La crescente complessità di dispositivi e sistemi, la corsa verso prestazioni più elevate, la contemporanea richiesta di soluzioni a bassa dissipazione di potenza hanno radicalmente modificato negli ultimi anni i requisiti per le alimentazioni dei componenti elettronici.
Microcontrollori, DSP ed FPGA richiedono oggi tensioni di lavoro diverse per il core, l’I/O e gli eventuali circuiti accessori; un ampio range per le tensioni di ingresso è imposto dalla crescente diffusioni di soluzioni portatili alimentabili a batteria, da porta USB e da rete elettrica. La maggior parte dei produttori di circuiti di power management si sono adeguati a queste richieste offrendo oggi complete e complesse soluzioni single-chip per le più disparate applicazioni.
Texas Instruments
Soluzioni integrate di power management sono offerte anche da Texas Instruments per applicazioni come PDA, Digital Still Camera, Cellular Smart Phone, Internet Audio Player… Il TPS65010, ad esempio, è alimentabile da porta USB (rispettando i requisiti di assorbimento massimo di corrente) o rete elettrica accettando tensione in ingresso tra 2.0V e 20V; il dispositivo è in grado di commutare automaticamente tra i due ingressi. Include due convertitori step-down con efficienza del 90% e del 95% ed in grado di erogare, rispettivamente, 400mA ed 1A. L’interfaccia di controllo è di tipo I2C operante a 100 kHz o 400 kHz. Sono inoltre disponibile due LDO con capacità di corrente fino a 200mA e che richiedono alimentazione in ingresso tra 1.8V e 6.5V derivabile direttamente dalla batteria o mediante una delle due uscite switching. E’ integrato un circuito carica batteria per celle a ioni di litio. Il TPS65020 presenta, invece, tre uscite switching in grado di operare con tensioni di ingresso tra 2.5V e 6.0V, con capacità di corrente 1.2A, 1A e 800mA ed efficienze, rispettivamente, del 97%, 95% e 90%. Due regolatori lineari con capacità di 200mA alimentabili tra 1.5V e 6.5V, un ingresso con antirimbalzo ed un’uscita latched per implementare funzionalità di accensione mediante pulsante utili in applicazioni portatili completano il profilo del dispositivo. Simili sono le caratteristiche dei componenti della serie TPS65024x che, oltre alle tre uscite switching e ai due lineari, presentano un’uscita LDO da 30mA tipicamente utilizzabile per l’alimentazione di sezioni di un sistema a processore che necessitino di essere sempre attive. Due regolatori switching con efficienza fino al 95% e capacità di corrente fino a 1A (a seconda del dispositivo selezionato), quattro LDO di cui due da 400mA e due da 200mA sono invece integrati nella serie TPS6505x. I regolatori switching operano in opposizione di fase; la frequenza di switching è 2.25MHz. Quattro linee di controllo digitali in ingresso consentono di selezionare fino a 16 diverse combinazioni per le uscite lineari nei TPS65050 e TPS65052. Nei TPS65051, TPS65054 e TPS65056, invece, la tensione è regolabile mediante resistori esterni. Ideali per applicazioni a batteria con batteria di backup sono i dispositivi TPS65510. In grado di selezionare automaticamente la sorgente di alimentazione, dispongono (vedi figura 1) di un convertitore DC/DC con topologia boost in grado di operare in modalità PFM (con ridotta dissipazione di potenza)/PWM (a 750 kHz) e quattro uscite LDO a 1.2V/1.8V/3.3V alimentate direttamente da questo.
Figura 1: architettura del TPS65510.
Integrano circuito di protezione da sovratensione e sovracorrente e thermal shutdown. Tre DC/DC switching a 2.25MHz con uscite fisse o regolabile tra 1.8V e 3.3V e capacità di corrente fino a 1.6 A, due LDO da 200mA regolabili ester namente ed uno a 30mA sono pr esenti pur e nei TPS650250. Più complessa è invece l’architettura dei TPS65920/930 che rappresentano una vera e propria soluzione completa per le applicazioni OMAP (Open Multimedia Application Platform) di Texas Instrument, usate ad esempio in alcuni telefonini di ultima generazione. Includono tre convertitori step-down ad elevata efficienza, quattro LDO tipicamente utilizzabili per l’alimentazione di circuiti di clock management e periferiche a bassa dissipazione in sistemi a microprocessore, un transceiver USB on-the-go compliant, driver per LED, un convertitore analogico-digitale, un real-time clock ed un controllore embedded della potenza. Il TPS65930 integra anche un codec audio con due DAC e due ADC per implementare due canali voce, un canale di downlink stereo con interfaccia I2S/TDM (Inter-Integrated Sount/T ime Division Multiplexing).
