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.
EFFICIENZE OPERATIVE A CONFRONTO
È molto impegnativo giustificare la tradizionale architettura step-down a tre fasi dal punto di vista dell’efficienza perché ogni fase discendente tra il rail di distribuzione e il carico deve essere molto più efficiente rispetto a una soluzione a due fasi. Nella Figura 1 si vede il diagramma di flusso del bus intermedio da 5V sopra descritto e del bus intermedio da 3,3V attivato dal regolatore μModule LTM4611. Nei due esempi lo step-down da 48V è creato sulla base di un convertitore a un’uscita e otto brick Emerson (ex Artesyn) da 75W con carichi da 10A presunti per rail di tensione compresi tra 1,8V e 3,3V.
Figura 1: Diagramma a tre e due fasi con perdita di potenza totale da 48VDC a 3,3VDC e 1,8VDC a 10A ciascuna
Nello scenario a tre fasi tradizionale i convertitori buck da 5V a 3,3V e da 5V a 1,8V sono creati in base ad un altro membro della famiglia di regolatori μModule. Nella Figura 2 vengono confrontati l’efficienza e la conseguente perdita di potenza di una soluzione a tre fasi e di una soluzione a due fasi con l’LTM4611 su un ampio range di correnti in uscita (presupponendo la stessa corrente in uscita su ogni rail).
Figura 2: Efficienza e perdita di potenza della conversione a tre e due fasi da 48VDC a 3,3VDC e 1,8VDC
Con la potenza nominale massima di 75W del brick la soluzione a tre fasi ha un limite massimo di 13A per i rail di 3,3V e 1,8V, mentre la soluzione a due fasi può supportare fino a 14A per ogni rail. Come si evince dalla curva, la differenza di perdita di potenza totale che risale alla tensione di distribuzione di 48V può essere notevole e comportare un aumento in termini di costi per l’area in rame extra sul PCB, dimensioni fisiche del sistema, dissipatori di calore e perfino di flusso di aria forzata per garantire il funzionamento affidabile del sistema. Per un numero sempre crescente di prodotti la riduzione della perdita di potenza in presenza di carichi leggeri è importante (se non più importante) quanto la riduzione della potenza con carichi elevati. I sottosistemi sono progettati per operare in stand-by a bassa potenza o nella modalità sleep il più a lungo possibile (per risparmiare energia) e per utilizzare la potenza di picco (pieno carico) solo quando occorre. L’LTM4611 supporta la modalità Pulse Skip e il funzionamento Burst Mode® che comportano un’efficienza nettamente migliore con correnti di carico inferiori a 3A rispetto alla modalità CCM (Continuous Conduction Mode).
CONDIVISIONE DI CORRENTE DI ALIMENTAZIONI MULTIPLE PER 60A O OLTRE
La condivisione di corrente di quattro regolatori μModule LTM4611 è supportata per rail di alimentazione con un’uscita fino a 60A. Il controllo in modalità di corrente rende la condivisione di corrente dei moduli particolarmente affidabile e semplice da implementare e, allo stesso tempo, garantisce una condivisione di corrente anche da modulo a modulo durante l’avvio e in condizioni operative transienti e stazionarie. Rispetto a molti moduli in modalità di tensione, che ottengono la condivisione di corrente utilizzando configurazioni master-slave o il “droop-sharing” (denominato anche “condivisione della linea di carico”), le configurazioni master-slave possono essere soggette a interruzione in caso di sovracorrente durante l’avvio e condizioni di carico transienti, mentre il droop-sharing può comportare specifiche di regolazione del carico compromesse e non garantire un adattamento della corrente da modulo a modulo durante le fasi di carico transiente. L’LTM4611 offre una regolazione del carico migliore dello 0,2%, con assenza di carico e pieno carico; lo 0,5% massimo sull’intero range di temperature del modulo interno compreso tra -40°C e 125°C.
REGOLAZIONE PRECISA SUL CARICO
FPGA, ASIC, Ps, ecc. ad alta corrente e bassa tensione richiedono normalmente tensioni precise pari a ±3% della VOUT nominale (o meglio) regolate esattamente sui terminali del package (es. pin VDD e DGND). Con questi livelli di corrente elevata e di bassa tensione, le perdite di distribuzione resistive nelle tracce del PCB possono influire sulla tensione vista sul carico. Per soddisfare questo rigoroso requisito di regolazione per basse tensioni in uscita, l’LTM4611 offre un amplificatore differenziale a guadagno unitario per il rilevamento remoto sui terminali del carico per tensioni inferiori o uguali a 3,7V. Nella Figura 1 (vedere Parte 1 dell'articolo) si può vedere che il segnale di feedback differenziale nel POL (VOSNS+ meno VOSNS−) è ricostruito in DIFF_VOUT rispetto alla messa a terra locale, SGND, il che consente al loop di controllo di compensare eventuali cadute di tensione nel percorso di alimentazione tra i pin di uscita del modulo e il dispositivo POL. Un indicatore power good (PGOOD) della tensione in uscita interno fornisce un segnale "open drain" elevato logico quando la tensione in uscita dell’LTM4611 è pari a ±5% della VOUT nominale; altrimenti PGOOD riduce la logica. Quando la tensione in uscita supera il 107,5% del valore nominale, la protezione contro le sovratensioni in uscita viene attivata e il MOSFET del fronte basso rimane attivato finché la condizione viene annullata. La limitazione della corrente di fold back protegge gli alimentatori a monte e lo stesso dispositivo in caso di cortocircuito dell’uscita.
