La Gestione Digitale dell’Alimentazione – Prima Parte

Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Ai progettisti di sistemi integrati, di apparecchiature di rete e di comunicazione si richiede costantemente, da un canto, di aumentare la velocità di trasmissione dati e le prestazioni del sistema da sviluppare oltre ad aggiungervi varie caratteristiche e funzionalità, dall’altro, di ridurne i consumi energetici. Nell’articolo che segue vediamo come sia possibile conciliare queste esigenze contrapposte.

Volendo citare un esempio, nei data center il problema consiste nel ridurre il consumo complessivo di energia riprogrammando il flusso di lavoro e trasferendo operazioni a server sottoutilizzati, rendendo così possibile l’arresto di altri server. Tuttavia, per soddisfare queste richieste è essenziale conoscere l’assorbimento energetico dell’apparecchiatura dell’utente finale. A tal fine, un sistema digitale di gestione dell’alimentazione può fornire all’utente dati sui consumi, facilitando decisioni intelligenti sulla gestione energetica. Per comprendere meglio questo concetto, consideriamo l’esempio reale di un sistema integrato. La maggior parte dei sistemi integrati è alimentata tramite una scheda madre a 48 V. Normalmente, questa tensione viene ridotta a una tensione di linea intermedia, in genere pari a 12 V, e quindi ridotta ulteriormente a 3,3 V per alimentare i rack di schede del sistema. Tuttavia, molti dei circuiti secondari o dei circuiti integrati di queste schede devono funzionare a tensioni che vanno da meno di 1 V a 3 V e a correnti comprese fra decine di milliampere e centinaia di ampere. Sono pertanto necessari convertitori DC/DC al punto di carico (PoL, Point-of-Load) per ridurre la tensione di linea intermedia alla tensione richiesta dai circuiti secondari o dai circuiti integrati. Il problema è complicato ulteriormente dal fatto che queste linee di alimentazione hanno requisiti rigorosi di sequenziamento, precisione della tensione, marginatura e controllo.

Poiché in un sistema di memorizzazione, telecomunicazioni o trasmissione dati possono esservi oltre 50 linee di tensione PoL, i progettisti di sistemi hanno bisogno di un metodo semplice per gestirle indipendentemente dalla tensione di uscita, sequenziamento e massima corrente tollerabile. Alcuni processori richiedono che le loro tensioni di ingresso e uscita (I/O) si presentino prima della tensione del core, mentre determinati processori di segnali digitali (DSP) presentano il requisito opposto, ossia che la tensione del core sia presente prima della tensione di I/O. Complica ulteriormente il problema il fatto che è necessaria anche una sequenza di spegnimento. Quindi, i progettisti devono essere in grado, in modo semplice, sia di apportare modifiche volte a ottimizzare le prestazioni del sistema che di memorizzare una configurazione specifica per ciascun convertitore DC/DC, allo scopo di semplificare le fasi di progettazione. Non solo: per proteggere i costosi ASIC dal rischio di una condizione di sovratensione, dei comparatori ad alta velocità devono monitorare i livelli di tensione di ciascuna linea di alimentazione e intervenire immediatamente se una di esse va fuori dai limiti operativi di sicurezza specificati. In un sistema di alimentazione digitale, l’host può essere avvisato in caso di guasto tramite l’apposita linea PMBus e le linee dipendenti possono essere disinserite per proteggere i dispositivi alimentati, come un ASIC. Per conseguire questo livello di protezione occorrono precisione ragionevole e tempi di risposta dell’ordine delle decine di microsecondi. Per questi motivi, i circuiti integrati di conversione dell’alimentazione digitale devono offrire gestione di alta precisione del sistema di alimentazione digitale grazie alla programmabilità ad alta risoluzione e alla lettura veloce dei dati telemetrici ai fini del monitoraggio e controllo in tempo reale di funzioni cruciali del convertitore PoL. Devono assicurare la conversione in discesa sincrona ad alta efficienza con interfaccia PMBus basata su I2C che offra oltre 100 comandi e con EEPROM incorporata. Per garantire facilità ineguagliata di progettazione e gestione del sistema di alimentazione, questi dispositivi devono unire la presenza di un regolatore a commutazione analogico all’avanguardia a quella di circuiti di conversione a segnali miscelati di alta precisione. Infine, è essenziale che siano supportati dai sistemi di sviluppo software mediante interfacce grafiche utente (GUI) di facile uso.

