Quando il troppo non stroppia: risparmia spazio prezioso usando più regolatori

Di Bill Schweber

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Il progetto di una rete di distribuzione dell'energia elettrica di un sistema o di una scheda, o di una struttura di alimentazione, spesso si alterna tra centralizzato e decentralizzato. Questa alternanza è spinta dai progressi compiuti dalla tecnologia e dai componenti, nonché dai requisiti di progettazione. In situazioni in cui il risparmio di spazio per altre funzioni è di primaria importanza, i progettisti possono ricorrere a piccoli convertitori c.c./c.c. che offrono altri vantaggi.

Ad esempio, offrono la flessibilità di riconsiderare la topologia della struttura di alimentazione, il suo impatto sul layout della scheda con meno vincoli, prestazioni migliori ed efficienza superiore, oltre ovviamente ai risparmi in termini di spazio complessivo.

Questo articolo prenderà in esame il ruolo dei convertitori c.c./c.c. ultracompatti prima di presentare alcuni dispositivi di esempio e come applicarli al meglio.

Perché passare a convertitori ultracompatti?

L'emergere di convertitori di potenza c.c./c.c. step-down (modalità buck) miniaturizzati rispecchia la tendenza ad abbandonare i convertitori di bus intermedi (IBC) più grandi per alimentare convertitori del punto di carico (PoL) relativamente grandi, che a loro volta alimentano un sottosistema relativamente grande composto da più circuiti integrati.

Ora i progettisti possono scegliere di usare convertitori fisicamente minuscoli e altamente distribuiti e posizionarli proprio accanto al loro carico, che può essere costituito anche da un singolo CI con i relativi componenti ausiliari.

Il motivo per usare questi convertitori c.c./c.c. altamente distribuiti è duplice. In primo luogo, è possibile implementare facilmente unità c.c./c.c. dalle prestazioni eccezionali grazie alla presenza di nuovi micro componenti, a frequenze di funzionamento superiori (nell'intervallo dei megahertz (MHz)), a tecniche di fabbricazione avanzate e a miglioramenti dei contenitori. In secondo luogo, fornire rail di alimentazione in questo modo porta anche molti vantaggi primari e secondari alla progettazione del circuito, al layout complessivo della scheda e al prodotto finale.

Inoltre, e anche se potrebbe sembrare vero il contrario, l'utilizzo di molti convertitori più piccoli può in realtà ridurre l'ingombro totale del sottosistema di alimentazione, risparmiare spazio su scheda e offrire l'opportunità di aggiungere caratteristiche e funzioni.

Uno sguardo alle specifiche

È interessante osservare le specifiche delle prestazioni e delle dimensioni associate a questi convertitori. Ad esempio, il modulo "nano" LMZ10501 di Texas Instruments è un convertitore c.c./c.c. step-down in grado di pilotare un carico fino a 1 A (Figura 1).

Schema del convertitore c.c./c.c. LMZ10501 di Texas Instruments

Figura 1: Il convertitore c.c./c.c. LMZ10501 di Texas Instruments può alimentare fino a 1 A con un'efficienza che può arrivare al 95%. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Anche se offre questa capacità nominale di uscita, rimane fedele alla sua designazione "nano", avendo un contenitore µSIP a 8 pin di 3,00 × 2,60 mm, compreso il suo induttore (Figura 2).

Immagine del regolatore c.c./c.c. LMZ10501 di Texas Instruments

Figura 2: Il regolatore c.c./c.c. LMZ10501 ha un contenitore µSIP di 3,00 × 2,60 mm, compreso il suo induttore. Nella figura, la vista della parte inferiore mostra i suoi contatti (a sinistra), mentre la parte superiore mette in primo piano l'induttore (a destra). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

LMZ10501 non è un dispositivo "minimalista" in quanto comprende una funzione di avvio graduale basata su un limite di corrente interno, oltre alla protezione contro i sovraccarichi di corrente e all'arresto termico. In una tipica applicazione con funzionamento base, richiede solo un condensatore di ingresso, un condensatore di uscita, un piccolo condensatore di filtraggio VCON e due resistori (Figura 3). L'induttore integrato ha una corrente nominale di 1,2 Ac.c., supportata da un profilo di saturazione "dolce" che arriva fino a 2 A.

Schema di LMZ10501 di Texas Instruments, che richiede solo tre piccoli condensatori e due resistori

Figura 3: LMZ10501 richiede solo tre piccoli condensatori e due resistori per funzionare. L'induttore relativamente grande è parte del CI stesso. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La scelta dei condensatori esterni richiede un'attenta valutazione. Per bilanciare in modo ottimale dimensioni, costi, affidabilità e prestazioni, entrambi i filtri di ingresso e di uscita dovrebbero essere componenti MLCC a bassa ESR. In genere, basta un solo condensatore da 10 μF (dimensioni 0603 o 0805) da 6,3 o 10 V per bypassare VIN; è anche possibile usare più condensatori da 4,7 μF o 2,2 μF.

