Come scegliere regolatori POL scalabili e ridurre l’ingombro sulla scheda

L’arte di progettare convertitori CC/CC efficienti e compatti è esercitata da un gruppo scelto di ingegneri che hanno le conoscenze profonde di fisica e matematica necessarie per la progettazione di dispositivi di conversione, unitamente a una lunga esperienza al banco.

Introduzione

Per progettare con eleganza un convertitore CC/CC occorre conoscere a fondo i diagrammi di Bode, le equazioni di Maxwell e i problemi correlati alla scelta dei poli e degli zero. I progettisti di circuiti integrati spesso evitano di far fronte al temuto problema del calore – un compito che solitamente ricade sull’ingegnere responsabile del package.

Il calore costituisce un problema notevole per i convertitori al punto di carico (POL), per i quali lo spazio è limitato tra circuiti integrati delicati. Un regolatore POL genera calore poiché la conversione di tensione non è mai efficiente al 100% (finora). Quale temperatura può essere raggiunta dal contenitore a causa della sua costruzione, layout e impedenza termica? Quest’ultima fa aumentare non solo la temperatura del regolatore POL ma anche quella della scheda di circuiti stampati e dei componenti circostanti, contribuendo alla complessità, alle dimensioni e al costo della disposizione dei componenti di dissipazione termica del sistema.

La mitigazione del calore generato da un convertitore CC/CC su una scheda di circuiti viene ottenuta tramite due strategie principali:

Distribuzione del calore sull’intera scheda: se il circuito integrato del convertitore è realizzabile a montaggio superficiale, i fori di vias e gli strati della scheda, costruiti in rame e quindi a elevata conducibilità termica, disperdono il calore dalla parte inferiore del package. Se l’impedenza termica caratteristica tra il package e la scheda è abbastanza bassa, ciò è sufficiente.

Aumento della portata dell’aria: un flusso di aria fresca rimuove il calore generato dal contenitore (o più precisamente, il calore viene trasferito alle molecole dell’aria, in movimento veloce e a temperatura più bassa, che lambisce la superficie del contenitore).

Naturalmente, esistono metodi di dissipazione del calore sia passivi sia attivi e che, ai fini della semplicità di questa discussione, vengono considerati set secondari della seconda categoria.

Quando deve far fronte agli aumenti di temperatura dei componenti, il progettista di schede di circuiti può ricorrere alle normali soluzioni più frequenti: quantità maggiori di rame, ulteriori dissipatori o ventole di taglia e velocità superiori oppure semplicemente utilizzare più spazio sulla scheda, incrementando la distanza fra i suoi componenti, o aumentare lo spessore degli strati della scheda stessa.

Una qualsiasi di queste soluzioni consente di mantenere il sistema entro limiti di temperatura sicuri, ma la loro applicazione può ridurre il vantaggio competitivo del prodotto finale sul mercato. Il prodotto, per esempio un router, potrebbe richiedere un involucro più grande per consentire la separazione necessaria fra i componenti della scheda o potrebbe diventare relativamente rumoroso quando si aggiungono ventole più veloci per aumentare la portata dell’aria. Ciò può renderlo inferiore in un mercato in cui le aziende competono sulla base di molteplici fattori: ingombro ridotto, potenza di elaborazione, velocità di trasmissione dati, efficienza e costo.

Un’efficace gestione termica per i regolatori POL a elevata potenza richiede la scelta del regolatore adatto e a tal fine è necessaria un’attenta ricerca. Il presente articolo mostra come la corretta scelta del regolatore possa semplificare il compito del progettista della scheda.

