Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (approfondimenti, news, progetti, tutorial a puntate) 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. In questo articolo faremo una introduzione alle caratteristiche principali della suite WEBENCH Designer Center di TI.
Introduzione
Nella maggior parte delle moderne applicazioni, il progetto dei circuiti di alimentazione è diventato un aspetto di importanza fondamentale. Da una parte, infatti, i dispositivi microelettronici di ultima generazione richiedono tensioni diverse e spesso impongono requisiti stringenti sui profili di alimentazione; dall’altro, vi è una crescente attenzione alle applicazioni green che impongono l’adozione di soluzioni a risparmio energetico. Tutti i vendor di componenti per circuiti di alimentazione dispongono a catalogo di lunghe liste di componenti dalle diverse caratteristiche per soddisfare le più diverse esigenze. Il più delle volte, orientarsi in questa "giungla" non è facile per un progettista. Per questo sono spesso disponibili tool che supportano nella selezione del componente più adatto alla propria applicazione e nel progetto del circuito di alimentazione basato su questo. Tra tali tool, una delle raccolte più interessanti e complete oggi disponibili è certamente l’insieme di soluzioni presenti all’interno della suite WEBENCH Designer Center di Texas Instruments (Figura 1).
Figura 1: WEBENCH Designer Center, un eLab per la progettazione analogica
L'intera suite si articola in due diverse famiglie di soluzioni: WEBENCH Designer Tool e WEBENCH Architect Tool (che comprendono, come vedremo più avanti, anche tool per il progetto di circuiti a LED, front-end analogici, PLL, etc.). All’interno della prima serie, WEBENCH Designer Tool, sono presenti tool con caratteristiche entry-level, orientati prevalentemente ai circuiti di alimentazione singoli; in WEBENCH Architect Tool si trovano invece soluzioni per applicazioni avanzate, che trovano impiego nel progetto di convertitori DC/DC ad elevata efficienza e con uscite multiple. Tutti i tool della serie WEBENCH, disponibili gratuitamente direttamente dal sito web di TI, si basano sulla interfaccia grafica WEBENCH Visualizer (Figura 2).
Figura 2: La GUI web WEBENCH Analyzer
Attraverso una GUI di utilizzo semplice ed immediato è possibile inserire i parametri di specifica del proprio circuito (principalmente tensione di ingresso, tensione di uscita e corrente di uscita) ed i criteri di guida del progetto (privilegiando ad esempio l’efficienza del convertitore piuttosto che le ridotte dimensioni del circuito o il minore numero di parti utilizzate). Vengono evidenziate quindi le diverse soluzioni possibili in accordo a tali specifiche ricercando tra oltre 23 differenti topologie circuitali ed una libreria di oltre 21 mila componenti. Le diverse soluzioni sono confrontate in una tabella in maniera parametrica e graficamente in un grafico X-Y che riporta l’efficienza di conversione in funzione dell’occupazione di spazio; è possibile applicare dei filtri per estrapolare le soluzioni di proprio interesse sulla base di criteri specifici. Il tool WEBENCH Visualizer evidenzia in ogni caso la soluzione suggerita da TI in base all'esperienza del costruttore.
SOLUZIONI ENTRY-LEVEL…
Come anticipato, WEBENCH Designer Center è la serie di tool di tipo entry-level della suite WEBENCH di TI. WEBENCH Power Designer, in particolare, è la soluzione base per il progetto di convertitori DC/DC con singola uscita. Il tool supporta il dimensionato, in base ai requisiti imposti, di circuiti con topologia buck (step-down), boost (step-up), flyback, inverting o SEPIC (buck/boost) e controllati nelle modalità voltage mode, current mode, emulated current mode o isteretico. Sono supportati circuiti basati su componenti integrati o che impieghino MOSFET esterni; in questo caso il tool aiuta anche nella selezione dello stesso transistor esterno pescando, come in generale per tutti i componenti discreti passivi necessari al corretto funzionamento del regolatore, in un database interno che raccoglie oltre 110 produttori diversi. WEBENCH Power Designer è inoltre in grado di simulare, sulla base di modelli SPICE, il circuito progettato fornendo le specifiche per quanto concerne la risposta a transienti o l’andamento delle tensioni in fase di startup o lo stesso diagramma di Bode.
E’ possibile esaminare i valori di corrente e tensione in punti specifici del circuito e modificare in tempo reale i valori dei componenti discreti per capire come cambiano di conseguenza le caratteristiche del regolatore. Il comportamento del circuito dal punto di vista termico può invece essere studiato mediante il tool WebTHERM; è possibile definire i parametri ambientali, come la temperatura di funzionamento, il flusso d’aria presente, le eventuali caratteristiche di un heat sink montato a bordo scheda per ottenere una mappa della temperatura del circuito stampato che aiuti ad evidenziare eventuali hot spot critici. Una volta completato il progetto del proprio circuito di alimentazione è possibile esportare tutte le informazioni relative (schema elettrico, bill-of-materials, specifiche, etc.) mediante WEBENCH Build-it così da utilizzarle per la fase di documentazione, acquisto materiali ed assemblaggio della scheda. Con WEBENCH Power Designer si è così in grado di coprire tutte le fasi di progetto del proprio circuito (Figura 3).
