I benefici dei moduli di potenza e le proposte di Renesas Electronics

I sistemi di alimentazione odierni per le infrastrutture di comunicazione e informatiche devono supportare elevati carichi di corrente a causa di FPGA, ASIC e microprocessori sempre più affamati di potenza. Per alimentare questi circuiti ad alta corrente, i produttori di apparecchiature spesso fanno affidamento su soluzioni di alimentazione discrete che possono risultare complicate ed ingombranti ed avere limitazioni significative sulla potenza in uscita. Una soluzione a questo problema è rappresentata dai moduli di potenza. In questo articolo andremo a vedere il perchè, in determinati casi, i moduli di potenza sono da preferire rispetto a implementazioni discrete e offriremo una panoramica sui nuovi moduli di potenza proposti da Renesas Electronics.

Introduzione

I regolatori step-down (buck) vengono utilizzati per convertire la potenza da un bus di alimentazione distribuito ai singoli punti di carico (POL) nei sistemi infrastrutturali. I convertitori step-down convertono una sorgente di tensione in ingresso in una tensione di uscita inferiore e sono in grado di convertire una sorgente di tensione (in genere da 5 V a 25 V o superiore) in una tensione regolata inferiore (in genere da 0.5 V a 5 V). I sistemi infrastrutturali più recenti possono utilizzare 20-40 convertitori POL (step-down) in un unico sistema, ciascuno con diverse esigenze di tensione di uscita e corrente di uscita, creando una sfida per i progettisti di alimentazioni di sistema.

Per affrontare la sfida di progettare il sottosistema di alimentazione per questi sistemi, molti progettisti stanno prendendo in considerazione l'utilizzo di moduli di alimentazione al posto dei tradizionali progetti POL discreti, con tempi di commercializzazione, vincoli dimensionali, affidabilità e capacità di progettazione come fattori motivanti.

Progettare un regolatore step-down discreto non isolato

I blocchi costitutivi di un alimentatore a commutazione non isolato sono mostrati in Figura 1.

Figura 1: schema a blocchi di un alimentatore a commutazione non isolato a elementi discreti

Implementare un alimentatore discreto richiede un certo numero di componenti esterni, come: un controller PWM, MOSFET di potenza di commutazione, condensatori di ingresso, condensatori di uscita e un induttore di potenza. Tutti questi componenti variano per ogni modello. Ad esempio, se un sistema ha 20 diverse linee di alimentazione, la selezione di questi componenti deve essere eseguita per ciascun progetto, il che rende molto impegnativo il compito di progettare un sottosistema di alimentazione.

Diamo un'occhiata ad un esempio di regolatore buck non isolato. Tutti i componenti per il design del regolatore buck non isolato devono essere accuratamente selezionati per soddisfare i requisiti di progettazione. Il calcolo del valore dell'induttore è più critico nella progettazione di un convertitore a commutazione step-down. Innanzitutto, supponiamo che il convertitore sia in modalità di conduzione continua (CCM), che è la situazione usuale. CCM implica che l'induttore non si scarica completamente durante il tempo di spegnimento. La corrente di picco attraverso l'induttore determina il valore richiesto di corrente di saturazione dell'induttore, che, a sua volta, determina la dimensione approssimativa dell'induttore. La saturazione del nucleo dell'induttore diminuisce l'efficienza del convertitore, mentre aumenta la temperatura dell'induttore, del MOSFET e del diodo.

Anche la selezione del condensatore di uscita è una parte fondamentale del progetto. La capacità di uscita determina le prestazioni del transiente di carico dell'alimentatore. La capacità di uscita è necessaria per ridurre al minimo la sovra elongazione di tensione e l'ondulazione presente all'uscita di un convertitore step-down. Prestazioni insufficienti del transitorio di carico o instabilità sono causate da valori di capacità di uscita insufficienti, e un ripple di tensione di grandi dimensioni è causato da capacità insufficiente così come da un'alta resistenza in serie equivalente (ESR) nel condensatore di uscita. I valori massimi permessi di ripple e sovra elongazione della tensione di uscita sono di solito specificati al momento della progettazione. Pertanto, per soddisfare le specifiche di ripple per un circuito convertitore step-down, è necessario includere un condensatore di uscita con ampia capacità e basso ESR.