Non giudicare i regolatori POL in base alla sola densità di potenza

Vari fattori di mercato richiedono migliori prestazioni termiche dagli apparecchi elettronici. Il più ovvio: le prestazioni migliorano continuamente anche mentre diminuiscono le dimensioni dei prodotti. Ad esempio, i dispositivi digitali con dimensioni di 28nm-20nm e inferiori a 20nm consumano una potenza notevole per assicurare le prestazioni che ci si aspetta e i progettisti di apparecchi innovativi utilizzano questi processi più compatti per realizzare dispositivi più veloci, più piccoli, più silenziosi e più efficienti. Da questa tendenza si trae la conclusione ovvia che deve aumentare la densità di potenza dei regolatori POL: (potenza)/(volume) oppure (potenza)/(area).

Non sorprende che la densità di potenza compaia spesso nella letteratura dei regolatori come la specifica più importante. Una densità di potenza rilevante consente a un regolatore di spiccare tra i modelli di altre marche, offrendo ai progettisti specifiche valutabili al momento di scegliere tra la vasta gamma di regolatori disponibili. Un regolatore da 40W/cm2 deve senz’altro essere migliore di uno da 30W/cm2.

I progettisti vogliono ottenere una potenza maggiore in spazi minori – di primo acchito valori elevatissimi della densità di potenza sembrano rappresentare il percorso ovvio verso i prodotti più veloci, compatti, silenziosi ed efficienti, nello stesso modo in cui si confrontano le prestazioni delle auto utilizzando i valori di potenza sviluppata dal motore. Ma quanto è importante la densità di potenza nella riuscita del prodotto finale? Meno di quanto si possa pensare.

Un regolatore POL deve soddisfare i requisiti dell’applicazione in cui sarà impiegato e, al momento di sceglierne uno, occorre verificarne la capacità di svolgere le funzioni richieste sulla scheda di circuiti, dove dalla gestione della dissipazione del calore può dipendere la riuscita o l’insuccesso dell’applicazione. La seguente dettagliata procedura di selezione consigliata per un regolatore POL sostiene l’importanza di dare maggior importanza alle prestazioni termiche.

Ignorare i valori della densità di potenza: le specifiche relative alla densità di potenza ignorano la riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura, il che ha un effetto notevolmente maggiore sulla “vera” densità di potenza.

Controllare le curve di riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura del regolatore: un regolatore POL caratterizzato e ben documentato deve essere accompagnato da grafici che specifichino la corrente di uscita a varie tensioni d’ingresso e di uscita nonché a diverse velocità del flusso d’aria. La scheda dati deve mostrare la corrente di uscita generabile dal regolatore POL in condizioni di funzionamento reale, per consentire di valutarlo in base alle prestazioni relative alla corrente di carico e alla gestione termica. Il regolatore risponde ai requisiti sui valori tipici e massimi della velocità del flusso d’aria e della temperatura ambiente del sistema? Tenere presente che la riduzione della corrente di carico è correlata strettamente alle prestazioni termiche del dispositivo; sia l’una che le altre sono ugualmente importanti.

Considerare l’efficienza: sì, l’efficienza non è il primo parametro da prendere in considerazione. Se utilizzati da soli, i risultati relativi all’efficienza possono presentare un quadro impreciso delle caratteristiche termiche di un regolatore CC/CC. Naturalmente, i valori di efficienza sono necessari per calcolare la corrente d’ingresso e di carico, il consumo di potenza all’ingresso, la dissipazione di potenza e la temperatura della giunzione; ma devono essere combinati con i dati riguardanti la riduzione della corrente di uscita in funzione della temperatura e altri dati termici correlati al dispositivo e al suo package.

Per esempio, un convertitore in discesa CC/CC con efficienza del 98% colpisce, e ancora di più quando vanta un valore superiore della densità di potenza. Va acquistato preferendolo a un regolatore con efficienza e densità di potenza inferiori? Un ingegnere accorto si chiederebbe qual è l’effetto della perdita apparentemente esigua del 2% di efficienza. Tale potenza come influisce sull’aumento di temperatura del package durante il funzionamento? Qual è la temperatura di giunzione di un regolatore con elevata densità di potenza ed efficienza a una temperatura ambiente di 60°C con velocità del flusso d’aria pari a 200LFM (piedi lineari al minuto)? Occorre guardare oltre i valori tipici dichiarati a una temperatura ambiente di 25°C. Quali sono i valori massimo e minimo misurati agli estremi: −40°C, 85°C o 125°C? A una densità di potenza elevata, l’impedenza termica del contenitore aumenta in tale misura che la temperatura di giunzione supera la temperatura di funzionamento sicura? Che livello di riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura richiede un regolatore di efficienza straordinaria ma costoso? La riduzione dei valori della corrente di uscita in funzione della temperatura comporta una riduzione della potenza di uscita erogabile tale da non giustificare più il costo aggiuntivo del dispositivo?