Figura 1: Configurazione tipica per la gestione digitale di un sistema di alimentazione

Figura 2: Schema dell’LTC3884 in grado di applicare 1,5V a 20A e 1,0V a 30A

DIMENSIONI RIDOTTE COMPORTANO MAGGIORE VELOCITÀ

I progressi che vengono fatti nel campo dei sistemi di alimentazione analogici in genere risultano dallo sviluppo di concetti circuitali. Pochissimi di questi attraversano i confini dei produttori e raramente finiscono per essere utilizzati da più aziende in più prodotti, a differenza dei progressi fatti nel campo digitale, che tendono a proliferare nel settore. I dispositivi risultanti dalla proliferazione, nel corso del tempo, dei concetti di progettazione di circuiti integrati per sistemi analogici sono gli amplificatori stabilizzati con chopper, i convertitori A/D delta-sigma, i regolatori di tensione BurstMode®, i generatori di tensione interna di riferimento e i regolatori a 3 terminali. Tuttavia, il know-how acquisito realizzando funzioni complesse in processi differenti continua ad ampliarsi e ogni anno consente di generare circuiti integrati per segnali misti con funzionalità ancora superiori. L’impegno continuo allo sviluppo di larghezze inferiori per le tracce dei circuiti integrati per sistemi digitali ha avuto effetti anche sui sistemi analogici. Questi processi diventano sempre più veloci e aumentano la velocità dei circuiti integrati digitali realizzati su di essi. I convertitori analogico/digitali (A/D) rappresentano un buon esempio dello stadio in cui larghezze inferiori delle tracce hanno condotto a convertitori A/D più veloci. I progressi fatti nello sviluppo dei circuiti hanno comportato sia risoluzioni che velocità superiori e nuovi dispositivi convertono a 200 megabit al secondo, a risoluzione di 16 bit.

Non c’è motivo di pensare che la loro velocità e precisione non continuerà ad aumentare, poiché le tecniche che migliorano sia l’una che l’altra sono in costante evoluzione. Queste tracce a larghezza inferiore rendono possibili alcune funzioni digitali che prima erano inattuabili nei circuiti integrati analogici. I controller di alimentatori con letture digitali della tensione, della corrente e dello stato vengono fabbricati sullo stesso chip che ospita le funzioni di alimentazione. Un vantaggio secondario di tali tracce ridotte consiste nell’inclusione di transistor DMOS nel processo digitale a dimensioni ridotte. Questi dispositivi DMOS possono gestire sia tensioni che correnti elevate e consentono l’integrazione completa di convertitori di alimentazione, regolatori a commutazione con circuiti di controllo e di potenza sullo stesso dispositivo. I progressi fatti nello sviluppo di circuiti basati sulla tecnologia bipolare si sono propagati nei circuiti integrati per RF, negli amplificatori e nei generatori di tensioni di riferimento. Questi miglioramenti sono dovuti a perfezionamenti e ottimizzazioni dei circuiti esistenti, anziché all’ingresso di soluzioni innovative correlate al processo. La notevole concorrenza esistente nel settore dei circuiti integrati analogici costringe tutti i produttori a impegnarsi duramente per migliorare i propri prodotti. Tuttavia, occorre tenere presente che poiché le prestazioni di un circuito integrato analogico sono basate su parametri reali, i circuiti integrati possono quasi raggiungere i limiti prestazionali teorici; ma quando si è prossimi al limite teorico, non sono possibili ulteriori miglioramenti. Ecco perché alcuni degli attuali circuiti integrati di maggior successo e più ampiamente utilizzati sono stati progettati oltre 20 anni fa e nel frattempo non sono cambiati.