dispositivi medicali, gli utensili automatici e i sistemi militari rappresentano il campo di utilizzo principale delle batterie agli ioni di litio.

Una tipica batteria agli ioni di litio ha un profilo di scarica che va da un massimo di 4,2V quando è completamente carica a un minimo di 2,7V quando è completamente scarica. Sebbene costituisca una scelta eccellente per smartphone e lettori MP3, potrebbe non essere adatta per una vasta gamma di apparecchi portatili: strumenti scientifici, utensili automatici e dispositivi medicali. In questi casi, potrebbero essere necessarie più celle per assicurare l’autonomia necessaria a far sì che la batteria sia di uso pratico. Quindi sarà necessario utilizzare da due a quattro celle, in serie o in parallelo oppure una combinazione di entrambe le configurazioni. Ne consegue che il range di tensioni di tali configurazioni di batterie potrebbe variare da un massimo di 16,8V sino a 10,8V (quattro celle al litio in serie), a un minimo di 8,4V sino a 5,4V (due celle al litio in serie).

Conversione della tensione della batteria e considerazioni sul layout

Un’elevata densità di potenza è diventata uno dei requisiti principali per i convertitori CC/CC, poiché questi devono reggere il passo con la densità funzionale sempre maggiore dei circuiti elettronici. La dissipazione di potenza costituisce pure uno dei principali problemi per i dispositivi d’oggi, multifunzione e con elevato ingombro dei componenti, aumentando l’esigenza di soluzioni molto efficienti per ridurre al minimo l’aumento di temperatura. Per applicazioni in cui la tensione del generatore all’ingresso può essere maggiore o minore della tensione di uscita regolata, individuare una soluzione efficiente e compatta può rappresentare un problema, specialmente ad alti livelli di potenza. Gli approcci convenzionali al progetto, come l’uso di un convertitore SEPIC a due induttori, forniscono efficienze relativamente basse e dimensioni della soluzione relativamente grandi.

Come già menzionato, i dispositivi palmari, gli apparecchi medici e gli strumenti industriali a elevato consumo di corrente spesso richiedono batterie a più celle o di grande capacità per soddisfare le proprie esigenze di elaborazione sempre più complesse. Molti carichi richiedono un’uscita regolata che ricada nel range di tensioni della batteria e ciò comporta l’uso di un convertitore che possa funzionare sia in salita che in discesa. Sebbene un convertitore SEPIC rappresenti una soluzione fattibile, le dimensioni notevoli e la modesta efficienza di conversione sono meno che ottimali per l’uso in prodotti portatili e trasportabili. Quindi, un convertitore CC/CC buck-boost a elevata efficienza e dal vasto range di tensioni costituisce la soluzione ideale per ottenere autonomie più lunghe delle batterie e gestire più generatori all’ingresso.

Per un progettista di alimentatori, l’ideale sarebbe che ogni volta che accende il prototipo di una scheda di alimentazione finora mai collaudato, la scheda non solo funzioni, ma sia silenziosa e rimanga a temperatura adeguata. Sfortunatamente, non sempre ciò accade. Un problema frequente negli alimentatori a commutazione è costituito da forme d’onda di commutazione “instabili”. A volte, il jitter di una forma d’onda è così marcato che è possibile udire il rumore emesso dai componenti magnetici. Se il problema è correlato al layout della scheda di circuiti stampati, identificare la causa può essere difficile. Pertanto, non si può sottovalutare quanto sia importante un appropriato layout della scheda di circuiti stampati nella fase iniziale della progettazione di un alimentatore a commutazione.

Naturalmente, un progettista di alimentatori ne ha chiari i dettagli tecnici e i requisiti funzionali all’interno del prodotto finale. In genere, collabora strettamente con il progettista del layout della scheda di circuiti stampati per definire questo aspetto critico – il layout dell’alimentatore – sin dalla fase iniziale. Un layout ben progettato ottimizza l’efficienza dell’alimentatore, attenua lo stress termico e, soprattutto, riduce al minimo il rumore e le interazioni fra tracce e componenti. Per conseguire questi risultati, è importante che il progettista comprenda i percorsi della corrente e i flussi del segnale nell’alimentatore a commutazione.

