In questo articolo della Rubrica Firmware Reload analizziamo un approccio diverso per componenti digitali che richiedono tensioni in ingresso pari o inferiori a 3,3V.
Nella continua ricerca di migliorare l’efficienza e le prestazioni del sistema, vi è la tendenza a ridurre le tensioni in ingresso per componenti digitali e a segnale misto dei sistemi di archiviazione dati e di comunicazione. In molti casi l’alimentazione massima richiesta dalla maggior parte dei componenti del sistema è di appena 3,3V. In queste condizioni il tradizionale rail intermedio da 5V o 12V può essere bypassato con la tensione di alimentazione del backplane di 24VDC o 48VDC convertita direttamente in un rail bus e di alimentazione "dual purpose" da 3,3V. Molti fornitori di brick DC/DC ad alta potenza (ad esempio Emerson e TDK-Lambda) hanno preso atto di questa tendenza migliorando le prestazioni con un rapporto di riduzione della tensione elevato, raggiungendo facilmente un rendimento del 92%. Da questo bus intermedio da 3,3V, i regolatori POL (Point Of Load) successivi potrebbero generare tensioni inferiori (ad esempio 2,5V, 1,2V, 1,0V, ecc.) per alimentare, ad esempio, memoria, core ASIC/FPGA e I/O ad alta velocità. La conversione diretta dal bus intermedio offre un altro vantaggio, la riduzione del numero di strati di rame nei circuiti stampati (PCB) necessari per indirizzare i rail di alimentazione verso il carico.
Prendiamo, ad esempio, un PCB con un rail da 5V usato esclusivamente come bus intermedio contenente due convertitori DC/DC che supportano rail di tensione da 3,3V e 1,8V. Molto probabilmente, la stessa scheda riprogettata con un bus intermedio da 3,3V e un solo convertitore da 3,3V-1,2V avrà meno strati di rame (tre rail di tensione ora ridotti a due). In questo modo la soluzione sulla scheda avrà dimensioni totali piuttosto interessanti, eliminando la necessità di indirizzare i potenziali 5V verso un’intera sezione del PCB. La possibilità di ridurre al minimo il numero di strati di rame nella produzione del PCB può comportare una riduzione dei costi e del materiale e un aumento della resa di produzione e dell’affidabilità. Il rail di un bus intermedio a bassa tensione, inoltre, si adegua bene al funzionamento del sistema da fonti di alimentazione di backup come i supercondensatori. I supercondensatori, con il supporto a correnti di picco maggiori, densità di potenza, un più ampio range di temperature di esercizio e una ESR inferiore rispetto alle batterie, si diffondono sempre più come fonte di alimentazione a breve durata che fa da complemento ai sistemi di backup a batteria. Con una tensione di carica massima del supercondensatore compresa tra 2,3V e 2,7V, l’uso di convertitori step-down a bassa tensione può massimizzare il tempo di preparazione del sistema per un ripristino veloce non appena l’alimentazione viene riattivata.
LIMITI DELLE SOLUZIONI TRADIZIONALI
Nelle soluzioni step-down DC/DC tradizionali il regolatore o controller di commutazione richiede una tensione in ingresso minima o una tensione di polarizzazione di circa 5V per gestire i MOSFET di potenza a canale N. Tale tensione minima consente di portare i MOSFET di potenza nella regione di bassa resistenza di ON durante la conduzione di corrente. Un eventuale aumento della resistenza di ON potrebbe pregiudicare i tentativi di migliorare l’efficienza operativa, soprattutto con le correnti elevate spesso presenti nei sistemi di networking e archiviazione. Per i sistemi che cercano di migliorare l’efficienza e ridurre i costi di produzione portando la tensione del rail intermedio sul valore più basso (ad esempio 3,3V) la sfida consiste nel determinare in che modo supportare la tensione di polarizzazione che normalmente ha un consumo di appena 50-100mA: aggiungere un regolatore step-down ad alta tensione da 5V; aggiungere un regolatore boost da 3,3V; oppure mantenere il bus intermedio da 5V. Ognuna di queste opzioni comporta spiacevoli trade-off in termini di numero di componenti, lavoro di progettazione, complessità del PCB, affidabilità, costi ed efficienza.
UNA SOLUZIONE ALTERNATIVA MIGLIORE
Il regolatore μModule® step-down LTM4611 rappresenta un altro modo di affrontare il problema della bassa tensione d’esercizio sopra descritto. Questo dispositivo fa parte di una nuova famiglia di convertitori DC/DC che deriva da soluzioni di power management tradizionali e praticamente comprende tutti i componenti di un convertitore di commutazione, induttore incluso, in un package compatto a montaggio superficiale. Il modulo di alimentazione LTM4611 opera da un solo rail di tensione in ingresso compreso tra 1,5V e 5,5V e lo riduce a una tensione in uscita di appena 0,8V con correnti in uscita fino a 15A. Il funzionamento da un’unica bassa tensione di alimentazione è supportato da una tensione di polarizzazione auto-generata interamente contenuta nel package LGA. La Figura 1 mostra lo schema del circuito LTM4611 di una soluzione step-down da 15A a funzionamento pieno. Dallo schema si evince che una soluzione compatta con un layout del PCB semplice richiede pochi componenti esterni.
Figura 1: Lo schema di un convertitore di tensione per funzionamento da una sola tensione in ingresso compresa tra 2,1V e 5,5V, con un’uscita a 1,8V, 15A
