Considerazioni sui moduli punto di carico

L'inesauribile creatività dell'arte del marketing è uno strumento potente che aiuta le società a mettere in luce i propri punti di differenziazione e i vantaggi rispetto ai concorrenti. La domanda è, questi presunti vantaggi fanno una qualche differenza in una specifica applicazione? È veramente importante che il prodotto di interesse sia più piccolo, più veloce e più robusto? Come accade nella maggior parte dei casi nella vita, si scopre che la risposta è "dipende".

Questo articolo tenterà di guardare oltre le tipiche specifiche di marketing per capire veramente alcune delle differenze chiave nelle prestazioni dei convertitori c.c./c.c. punto di carico (PoL) e la loro relazione con il vostro specifico progetto di sistema. Esamineremo precisamente l'efficienza, la capacità elettrica di uscita, gli schemi di compensazione e i requisiti di raffreddamento.

Efficienza di picco rispetto all'efficienza in condizioni di carico del mondo reale

L'efficienza dei convertitori di potenza in genere è denotata dalla lettera greca minuscola eta (η) e viene espressa come rapporto della potenza erogata all'uscita rispetto alla potenza consumata dall'ingresso (η = Pout/Pin). Il rapporto ideale, o efficienza, di qualsiasi convertitore è 1. Questo indica che il 100% della potenza che entra nel convertitore viene erogato al carico con perdita zero. Nelle applicazioni del mondo reale, tuttavia, vi sarà sempre una qualche perdita/inefficienza associata alla conversione dell'energia da una forma all'altra e questo ridurrà η da 1 a un valore un po' più basso.

Sapendo che 100% è l'efficienza ideale, i team del marketing spesso reclamizzano la loro efficienza di conversione massima raggiungibile nel tentativo di distinguersi come i "migliori" per la vostra applicazione. Spesso questa viene detta "efficienza di picco". La sfida è che l'efficienza non è solo un numero, quanto una funzione a più variabili che viene tipicamente espressa come funzione dipendente dalla corrente di uscita/potenza erogata al carico. Per illustrare come l'efficienza sia influenzata dal carico di uscita, sotto è riportato un esempio ipotetico di una curva di efficienza del punto di carico:

Figura 1: Rappresentazione di una tipica curva di efficienza.

In questo esempio ipotetico, il picco della curva di efficienza si ha quando il carico di uscita è al 50% del pieno carico. A carichi elevati l'efficienza è molto più bassa e a carichi oltre il picco l'efficienza diminuisce gradualmente. È importante capire queste curve quando si progetta un sistema di distribuzione dell'energia perché il funzionamento a qualsiasi carico al di sopra o al di sotto del punto dell'efficienza di picco risulterà in uno spreco di potenza e in un surriscaldamento indesiderato del sistema. Segue una figura in cui viene mostrato che sebbene il PoL B abbia l'efficienza di picco maggiore, il PoL A è la scelta preferita per questa applicazione (in termini di efficienza) in funzione della quantità di potenza richiesta dal carico.

Figura 2: Confronto delle curve di efficienza e delle condizioni di carico dell'applicazione.

Capacità elettrica di uscita richiesta per ottenere le prestazioni di ripple/transitori desiderate

Un'altra metrica interessante nel caso dei convertitori PoL è la quantità di capacità elettrica aggiunta a livello di sistema richiesta per ottenere le prestazioni di ripple e transitori desiderate. I dettagli in merito alla teoria della quantità del condensatore esterno e del tipo esulano dall'ambito di questo articolo, ma va notato che non tutti i moduli PoL sono proprio uguali, in termini di prestazioni, anche se le schede tecniche presentano numeri simili. Superficialmente potrebbe sembrare che PoL diversi abbiano prestazioni di ripple e transitori simili, ma se si scava più a fondo nelle condizioni di test spesso si vedono enormi differenze che possono incidere sui costi complessivi e sulle dimensioni della soluzione di distribuzione dell'energia.

Di seguito viene presentato un confronto di due moduli PoL in concorrenza fra loro. Dal numero elevato di specifiche elencate nelle schede tecniche fornite dal marketing, queste due soluzioni potenziali sembrano in buona misura identiche in termini di ripple e rumore.

Figura 3: Confronto della capacità elettrica di uscita tra due PoL.

Tuttavia, quando si analizzano i caratteri stampati in piccolo si vede che uno dei moduli (PoL B) richiede il 300% in più di capacità elettrica esterna per ottenere le stesse caratteristiche di scostamento della tensione rispetto all'altro. Questo comporta costi molto più alti e uno spazio su scheda sottoutilizzato.

Fortunatamente, i moduli PoL più avanzati ora offrono implementazioni interamente digitali, che permettono notevoli miglioramenti rispetto ai moduli analogici tradizionali in termini di prestazioni di ripple/transitori rispetto alle dimensioni della soluzione complessiva.

La serie NDM3Z-90 di CUI è un esempio eccellente di questo tipo di soluzione, poiché fornisce fino a 90 A di corrente al carico con prestazioni ottime di ripple/transitori, spesso con una riduzione significativa della capacità elettrica di uscita.

Figura 4: Famiglia di PoL digitali NDM3Z-90 di CUI.

Schemi di compensazione

Un modulo punto di carico fornisce un'uscita stabile e regolata nel tentativo di produrre un rail a tensione pulita per il suo carico. Questo implica che il PoL contenga intrinsecamente un anello di retroazione negativo così che ogni volta che si verifica uno scostamento dall'uscita ideale, la rete di retroazione del PoL compensi e tenti di riportare l'uscita entro la regolazione ideale.