In un progetto senza dissipatori esterni per gli induttori e i MOSFET di potenza a montaggio superficiale, è necessario avere un’area in rame sufficiente per lo smaltimento del calore. Per un nodo di tensione CC, come la tensione di ingresso o uscita e la massa dell’alimentatore, è desiderabile che tale area sia quanto più grande possibile. Più fori di vias sono utili per ridurre ulteriormente lo stress termico. Per i nodi di commutazione a dv/dt elevato, l’appropriato valore dell’area in rame corrispondente a ciascuno di tali nodi rappresenta un compromesso tra ridurre al minimo il rumore correlato a dv/dt e assicurare un’adeguata dissipazione termica per i MOSFET.

Infine, i circuiti di controllo devono trovarsi lontano dalle aree in rame, rumorose a causa delle commutazioni. È preferibile che tali circuiti siano situati presso il lato Vout+ per un convertitore buck e presso il lato Vin+ per un convertitore boost, dove nelle tracce di alimentazione circola corrente continua. Se lo spazio lo consente, il circuito integrato di controllo deve essere realizzato a breve distanza (12,5 - 25 mm) dagli induttori e dai MOSFET di potenza, che sono rumorosi e ad alta temperatura. Tuttavia, se i vincoli sullo spazio impongono che il controller sia situato presso gli induttori e i MOSFET di potenza, occorre prestare particolare attenzione a isolare i circuiti di controllo dai componenti di alimentazione aventi piani di massa.

Soluzioni ottimizzate per la conversione di potenza

È evidente che il compito di un progettista di alimentatori non è facile. È di grande vantaggio disporre di soluzioni che mitighino il rischio derivante dall’ottimizzare una soluzione scomoda come un convertitore SEPIC per generare una tensione di uscita costante quando l’ingresso può essere superiore, inferiore o anche uguale al valore di uscita. Ottimizzare e integrare il MOSFET di potenza per facilitare lo sviluppo di una soluzione compatta e dall’efficienza elevata semplifica il progetto. Fortunatamente, Linear Technology recentemente ha realizzato alcuni convertitori che conseguono esattamente questo obiettivo.

Il circuito integrato LTC3119 è un convertitore buck-boost monolitico current-mode sincrono che genera fino a 5A di corrente di uscita continua in modalità buck a partire da un’ampia gamma di generatori all’ingresso: batterie a celle singole o multiple, adattatori da parete non regolati, pannelli solari e supercondensatori. Possono essere supportate anche correnti di uscita maggiori per applicazioni con carico impulsivo. Il range di tensioni d’ingresso del dispositivo – compreso fra 2,5V e 18V – si estende a valori inferiori, sino a 250mV, dopo l’avvio. La tensione di uscita è regolata con ingressi superiori, inferiori o uguali al valore di uscita ed è programmabile da 0,8V a 18V. Il funzionamento Burst Mode® selezionabile dall’utente riduce la corrente di quiescenza a soli 31μA, migliorando l’efficienza a carichi leggeri e al tempo stesso prolungando l’autonomia della batteria. La topologia proprietaria buck-boost PWM a 4 interruttori incorporata nell’LTC3119 assicura commutazioni a basso rumore e senza jitter in tutte le modalità operative, rendendo questa soluzione ideale per applicazioni RF e analogiche di precisione che siano sensibili al rumore dell’alimentatore. Il dispositivo include anche un circuito di controllo del punto di potenza massima programmabile, assicurando l’erogazione della massima potenza con generatori che presentino impedenza di uscita più elevata, comprese celle fotovoltaiche. La Figura 1 mostra uno schema semplificato.