Il condensatore di ingresso viene utilizzato per sopprimere il rumore all'ingresso dell'alimentatore e ridurre la tensione di ripple vista all'ingresso. La corrente di carico, il duty cycle e la frequenza di commutazione sono alcuni dei fattori utilizzati per determinare l'entità della tensione di ripple in ingresso. I condensatori ceramici posti direttamente sull'ingresso del regolatore riducono l'ampiezza della tensione di ripple. Solo i ceramici hanno l'ESR estremamente basso necessario per ridurre l'ampiezza della tensione di ripple. Questi condensatori devono essere posizionati vicino ai pin di ingresso del regolatore per essere efficaci.

Un'attenta selezione dei MOSFET superiori e inferiori determinerà l'efficienza complessiva del convertitore buck. La resistenza in stato On dei MOSFET di potenza e le perdite di commutazione influiscono sull'efficienza complessiva. I componenti di compensazione devono essere selezionati per garantire che il progetto soddisfi i criteri di stabilità rispetto alle condizioni operative richieste. Il posizionamento dei componenti esterni può anche influire sulle prestazioni dell'alimentazione. I progettisti devono utilizzare un layout ottimale per ridurre al minimo il rumore e massimizzare l'efficienza del sistema. L'intero processo deve essere ripetuto per ogni linea di alimentazione. Se nel sistema sono presenti 20 linee di alimentazione POL, il processo deve essere ripetuto 20 volte, il che può rapidamente diventare un compito scoraggiante per un progettista del sottosistema di alimentazione.

Uso di un modulo di potenza

I progettisti di sistemi faranno dei compromessi tra costi, sforzo di progettazione e prestazioni nella scelta di un modulo di potenza. Per i sistemi con 1-5 linee di alimentazione, i progettisti possono scegliere di utilizzare un regolatore discreto per risparmiare sui costi e rispettare il programma di time to market. Tuttavia, con l'aumentare del numero di binari di alimentazione e l'aumento dei valori di corrente, il design del sottosistema di alimentazione diventa impegnativo e richiede un numero significativamente maggiore di sforzi. Per affrontare questa sfida, i progettisti possono scegliere di utilizzare una soluzione con moduli di potenza. I progettisti considereranno anche il costo di proprietà di un progetto discreto. Il costo di proprietà è il costo della distinta base (BOM, acronimo di Bill Of Materials) oltre al tempo richiesto dal progettista per progettare e testare il progetto. Potenziali modifiche di riprogettazione, costi di produzione e assemblaggio sono costi aggiuntivi per i progetti discreti.

In sintesi, i moduli di potenza offrono diversi vantaggi rispetto ai concorrenti discreti:

  • Un'integrazione più elevata offre una maggiore densità di potenza per occupare meno spazio sulla scheda
  • I brevi tempi di sviluppo dei componenti portano a costi di gestione ridotti
  • Maggiore affidabilità grazie alla caratterizzazione dettagliata del produttore
  • Efficiente gestione termica grazie alla migliore tecnologia di packaging
  • Ridotta complessità di progettazione dovuta a un minor numero di componenti esterni
  • Processo di produzione e assemblaggio più semplice con posizionamento diretto su schede applicative

Con la presenza sul mercato di moduli di potenza sia analogici che digitali, ogni progettista può scegliere il percorso analogico o digitale. L'obiettivo deve essere quello di raggiungere il giusto equilibrio tra funzionalità ed efficacia dei costi. I moduli di alimentazione digitale utilizzano avanzate tecniche di controllo digitale e forniscono sistemi con maggiore flessibilità e intelligenza. Le prestazioni del sistema possono essere notevolmente migliorate con la telemetria in tempo reale e il rilevamento dei guasti tramite un'interfaccia digitale come PMBus, I2C o SPI. Questo rende facile il debugging e le azioni correttive tempestive. In un sistema più ampio e complesso composto da più binari di alimentazione, con l'opzione di salvare e caricare diverse configurazioni nella memoria non volatile, è possibile un'integrazione molto più rapida e una gestione superiore. L'analogico, essendo una soluzione collaudata già prima dell'avvento del controllo digitale negli alimentatori, offre ancora vantaggi come la semplicità d'uso e la semplicità di progettazione. Il progettista non ha bisogno di avere il know-how per i protocolli di comunicazione del programmatore come richiesto con il controllo digitale. Questi benefici, tuttavia, hanno una flessibilità limitata. Ad esempio, un circuito di compensazione del feedback non può essere ottimizzato per condizioni diverse senza modificare i componenti fisici. [...]

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