Occorre però tenere presente che un condensatore con un valore troppo piccolo può portare a instabilità, a causa del minor margine di fase dell'anello. Per contro, se il condensatore di uscita è troppo grande, potrebbe impedire alla tensione di uscita di arrivare agli 0,375 V richiesti al termine della sequenza di avvio. L'uso di valori superiori a quelli consigliati non offre un vantaggio significativo.

Uno sguardo alle implicazioni delle dimensioni

Con un ingombro così piccolo, i progettisti possono cambiare "filosofia" e cercare nuovi modi per alimentare i vari circuiti integrati e altri componenti. Invece di un'alimentazione più grande posta a una certa distanza - ad esempio nell'angolo della scheda - questo μSIP consente di effettuare la regolazione dello stadio finale proprio accanto al carico. In più, i dispositivi sono completamente compatibili con macchine pick-and-place e stazioni di saldatura standard.

In che modo l'uso di un maggior numero di unità più piccole fa risparmiare spazio? Alcune spiegazioni sono ovvie, altre meno:

  • Riducono la necessità di condensatori bulk fisicamente più grandi e di alto valore sull'alimentazione a monte, poiché gran parte della regolazione ora viene eseguita localmente sul carico.
  • Consentono di personalizzare il rail (o i rail) c.c. finale in base alle specifiche del carico sull'unità di potenza c.c./c.c. o c.a./c.c. a monte.
  • Dato che questo rail c.c. si trova vicino al carico, servono meno condensatori di bypass piccoli sui rail. Di fatto, il convertitore c.c./c.c. ultracompatto sul carico eroga non solo la potenza richiesta, ma può anche ricoprire il ruolo di alcuni o di tutti i condensatori di bypass.
  • Migliore risposta ai transitori grazie al posizionamento vicino al carico.
  • I convertitori possono essere dimensionati uno ad uno per operare all'interno della loro finestra di carico/efficienza ottimale. L'efficienza complessiva migliora, la loro modesta dissipazione viene distribuita su un'area più ampia e può eliminare la necessità di una ventola o di un dissipatore di calore.
  • I dispositivi sono così sottili da poter essere messi sul fondo di una scheda anche quando si trova in un rack molto ravvicinato o in una custodia sottile. Questa migliore flessibilità del layout può portare a un progetto salvaspazio.
  • La diafonia e il rumore tra un CI "rumoroso" e circuiti integrati sensibili vengono notevolmente ridotti.
  • Sebbene questi convertitori non siano elettricamente isolati, se serve un convertitore isolato di piccole dimensioni è sufficiente selezionarlo della dimensione necessaria per la sua funzione.
  • Infine, riduce la necessità di tracce di circuiti stampati più larghe per ridurre la caduta IR e i disturbi parassiti sui rail c.c., che influiscono sulle prestazioni dei transitori sul lato del carico.

Tenere presente che questi minuscoli convertitori c.c./c.c. non sono limitati a carichi inferiori a 1 A. Ad esempio, il modulo di alimentazione MicroSiP™ TPS82130, anch'esso di Texas Instruments, fornisce una corrente di uscita di 3 A da un ingresso tra 3 e 17 V, integrando un convertitore step-down sincrono e un induttore, e fornisce una tensione di uscita regolabile tra 0,9 e 6 V (Figura 4).

Schema del modulo c.c./c.c. TPS82130 di Texas Instruments

Figura 4: Il modulo c.c./c.c. TPS82130 di Texas Instruments richiede solo pochi componenti passivi esterni e può fornire fino a 3 A tra 0,9 e 6 V (regolabile dall'utente) da un ingresso c.c. tra 3 e 17 V. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Non fatevi ingannare dalla designazione "modulo" perché questo dispositivo misura solo 3,0 × 2,8 × 1,5 mm. Uno sguardo alle curve di prestazione appropriate mostra che la sua efficienza elevata complessiva raggiunge il massimo a poco più di 1 A e rimane alta fino alla capacità nominale massima di 3 A (Figura 5).