Il circuito integrato LTC3119 è dotato di quattro MOSFET a canale N interni a bassa R_DSON per offrire efficienza sino al 95%. È possibile disattivare il funzionamento in modalità burst, ottenendo la commutazione continua a basso rumore. La programmazione o sincronizzazione della frequenza esterna utilizzando un PLL interno consente il funzionamento in un vasto range di frequenze di commutazione – da 400kHz a 2MHz – e risulta così possibile un compromesso fra l’efficienza di conversione e le dimensioni della soluzione. Ulteriori caratteristiche: protezione sia contro il cortocircuito che contro il sovraccarico termico, corrente di arresto minore di 3μA e un indicatore power good. La combinazione di componenti esterni di ridottissime dimensioni, ampio range di tensioni di funzionamento e package compatto oltre alla bassa corrente di quiescenza rende l’LTC3119 ideale per alimentatori a radiofrequenza (RF), applicazioni con carico impulsivo ad alta corrente, alimentatori di riserva di sistemi e anche sistemi di conversione dalle tensioni di batterie al piombo-acido a tensioni di 12V.

Figura 1: schema dell’LTC3119 illustrante un livello elevato di integrazione e prestazioni

Molti sistemi portatili devono essere alimentati da più generatori: batterie in configurazioni a celle singole o multiple, adattatori da parete e set di supercondensatori. Un altro dispositivo della stessa famiglia dell’LTC3119 è l’LTC3118, un convertitore buck-boost monolitico a due ingressi con circuito di controllo PowerPath™ senza attenuazione integrato che è in grado di generare fino a 2A di corrente di uscita continua.

Il convertitore LTC3118 integra i circuiti intelligenti necessari per selezionare automaticamente l’appropriato generatore in ingresso allo scopo di mantenere l’uscita regolata senza alcun problema. Ciascun ingresso può funzionare da 2,2V a 18V, mentre l’uscita è programmabile da 2V a 18V, così che il dispositivo è adatto per un’ampia gamma di applicazioni. Questa esclusiva soluzione impiega un’architettura buck-boost in modalità di corrente a basso rumore con frequenza di commutazione costante a 1,2MHz e assicura una transizione continua, senza jitter fra le modalità buck e boost, per cui è ideale per applicazioni RF e altre ancora sensibili al rumore. La combinazione di componenti esterni di ridottissime dimensioni e di un package QFN o TSSOP-28E di 4mm x 5mm garantisce una notevole diminuzione dell’ingombro. La Figura 2 mostra uno schema semplificato.

Il convertitore LTC3118 è dotato di quattro MOSFET a canale N interni a bassa R_DS(ON) per offrire efficienza fino al 94% indipendentemente dall’ingresso applicato. Il funzionamento in modalità burst, selezionabile dall’utente, riduce la corrente di quiescenza in ingresso a soli 1,2µA, migliorando l’efficienza a carichi bassi e prolungando l’autonomia della batteria. Nel caso di applicazioni sensibili al rumore, è possibile disabilitare il funzionamento in modalità burst per passare a un funzionamento a basso rumore e frequenza costante indipendentemente dalla corrente di carico. Ulteriori caratteristiche: avvio graduale, protezione contro le sovratensioni e i cortocircuiti, arresto termico e scollegamento dell’uscita.

Figura 2: schema dell’LTC3118 con sezione PowerPath fra due ingressi

Conclusione

Si è presentata una grande opportunità per la progettazione di una vasta gamma di prodotti portatili funzionanti a batteria per soddisfare la richiesta crescente in vari settori – trasmissione dati, medicale e computer. I progettisti di sistema si sono trovati a dover far fronte a problemi complessi nella selezione dell’appropriata soluzione di conversione della potenza che rispondesse ai requisiti fondamentali del progetto: soddisfare i vincoli sulla tensione ingresso-uscita, conseguire i livelli di potenza e garantire facilità del progetto, senza compromettere l’efficienza, l’autonomia e le dimensioni della soluzione. Progettare una soluzione che consegua gli obiettivi prefissati per il sistema senza andare a scapito delle prestazioni può essere un compito molto complesso. Fortunatamente, esiste un numero crescente di convertitori buck-boost sviluppati da Linear Technology che semplificano il progetto, offrono caratteristiche avanzate e sono in grado di ottimizzare l’autonomia fra i cicli di ricarica della batteria grazie all’elevata efficienza di funzionamento in una vasta gamma di carichi.

A cura di Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products - Linear Technology, ora parte di Analog Devices