Linear Technology
Regolatori lineari e switching, circuiti di carica batteria, comparatori, stadi di controllo PowerPath sono le funzionalità principali dei sistemi di power management sviluppati da Linear Technology. LT3507, LT3471, LT3520, LT3555, LT3558 ed LT4088 sono i dispositivi più diffusi. L’LT3507, ad esempio, integra tre convertitori DC/DC di tipo step-down con power switch interno ed un regolatore lineare. I tre convertitori sono sincronizzati ad uno stesso oscillatore con frequenza tra 250kHz e 2.5MHz; uno è in opposizione di fase ed in grado di erogare fino a 2.4A. La massima corrente di uscita degli altri due è invece limitata a 1.5A. La tensione di ingresso è compresa tra 4V e 36V. Per applicazioni boost è invece pensato l’LT3471 che integra due regolatori switching in grado di lavorare con una tensione di ingresso tra 2.4V e 16V erogando tensione in uscita fino a 42V. La frequenza di switching è 1.2MHz, consentendo l’impiego di induttori e capacitori esterni di basso profilo e costo contenuto. Il dispositivo può essere configurato come due circuiti boosts, un circuito boost seguito da inverter o due circuiti inverter. Un convertitore buck-boost da 1A ed uno di tipo buck da 600mA sono invece integrati nell’LT3520. Opera in modalità corrente con rettificazione sincrona interna per migliorare l’efficienza; la frequenza di switching è compresa tra 100kHz e 2MHz, la tensione di ingresso tra 2.2V e 5.5V. Le tensioni di uscite possono essere regolare tra 2.2V e 5.25V per l’uscita buck-boost e 0.8V e Vin per lo stadio boost. Per applicazioni USB-compatibili sono pensati i dispositivi LT3555 i quali dispongono di un circuito carica batteria, un manager PowerPath switching limitato in corrente e tre regolatori switching general-purpose sincroni a 2.5MHz, dei quali due in grado di erogare 400mA ed il terzo fino a 1A. Simili sono le caratteristiche dell’LT3588 il quale integra due regolatori switching con architetture boost e buck-boost. Ideale per applicazioni con alimentazione da singola celle a ioni di litio, è in grado di operare con efficienza elevata (maggiore del 90%) sull’intero intervallo della tensione di batteria erogando in uscita fino a 400mA per singolo stadio di conversione. Innovativi sono i dispositivi LTC3101, LT4099, LT3570, LT3576, LT3586, LT3587. L’LT3101 (figura 2), ad esempio, opera con una tensione di ingresso compresa tra 1.8V e 5.5V ed è in grado di commutare, senza problemi sulle uscite, tra gli ingressi per l’alimentazione da batteria e quelli da porta USB.
Figura 2: esempio d’applicazione dell’LT3101.
Dispone di un regolatore buck-boost in grado di regolare in uscita una tensione compresa tra 1.5V e 5.25V erogando fino a 800mA (con Vout=3.3V e Vin≥ 3V) e due convertitori buck che operano con Vout tra 0.6V e Vin e Iout fino a 350mA. Integra un LDO da 1.8V/50 mA sempre attivo ed una uscita hot-swap da 3.3V/100 mA utilizzabile, ad esempio, per l’alimentazione di flash card. Presenta inotre un circuito per la generazione di un segnale di reset di durata programmabile verso microcontrollori od FPGA, un convertitore buck, uno di tipo boost ed un regolatore lineare. Ogni convertitore è in grado di lavorare con tensione di ingresso tra 2.5V e 36V e include una limitazione in corrente in uscita fino a 1.5A. La frequenza di switching fino a 2MHz è programmabile mediante resistore esterno e l’oscillatore può essere sincronizzato rispetto ad un segnale di ingresso fino a 2.75MHz. Lo stadio lineare è in grado di erogare fino a 10mA per pilotare un transistor NPN esterno. Interessanti sono pure le caratteristiche dell’LTC3587, ideale per il progetto dei circuiti di alimentazione di CCD, LCD ed OLED in applicazioni a batteria. Con tensione in ingresso compresa tra 2.5V e 6V, è in grado di generare in uscita due tensioni positive (ad esempio 15V/50mA e 20V/20mA) ed una negativa (ad esempio -8V/100mA). Un circuito intelligente di soft-start permette di controllare in sequenza l’abilitazione delle uscite, inibendo ad esempio lo stadio di inverter prima che l’uscita positiva abbia raggiunto l’87% del suo valore finale.