Grafico dell'efficienza del modulo c.c./c.c. TPS82130

Figura 5: L'efficienza del modulo c.c./c.c. TPS82130 è di circa il 60% o più quando opera con carichi maggiori e picchi che superano 1 A. Questo consente di dimensionarlo perché si adatti in modo ottimale al carico. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Come risolvere i problemi della temporizzazione

Quando un sistema ha più rail, spesso nascono problemi di temporizzazione dell'accensione/spegnimento di uno rispetto all'altro. Esistono tre tipi fondamentali di temporizzazione: sequenziamento, raziometrico e simultaneo, con le relative varianti. Possono essere tutti implementati utilizzando il pin di abilitazione (EN) e il pin di avvio graduale/inseguimento (SS/TR) su TPS82130, oltre ad alcuni resistori e/o condensatori (per semplicità, verranno presunti solo due rail).

Nella temporizzazione sequenziale, il secondo dispositivo si accende solo dopo che il primo

ha raggiunto la regolazione (Figura 6).

Schema di più unità TPS82130 configurate per la temporizzazione sequenziale

Figura 6: È possibile configurare molteplici unità TPS82130 per la temporizzazione sequenziale in cui il regolatore di sinistra si attiva prima di quello di destra. Nota: anche se i CI nella figura sono etichettati TPS62130, TPS82130 ha delle specifiche migliori ma la stessa funzionalità e la stessa piedinatura. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Nella temporizzazione raziometrica, entrambe le tensioni si avviano nello stesso momento e raggiungono assieme la regolazione (Figura 7). Viene detta "raziometrica" perché le due tensioni sono in genere diverse e hanno pendenze dV/dt diverse, ma sono legate da un fattore costante.

Schema della configurazione per la temporizzazione raziometrica: l'aumento della seconda tensione inizia e termina contemporaneamente alla prima

Figura 7: Nella configurazione per la temporizzazione raziometrica (a sinistra), l'aumento della seconda tensione inizia e termina contemporaneamente alla prima (a destra), con un rapporto fisso tra di esse. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Infine, nell'avvio simultaneo, le pendenze di entrambe le tensioni di uscita sono identiche, per cui le tensioni raggiungono la regolazione in momenti diversi (Figura 8).

Grafico della modalità simultanea, in cui entrambe le tensioni iniziano a salire contemporaneamente

Figura 8: Nella modalità simultanea entrambe le tensioni iniziano a salire contemporaneamente, ma raggiungono la regolazione in momenti diversi. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre che col sequenziamento dell'avvio, potrebbero esserci problemi con l'avvio graduale (la velocità con cui la tensione sale all'accensione) e il relativo inseguimento delle tensioni effettive dei rail l'una rispetto all'altra. TPS82130 ovvia anche a questo problema, utilizzando la sua connessione SS/TR.

Che fare di questo spazio appena liberato?

Esistono molte possibilità per usare questo spazio che si è reso disponibile, ma una scelta ottimale è vincolata alle priorità dell'applicazione. Per molti progetti, il primo fattore da considerare è il miglioramento della robustezza elettrica e meccanica, aree che sono spesso trascurate quando lo spazio è stretto.

Si potrebbero ad esempio aggiungere morsetti di alimentazione elettrica e crowbar, soppressori di tensioni transitorie e protezione da polarità inversa sulle linee di I/O sempre vulnerabili. Dal punto di vista meccanico, si potrebbe fare buon uso dello spazio aggiungendo supporti per schede e viti di fissaggio supplementari, fermi, morsetti per batteria o altri miglioramenti strutturali.

È arrivato ora il momento di pensare ad aggiungere altre funzionalità o capacità che potrebbero rivelarsi utili. Forse ora c'è spazio per una batteria leggermente più grande, o per un CI più grande del display e del driver, per aggiungere altri LED indicatori o pulsanti utente. Forse ora è possibile inserire una memoria più capiente, anche se ha un contenitore più grande. Il poco spazio eventualmente recuperato utilizzando questi minuscoli convertitori c.c./c.c. locali può bastare, tanto più che il layout della scheda ora è più flessibile.

Conclusione

A volte, meno può significare molto, inaspettatamente. La disponibilità di convertitori buck c.c./c.c. ultra-miniaturizzati consente di posizionare la regolazione molto vicino al carico, con un effetto a catena sulle prestazioni elettriche, sul layout della scheda, sulle dimensioni e sul tipo di unità di alimentazione a monte e sulla mappa termica.

L'uso di convertitori ultra-miniaturizzati consente anche di liberare spazio su scheda all'interno dell'involucro fisso del progetto, aprendo la strada ad altri miglioramenti elettrici e meccanici e quindi all'aggiunta di nuove funzioni.

Riferimento

  1. Texas Instruments, SLVA470A, "Sequenziamento e inseguimento con le famiglie TPS621 e TPS821"

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Informazioni su questo autore

Bill Schweber

Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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