Figura 3: Con WEBENCH Designer il progettista è seguito in tutte le fasi di sviluppo del proprio circuito
… E AVANZATE
Per applicazioni avanzate che richiedano circuiti di regolazione con uscite multiple sono disponibili i tool della serie WEBENCH Power Architect. WEBENCH System Power Architect è il tool per applicazioni generiche mentre WEBENCH Processor Power Architect e WEBENCH FPGA Power Architect sono espressamente pensati per l’alimentazione di processori ed FPGA di nuova generazione. Come nel caso precedente, sono supportate tutte le principali topologie di circuiti di regolazione switching, con la possibilità di definirne mediante interfaccia grafica le caratteristiche principali, in termini di numero di uscite richieste, relativi valori di tensione e corrente, eventuali specifiche di sequencing al power-up. I tool coprono il progetto dell’intera catena di condizionamento e conversione della potenza dall’ingresso primario ai diversi circuiti Point-of-Load presenti a bordo scheda. Come in precedenza, sono incluse funzionalità per la caratterizzazione in simulazione del circuito progettato e la generazione della relativa documentazione di produzione e montaggio. WEBENCH Processor Power Architect supporta i principali processori e microcontrollori della stessa TI (come la serie Sitara di dispositivi ARM, la famiglia DaVinci di digital media processor o i processori OMAP per applicazioni mobile) e di terze parti (come Atmel e Freescale). WEBENCH FPGA Power Architect supporta analogamente FPGA di Actel, Altera, Lattice e Xilinx incorporando già i requisiti essenziali di alimentazione di tutte le nuove famiglie di dispositivi, incluse anche le caratteristiche per i transceiver seriali high-speed, ove presenti (e per i quali le richieste in termini di ripple, rumore o isolamento sono spesso piuttosto stringenti).
NON SOLO PROGETTAZIONI DI POTENZA…
Sebbene ci siamo soffermati in precedenza sulle soluzioni di progetto per circuiti di alimentazione, la suite WEBENCH Designer di TI non si limita a fornire strumenti solo per questo ma include anche tool per scopi diversi. WEBENCH LED Designer (Figura 4), ad esempio, è il tool che supporta nel progetto dei circuiti a LED, gestendo configurazioni con fino a 300 dispositivi in stringhe seriali o parallele, consentendo di selezionare (ad esempio in base alla luminosità richiesta, ai parametri di efficienza e/o i requisiti in termini di occupazione di spazio) il dispositivo più adatto alla propria applicazione tra quelli presenti all’interno della famiglia di LED PowerWide di TI (con il relativo heat-sink) e generando lo schema del circuito di alimentazione per il sistema configurato. WEBENCH Sensor Designer e WEBENCH Sensor AFE Designer sono invece le soluzioni di supporto al progetto di circuiti per sensori e trasduttori e i relativi front-end analogici di condizionamento ed acquisizione.
Sono supportati modelli per i componenti di tutti i principali vendor oggi sul mercato (come Omega Engineering, Honeywell Sensing & Control, Tempco Electric Heater, All Sensors e simili) ma è anche possibile specificare le caratteristiche di un sensore custom. WEBENCH Sensor Designer offre una soluzione completa per l’intera catena di acquisizione sensor-to-digital, includendo il progetto sia del circuito di interfaccia verso il sensore (con l’amplificatore di precisione di ingresso e la sorgente di eccitazione) che del successivo filtro analogico e la selezione del convertitore ADC (supportando modelli con risoluzione fino a 16 bit). WEBENCH Active Filter Designer, WEBENCH Amplifier Designer e WEBENCH EasyPLL Designer Tool, sono invece i tool di supporto al progetto di filtri attivi, amplificatori e circuiti PLL. Una serie piuttosto estesa di reference design per (virtualmente) ogni tipo di applicazione è infine inclusa nella libreria Power Lab Power Management Reference Design Library che rende disponibili schemi circuitali, bill-of-materials, test report e gerber file per diversi progetti. Una semplice interfaccia web permette di ricercare tra i progetti presentati quello più vicino alle proprie necessità selezionando, al solito, le caratteristiche principali in termini di tensioni di ingresso/uscita, tipo di ingresso (AC o DC), tipo di applicazione.
Figura 4: WEBENCH Designer LED, un valido aiuto nel progetto di circuiti a LED
