I progettisti di sistemi militari devono conseguire molteplici obiettivi complessi poiché oltre ai guadagni prestazionali che da loro ci si aspetta, operano anche in un ambiente in evoluzione sempre più rapida. Le riduzioni dei budget hanno comportato importanti ristrutturazioni aziendali, la diversificazione dell’attività in mercati paralleli e la globalizzazione del settore della difesa, il che a sua volta introduce nuovi concorrenti e le inevitabili pressioni commerciali per il team responsabile dei progetti. Su questo sfondo, i gruppi responsabili della progettazione devono adattarsi a nuove prassi lavorative, per esempio i team interfunzionali che operano in più sedi mentre il numero di specialisti in alcune discipline progettuali, come quelle dei dispositivi a radiofrequenza (RF) e degli alimentatori, è pure in diminuzione mentre si riduce il tempo di immissione dei prodotti sul mercato. Fortunatamente, esiste un fattore a vantaggio del team responsabile dei progetti: i progressi della tecnologia che accompagnano ogni nuova generazione di dispositivi a semiconduttore, così che l’innovazione fluisce da un settore all’altro. Una famiglia di prodotti in cui ciò è stato evidente è quella dei regolatori µModule® di Linear Technology, che attraverso una combinazione di progressi nella tecnologia dei contenitori e dei dispositivi a semiconduttore hanno reso possibili notevoli miglioramenti degli alimentatori.
Efficienza
La sigla SwaP (Size, Weight and Power: dimensioni, peso e potenza) viene utilizzata frequentemente nel settore della difesa per trasmettere l’idea di avanzamento dei sistemi tecnici. Riassumendo ulteriormente questo concetto: valori SWaP ridotti comportano una migliore efficienza.
L’efficienza è il fattore fondamentale poiché esiste una contraddizione immediata: affinché un sistema sia compatto e leggero, deve funzionare a basse temperature per essere affidabile; tuttavia, i requisiti imposti sugli alimentatori sono sempre più gravosi a causa del continuo aumento della complessità delle tecniche di elaborazione digitale. Ciò naturalmente significa che il core di elaborazione e i componenti dell’alimentatore genereranno più calore a meno che non sia possibile aumentare l’efficienza della soluzione.
I regolatori µModule di Linear Technology offrono una soluzione nella ricerca di una maggiore efficienza del sottosistema dell’alimentatore. Nel dimostrare quanto esposto, dobbiamo pensare all’efficienza nel suo significato più ampio, non solo in quello – il più ovvio – di efficienza della conversione dell’energia elettrica.
Dimensioni fisiche e ingombro della scheda di circuiti stampati
Nel 2008, Linear Technology ha introdotto il regolatore µModule LTM8020, un alimentatore CC/CC STEP DOWN da 200mA completo, ospitato in un contenitore LGA di plastica ad alta tecnologia dalle dimensioni ridottissime: 6,25mm x 6,25mm x 2,32mm; il dispositivo risponde ai requisiti sull’emissione irradiate EN55022 Classe B ed è stato adottato rapidamente come modulo di base standard per molti tipi di sistemi.
Facciamo ora un salto in avanti al 2014, quando è stato introdotto il regolatore µModule ultrasottile LTM4623, che offre un’uscita di 3A e mantiene invariati i valori delle emissioni irradiate. Grazie ai progressi fatti nella tecnologia dei componenti e nel packaging, il dispositivo presenta lo stesso ingombro orizzontale – 6,25mm x 6,25mm – ma con altezza di appena 1,82mm, consentendo in alcuni sistemi il montaggio sul lato inferiore della scheda di circuiti stampati.
Figura 1. Il regolatore µModule CC-CC STEP DOWN discesa da 3A ultrasottile LTM4623
Per applicazioni in cui si richiede una potenza maggiore, l’LTM4625 offre corrente di uscita CC pari a 5A pur continuando a presentare lo stesso ingombro, con un profilo in altezza di 5,01mm risultante dall’induttore interno più grande e dal contenitore BGA.