Sul mercato sono disponibili numerosi schemi di compensazioni in diverse varianti, ma qui di seguito prenderemo in esame i punti di forza e di debolezza di alto livello riguardanti quelli analogici e digitali comuni.

Compensazione analogica: in una rete di compensazione analogica, l'uscita del modulo viene rilevata, filtrata e confrontata con una tensione di riferimento per generare un segnale di errore. Questo segnale di errore viene usato per compensare l'uscita e correggere qualsiasi scostamento che potrebbe essersi verificato.

Figura 5: Schema di un tipico regolatore di tensione di commutazione analogica.

Gli schemi di compensazione analogica hanno il vantaggio di esistere da lungo tempo e di poter essere implementati utilizzando componenti standard di serie. Lo svantaggio di questi schemi analogici è che la "messa a punto dell'anello" affiché sia stabile in qualsiasi condizione operativa può essere abbastanza impegnativa, se al contempo si deve mantenere una larghezza di banda ampia per una risposta rapida ai transitori. La cosa richiede in genere diverse ore di saldatura in laboratorio, test, risaldatura, nuovi test, ecc. Gli schemi di compensazione analogica sono suscettibili anche a raccogliere il rumore esterno, che potrebbe essere inavvertitamente accoppiato all'uscita.

Sebbene lo schema di compensazione analogica e le sue numerose varianti siano da tempo lo standard, ne esistono di nuovi digitali che sono stati sviluppati nell'ultimo decennio circa e che offrono alcuni vantaggi importanti.

Compensazione digitale: in modo simile agli schemi analogici, un'implementazione compensata digitalmente rileva l'uscita, la filtra, la confronta con un riferimento, genera un errore e, alla fine, compensa l'uscita per correggere qualsiasi scostamento che potrebbe essersi verificato.

Figura 6: Schema di un tipico regolatore di tensione di commutazione digitale.

La differenza principale è il fatto che tutto questo avviene digitalmente con numeri 1 e 0. Il "rilevamento" dell'uscita viene fatto con un convertitore A/D, dopo di che tutti i confronti, la generazione di errori e la compensazione vengono fatti digitalmente all'interno di un circuito integrato (CI). Il funzionamento in modo digitale permette anche un significativo miglioramento nella reiezione del rumore, il che aiuta a impedire che fonti esterne di rumore vengano inavvertitamente accoppiate all'uscita.

L'utilizzo di uno schema di compensazione digitale fa sì che non si debbano più spendere ore in laboratorio a saldare i vari componenti per regolare l'anello di retroazione. Si può invece semplicemente modificare alcuni parametri digitali nel CI e cambiare il comportamento del PoL per soddisfare le esigenze dell'applicazione. I PoL digitali più avanzati presenti oggi sul mercato compiono un ulteriore importante passo in avanti per offrire progetti "senza compensazione". In questi progetti il PoL effettua autonomamente tutte le misurazioni e le regolazioni necessarie su sistema per fornire in modo continuo un rail a tensione di uscita stabile e a rapida reazione.

Requisiti di raffreddamento

Uno dei fattori più limitanti dei moduli punto di carico è la dissipazione di calore. Le inefficienze nel disegno del modulo portano allo sviluppo di un indesiderato calore interno che fa sì che i componenti critici (ad es. FET, induttori, condensatori, ecc.) si avvicinino alla loro temperatura di funzionamento nominale massima. Il funzionamento a questi limiti termici o oltre può ridurre l'affidabilità e portare al guasto dell'hardware.

Per contrastare i dannosi effetti della generazione interna di calore, i fornitori di PoL spesso consigliano una quantità minima di flusso d'aria per allontanare il calore dal modulo. Questo impedisce al calore di accumularsi all'interno dei componenti e alle temperature di oltrepassare i limiti nominali. L'uso del flusso d'aria per rimuovere il calore dal modulo spesso può aumentare la potenza erogabile al carico e migliorare anche l'intervallo della temperatura di funzionamento dell'ambiente. Sotto è riportata un'illustrazione che mostra l'abilità di un modulo PoL di operare in ambienti con flussi d'aria diversi che vanno dalla convezione naturale (aria ferma) a 3 m/s:

Figura 7: Rappresentazione di una tipica curva di riduzione delle prestazioni in condizioni di flusso d'aria diverse.

Vediamo che in condizioni di convezione naturale (aria ferma) (denotate dalla linea continua più in basso nella Figura 7), il modulo può erogare 43 A al carico fino a 60 °C. Aggiungendo solo 2 m/s di flusso d'aria si aumenta sia la capacità di corrente che l'intervallo della temperatura di funzionamento dell'ambiente fino a 50 A a 64 °C ambiente (denotati dalla linea composta da punti e trattini nella Figura 7). Tuttavia, il raffreddamento ad aria forzata ha un rovescio della medaglia: consuma corrente, il che può annullare parte dei guadagni di efficienza e generare livelli di rumore inaccettabili. I progettisti devono soppesare attentamente i requisiti termici del modulo di potenza con le capacità di raffreddamento del proprio sistema, quando scelgono un PoL.

Conclusione

Ogni applicazione è diversa e dà la priorità a metriche prestazionali diverse. Per alcune, una risposta rapida ai transitori potrebbe essere la considerazione più importante. Altre potrebbero richiedere dimensioni piccolissime, la massima efficienza o l'intervallo di temperatura di funzionamento più ampio. Non esiste un PoL in grado di soddisfare tutti questi requisiti per ogni applicazione, a prescindere da ciò che può vantare il marketing. È fondamentale capire per prima cosa le esigenze dell'applicazione nelle sue specifiche condizioni operative. Solo a quel punto si può procedere a un confronto e scegliere il PoL più idoneo per il proprio progetto.