Considerare la facilità di raffreddamento del regolatore POL: i valori di impedenza termica del contenitore dichiarati nella scheda dati sono fondamentali per simulare e calcolare l’aumento sia della temperatura della giunzione e ambiente che di quella dell’involucro del dispositivo. Poiché gran parte del flusso termico nei contenitori a montaggio superficiale è diretto dalla parte inferiore del contenitore alla scheda di circuiti, le indicazioni sul layout e le discussioni sulle misure termiche devono essere articolate nella scheda dati in modo da ridurre al minimo le sorprese in un secondo tempo, durante la prototipazione del sistema.

Un package ben progettato deve essere in grado di dissipare il calore con efficienza e uniformemente attraverso le sue superfici per eliminare i punti ad alta temperatura che peggiorano l’affidabilità di un regolatore POL. Come descritto in precedenza, la scheda di circuiti ha la funzione di assorbire e diffondere gran parte del calore generato da regolatori POL a montaggio superficiale; ma a causa dei flussi d’aria a circolazione forzata prevalenti negli odierni sistemi, complessi e densi, un regolatore POL progettato con metodi razionali deve sfruttare anche questa opportunità di raffreddamento “gratuito” per dissipare il calore dai componenti che raggiungono alte temperature, come i MOSFET e gli induttori.

DIRIGERE IL CALORE VERSO LA PARTE SUPERIORE DEL PACKAGE E NELL’ARIA

Un regolatore POL a commutazione ad alta potenza dipende da un induttore o un trasformatore per convertire la tensione di alimentazione in ingresso in una tensione di uscita regolata. Nel caso di un regolatore POL in discesa non isolato, il dispositivo è dotato di un induttore, che insieme agli altri elementi di commutazione come i MOSFET, produce calore durante la conversione CC/CC.

Circa dieci anni fa, un nuovo progresso nello sviluppo dei contenitori consentì di progettare e inserire un intero circuito regolatore CC/CC – compresi i componenti magnetici – all’interno di un involucro di plastica stampato, detto modulo o SiP, in cui gran parte del calore generato all’interno viene diretto alla scheda di circuiti dalla parte inferiore del contenitore. Qualsiasi tentativo convenzionale di migliorare la capacità di dissipazione del calore che si genera nel contenitore a montaggio superficiale – come il fissaggio di un dissipatore alla parte superiore del contenitore – contribuisce ad aumentare le dimensioni di quest’ultimo.

Alcuni anni fa fu ideata un’innovativa tecnica di packaging del modulo che sfrutta il flusso d’aria disponibile per facilitare il raffreddamento: nel contenitore del modulo viene integrato un dissipatore mediante un processo di stampaggio per iniezione sovrapposta (overmolding); all’interno del contenitore, l’estremità inferiore del dissipatore è collegata direttamente ai MOSFET e agli induttori – i componenti che generano il calore – mentre l’estremità superiore è una superficie piatta esposta all’aria che lambisce la parte superiore del contenitore stesso. Questa nuova tecnica di dissipazione del calore “intrapackaging” consente di raffreddare velocemente un dispositivo mediante il flusso d’aria (per un esempio, vedere i video TechClip sull’LTM4620, www.linear.com/solutions/4936).