Un altro esempio di integrazione perfezionata rispetto al 2014 è l’LTM4634, un regolatore µModule CC/CC STEP DOWN a uscita tripla: 5A/5A/4A, che offre tre canali di regolazione ad alta efficienza indipendenti in un solo contenitore BGA da 15mm x 15mm x 5,01mm. Lo si confronti con il primo membro della famiglia risalente al 2005 – il regolatore µModule CC/CC STEP DOWN da 10A LTM4600 – che presentava lo stesso ingombro.
Prestazioni elettriche
I progressi fatti nell’efficienza della conversione dei circuiti integrati alla base del regolatore sono stati accompagnati da perfezionamenti del contenitore volti a migliorare le prestazioni termiche, così che i più recenti regolatori µModule ora possono funzionare a temperature ambiente più alte per una data corrente di uscita e assicurano margini di progettazione migliori.
Per esempio, possiamo confrontare le curve di riduzione dei valori nominali in funzione della temperatura – utilizzando le stesse dimensioni del contenitore – dell’LTM4608A, un regolatore µModule CC/CC STEP DOWN da 8A, e di un prodotto introdotto più recentemente: l’LTM4649, un regolatore µModule CC/CC STEP DOWN da 10A.
Le figure 2 e 3 sono basate su una configurazione senza dissipatore, ingresso di 5V e uscita di 3,3V e con le curve di riduzione tracciate con la corrente di uscita iniziale uguale al massimo valore nominale e la temperatura ambiente pari a 40°C. Le giunzioni sono mantenute a un temperatura massima di 120°C mentre la corrente di uscita diminuisce all’aumentare della temperatura ambiente. La minore corrente di uscita riduce la perdita interna del modulo mentre aumenta la temperatura ambiente. La differenza tra la temperatura di 120°C della giunzione monitorata e la temperatura di funzionamento ambiente specifica l’aumento consentito di temperatura del modulo.
Figura 2. Riduzione della corrente dell’LTM4608A in funzione della temperatura, da 5VIN a 3,3VOUT
Figura 3. Riduzione della corrente dell’LTM4649 in funzione della temperatura, da 5VIN a 3,3VOUT
Queste curve dimostrano che il più recente LTM4649 può funzionare senza riduzione in funzione della temperatura a una temperatura ambiente di 90°C, mentre alla stessa temperatura la riduzione dell’LTM4608A deve essere uguale a circa il 50%. Questo è particolarmente importante per i sistemi militari senza raffreddamento ad aria forzata, in cui sono frequenti temperature ambiente fino a 80°C – 90°C.
Tempi di progettazione e competenza
Mentre le risorse da dedicare alla progettazione devono far fronte a una complessità sempre maggiore dei sistemi e a cicli di progettazione più brevi, l’attenzione ricade sullo sviluppo della proprietà intellettuale fondamentale del sistema. Ciò spesso fa sì che l’alimentatore sia messo da parte sino alla fase finale del ciclo di sviluppo. Con poco tempo a disposizione e forse risorse limitate per la progettazione specializzata dei dispositivi di potenza, vengono fatte pressioni perché si sviluppi una soluzione a elevata efficienza con l’ingombro più ridotto possibile.
È in questo caso che il regolatore µModule offre la risposta ideale; il concetto è complesso all’interno, semplice all’esterno: l’efficienza di un regolatore a commutazione e la semplicità progettuale di un regolatore lineare. Prestare molta attenzione alla progettazione, al layout della scheda di circuiti stampati e alla selezione dei componenti è molto importante ai fini della progettazione di un regolatore a commutazione e molti progettisti di lunga esperienza hanno sentito, all’inizio della loro carriera, il caratteristico odore di una scheda di circuiti che brucia. Quando i tempi sono brevi o l’esperienza di progettazione di alimentatori è limitata, il regolatore µModule già pronto riduce sia i tempi che il rischio per il programma.
Lo sviluppo di prodotti multiuscita più recenti ha reso questo dispositivo ancora più interessante. La Figura 4 indica la semplicità di una soluzione a quattro canali basata sull’LTM4644 che è inserito in un contenitore BGA da 9mm x 15mm x 5,01mm ed è configurabile con canali in parallelo se necessario. Per quanto riguarda il numero dei componenti esterni, si ha un solo resistore per impostare ciascuna tensione di uscita, impiegato unitamente a condensatori bulk di ingresso e uscita.
Un ulteriore vantaggio della flessibile configurazione di uscita consiste nell’opportunità di ridurre il numero dei tipi di componenti qualificati che figurano nell’elenco dei componenti preferiti dall’azienda, riducendo l’uso delle risorse tecniche relative ai componenti stessi e aumentando le quantità da acquistare.
Figura 4. Il regolatore µModule da 4A a quattro canali LTM4644 con array di uscita configurabile
Caratteristiche di sicurezza e affidabilità
L’affidabilità delle interconnessioni dei componenti di terminazione inferiori (BTC, Bottom Termination Components) è da molto tempo una fonte di preoccupazione nel settore e presso importanti appaltatori nel settore della difesa sono stati condotti internamente molti studi per determinare l’idoneità ambientale di diversi tipi di contenitori BTC. Linear Technology ha inoltre effettuato vari studi in cui prodotti collegati in serie vengono sottoposti a cicli termici per molte migliaia di ore per determinare l’affidabilità delle interconnessioni di brasatura.
Dall’introduzione del primo regolatore µModule, l’LTM4600 in un contenitore LGA munito di piazzole quadrate placcate in oro, è stata dedicata particolare attenzione a migliorare il layout fisico delle piazzole e le caratteristiche di progettazione interne. È stato introdotto il contenitore BGA e i clienti hanno la scelta di una composizione SAC305 o a sfere di SnPb. Quest’ultima opzione è fondamentale per molti sistemi militari, nei quali si preferisce ancora impiegare componenti in SnPb in ambienti estremamente avversi, particolarmente per i BTC.
La progettazione di applicazioni cruciali per la sicurezza è stata anche agevolata dalla serie di caratteristiche di prodotti più recenti, ad esempio ritornando al regolatore µModule da 4A a quattro canali LTM4644 discusso in precedenza, sono offerte le seguenti funzioni:
La rilevazione della temperatura interna è assicurata da un transistor PNP collegato tramite un diodo e con coefficiente di temperature pari a circa 2mV/°C, collegabile a un convertitore A/D esterno per generare i dati per il sistema di controllo.
Un circuito di protezione contro la sovratemperatura monitora la temperatura della giunzione nel modulo; se questa raggiunge circa 160°C, l’uscita viene disinserita finché la temperatura non scende di circa 15°C.
La protezione contro condizioni di sovracorrente e sovratensione è garantita da circuiti interni che eseguono una limitazione di corrente con foldback e monitorano la tensione di retroazione di uscita in un intervallo di ±10% centrato sul punto di regolazione.
Altre caratteristiche di sicurezza disponibili nella gamma di prodotti includono limiti di corrente media di ingresso e uscita regolabili, circuiti di monitoraggio della corrente di ingresso e uscita, nonché interfaccia digitale completa e controllo con EEPROM incorporata per la registrazione dei guasti.
Conclusioni
I progressi fatti nella tecnologia dei dispositivi a semiconduttori e dei contenitori hanno reso possibili perfezionamenti continui dei prodotti; in particolare, il presente articolo ha illustrato soluzioni basate sul regolatore µModule e come queste possono aiutare i progettisti a conseguire nuovi obiettivi prestazionali in termini di:
- miglioramenti dei parametri SWaP della soluzioni e dell’affidabilità;
- tempi più brevi di immissione sul mercato con rischio inferiore;
- uso ottimale delle competenze dei team responsabili della progettazione e delle risorse di supporto.