ANDARE IN VERTICALE: UN REGOLATORE POL A MODULO CON INDUTTORE IMPILATO CHE FUNGE ANCHE DA DISSIPATORE

Le dimensioni di un induttore in un regolatore POL dipendono dalla tensione, dalla frequenza di commutazione, dalla gestione della corrente e dal modo in cui è costruito. In un approccio a modulo, in cui il circuito CC/CC – compreso l’induttore – viene realizzato con un processo di overmolding e incapsulato in un contenitore di plastica, per cui somiglia a un circuito integrato, lo spessore, il volume e il peso del contenitore dipendono dall’induttore più che da qualsiasi altro componente, e l’induttore è pure una fonte notevole di calore.

Integrando il dissipatore nel package – la strategia illustrata sopra – si facilita la trasmissione del calore per conduzione dai MOSFET e dall’induttore all’estremità superiore del package stesso, dove è possibile dissiparlo tramite l’aria, una piastra fredda o un dissipatore passivo. Questa tecnica è efficace quando gli induttori sono a bassa corrente e relativamente piccoli per cui sono inseribili facilmente all’interno del composto stampato in plastica del contenitore; lo è di meno quando i regolatori POL dipendono da induttori più grandi e con corrente più elevata, così che la collocazione dei componenti magnetici all’interno del contenitore costringe ad allontanare altri componenti del circuito, espandendo così l’ingombro del contenitore stesso sulla scheda di circuiti. Per mantenere piccolo l’ingombro e al tempo stesso migliorare la dissipazione termica, gli ingegneri responsabili del packaging hanno sviluppato un’altra tecnica: disposizione in verticale (detta anche a impilamento o 3D) (Figura 1).

Figura 1: Un modulo consistente di un regolatore POL a elevata potenza utilizza la tecnologia di packaging 3D (in verticale) per innalzare l’induttore ed esporlo al flusso d’aria affinché funga anche da dissipatore. I rimanenti circuiti CC/CC vengono assemblati sul substrato sotto l’induttore, riducendo al minimo l’area necessaria sulla scheda di circuiti, e al contempo migliorando le prestazioni termiche.

PACKAGING 3D CON INDUTTORE IMPILATO ESPOSTO PER MANTENERE RIDOTTO L’INGOMBRO, AUMENTARE LA POTENZA E MIGLIORARE LA DISSIPAZIONE TERMICA

Ingombro ridotto sulla scheda di circuiti, più potenza e prestazioni termiche migliori: è possibile ottenere simultaneamente tutti e tre questi vantaggi con il packaging 3D, un nuovo metodo di costruzione di regolatori POL (Figura 1). Il dispositivo LTM4636 è un regolatore µModule® che incorpora un circuito integrato di regolazione CC/CC , vari MOSFET, circuiti di supporto e un induttore di grandi dimensioni per diminuire il ripple di uscita e produrre correnti di carico sino a 40A a partire da un ingresso a 12V che viene convertito in tensioni di uscita regolate con precisione e comprese fra 3,3V e 0,6V. È possibile far funzionare quattro LTM4636 in parallelo affinché condividano la corrente per fornire 160A di corrente di carico. L’ingombro del package è di soli 16mm × 16mm. Un altro regolatore della famiglia, l’LTM4636-1, rileva condizioni di sovratemperatura e di sovratensione all’ingresso o all’uscita e può fare intervenire un interruttore automatico o un alimentatore a monte per proteggere sé stesso e il carico.

I sostenitori della semplice potenza possono calcolare la densità di potenza dell’LTM4636 e dichiarare in sicurezza che i suoi valori sono notevoli, ma come discusso sopra, i valori della densità di potenza non dicono tutto. Esistono altri vantaggi importanti che questo regolatore µModule aggiunge alla “trousse di strumenti” a disposizione del progettista del sistema: prestazioni termiche superiori risultanti da un’elevatissima efficienza di conversione CC/CC e una capacità ineguagliata di dissipazione del calore.

Per ridurre al minimo l’ingombro del regolatore (BGA di 16mm × 16mm), s’innalza l’induttore e lo si fissa a un’intelaiatura costituita da due clip di rame affinché si possano saldare gli altri componenti del circuito (diodi, resistori, MOSFET, condensatori, circuito integrato CC/CC) sotto di esso sul substrato. Se si colloca l’induttore sul substrato, il regolatore µModule può occupare facilmente oltre 1.225mm2 sulla scheda di circuiti anziché presentare il ridotto ingombro di 256mm2 (Figura 2).

Figura 2: L’induttore impilato dell’LTM4636 funge anche da dissipatore per assicurare prestazioni termiche straordinarie in una soluzione POL completa dall’ingombro ridotto.

La costruzione con induttore impilato mette in grado i progettisti di realizzare un regolatore POL compatto, con l’ulteriore vantaggio di prestazioni termiche superiori. L’induttore impilato nell’LTM4636 non è realizzato con un processo di overmolding e incapsulato in un contenitore di plastica, a differenza degli altri componenti; è invece esposto direttamente al flusso d’aria. L’involucro dell’induttore è sagomato in modo da presentare angoli arrotondati per migliorare le caratteristiche di convezione (riducendo al minimo gli ostacoli al flusso).

PRESTAZIONI TERMICHE ED EFFICIENZA

Il dispositivo LTM4636 è un regolatore µModule in grado di erogare 40A grazie alla tecnologia di packaging 3D, chiamata anche “component-on-package” (CoP), come illustrato nella Figura 1. Il corpo contenitore è realizzato con un processo di overmolding per ottenere un package BGA di 16mm × 16mm × 1,91mm. Con l’induttore impilato sopra la sezione stampata, l’altezza totale del contenitore dell’LTM4636, dalla parte inferiore delle sfere per brasatura BGA (ve ne sono 144) alla parte superiore dell’induttore, è pari a 7,16mm.

Oltre a dissipare il calore dalla parte superiore, l’LTM4636 è progettato in modo da dissiparlo con efficienza dalla parte inferiore del contenitore alla scheda di circuiti. È dotato di 144 sfere per brasatura BGA con banchi dedicati a GND, VIN e VOUT dove la corrente è elevata. Collettivamente, queste sfere funzionano da dissipatore di calore per la scheda di circuiti. Il regolatore LTM4636 è ottimizzato per dissipare il calore sia dalla parte superiore che da quella inferiore del package (figura 3).

Anche quando l’LTM4636 funziona con un notevole rapporto di conversione – 12V ingresso/1V uscita – alla massima corrente di carico pari a 40A (40W) e a un valore standard della velocità del flusso d’aria, 200LFM, la temperatura del package aumenta di soli 40°C rispetto alla temperatura ambiente (25°C–26,5°C). La Figura 4 mostra l’immagine termica dell’LTM4636 in queste condizioni.

La Figura 5 mostra i risultati relativi alla riduzione della corrente di uscita in funzione della temperatura. A 200LFM, l’LTM4636 eroga l’intera corrente – il notevole valore di 40A – sino a una temperatura ambiente di 83°C. La corrente diminuisce a metà di tale valore, 20A, solo a una temperatura ambiente eccessivamente alta: 110°C. Ciò consente all’LTM4636 di funzionare con elevate prestazioni fintantoché è disponibile un certo flusso d’aria.

L’elevata efficienza di conversione mostrata nella Figura 6 dipende principalmente dai MOSFET e dai driver dalle prestazioni eccellenti di cui è dotato l’LTM4636. Per esempio, un regolatore CC/CC in discesa alimentato a 12V offre efficienza pari a:

  • 95% con ingresso a 12V e uscita a 3,3V, 25A;
  • 93% con ingresso a 12V e uscita a 1,8V, 40A;
  • 88% con ingresso a 12V e uscita a 1V, 40A.

Figura 3: Il comportamento termico modellato dell’LTM4636 mostra che il calore viene trasferito rapidamente all’involucro dell’induttore, che è esposto al flusso d’aria.

 

Figura 4: I risultati termici relativi al regolatore da 40W mostrano che l’aumento di temperatura è pari a soli 40°C.

 

Figura 5: I grafici della riduzione delle prestazioni in funzione della temperatura mostrano che la massima corrente di 40A viene erogata fino a 83°C di temperatura ambiente, a 200LFM.

 

Figura 6: Elevata efficienza di conversione CC/CC per diverse tensioni di uscita.

REGOLATORE POL µMODULE DA 4 × 40A SCALABILE, DA 140W CON BILANCIAMENTO TERMICO

Un LTM4636 presenta corrente di carico nominale di 40A; due LTM4636 in modalità di condivisione di corrente (ovvero in parallelo) possono erogare 80A e quattro di essi, 160A. Aumentare la potenza ottenibile da un alimentatore mediante più LTM4636 in parallelo è facile: basta duplicare la disposizione di un singolo regolatore, come illustrato nella Figura 7 (sono disponibili simboli e ingombri).

L’architettura in modalità di corrente dell’LTM4636 rende possibile la condivisione di precisione della corrente fra i moduli da 40A e la condivisione di precisione a sua volta fa sì che l’alimentatore distribuisca il calore in modo uniforme tra i dispositivi. La Figura 8 mostra che tutti i dispositivi del regolatore 4-µModule da 160A funzionano con lo scarto di un grado Celsius fra l’uno e l’altro, per cui nessun dispositivo individuale è in sovraccarico né si surriscalda. Ciò semplifica notevolmente la mitigazione del calore (figura 9).

La Figura 10 mostra la completa configurazione da 160A. Si osservi che non è necessario nessun dispositivo di clock affinché gli LTM4636 funzionino in sfasamento fra di loro – i circuiti di clock e del controllo di fase sono inclusi. Il funzionamento multifase riduce la corrente di ripple in ingresso e in uscita, il che a sua volta riduce il numero di condensatori di ingresso e uscita necessari. In questo caso, i quattro LTM4636 della Figura 10 funzionano con uno sfasamento di 90°.

Figura 7: È facile disporre più LTM4636 in parallelo: basta duplicare il layout di un canale.

 

Figura 8: Condivisione di precisione della corrente fra quattro LTM4636 funzionanti in parallelo; ne risulta un aumento della temperatura di soli 40°C per un’applicazione da 160A.

 

Figura 9: Efficienza del regolatore 4-µModule da 140W

 

Figura 10. Il regolatore da 140W presenta quattro LTM4636 funzionanti in parallelo con condivisione di precisione della corrente ed elevata efficienza; ingresso a 12V e uscita a 0,9V a 160A.

Conclusione

La scelta di un regolatore POL per un sistema con alta densità di componenti richiede un esame attento che vada oltre i valori nominali di tensione e corrente del dispositivo. La valutazione delle caratteristiche termiche del suo contenitore è essenziale poiché determina sia il costo del raffreddamento di un sistema che il costo della scheda di circuiti stampati nonché le dimensioni del prodotto finale. I progressi fatti nella tecnologia di costruzione 3D, detta anche a impilamento, in verticale o CoP, consente di inserire regolatori a modulo POL a potenza elevata in uno spazio ridotto della scheda di circuiti, ma più importante ancora, permette un raffreddamento efficiente. Il modello LTM4636 rappresenta la prima serie di regolatori µModule che traggono vantaggio da questa tecnologia di packaging a impilamento. È un regolatore µModule POL da 40A dotato di induttore impilato che funge anche da dissipatore, vanta un’efficienza compresa tra 95% e 88%, con un aumento di temperatura di appena 40°C a pieno carico, e occupa un’area di soli 16mm x 16mm sulla scheda di circuiti. Sul sito www.linear.com/LTM4636 è disponibile un video descrittivo dell’LTM4636.

A cura di Afshin Odabaee, Business Development Director, µModule Power Modules, Analog Devices’ Power by Linear Group

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 8 novembre 2017

Scrivi un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *