Controllori SR (Synchronous Rectifier) più integrati ed efficienti per affrontare le problematiche di USB PD

Sembra ormai vicino il momento dell'affermazione di USB come interfaccia veramente universale: essa è in grado di fornire potenza e dati attraverso lo stesso cavo in modalità tali da rendere praticamente inutili tutte le altre forme di interconnessione fisica tra i dispositivi consumer perlomeno dal punto di vista tecnico, se non da quello commerciale. Le specifiche per USB 3.x sono forse le più ambiziose rispetto a quelle di qualunque altro standard che lo ha preceduto e da qui scaturiscono alcune problematiche. Nel caso specifico sono di due tipi: mantenere l'integrità del segnale in presenza di elevate velocità di trasferimento dati (fino a 40 GB/s) ed erogare più potenza (fino a 100 W) mettendo nel contempo a disposizione di due dispositivi connessi la possibilità di negoziare l'erogazione e l'assorbimento di tale potenza.

A tali problematiche si aggiunge il fatto che il connettore Type-C è universale, ovvero può essere inserito in entrambi i versi senza problemi. Ciò genererà la richiesta di nuove soluzioni in grado di fornire la potenza in modo flessibile, linee di trasmissione dati ad alta velocità e protezione contro le scariche elettrostatiche (ESD), re-driver (in pratica ripetitori di segnale) ad alta velocità e controllori che supportano l'erogazione di potenza e le velocità previste da USB 3.1 Gen1/2. Molti di questi dispositivi possono essere inseriti nei cavi per creare i cosiddetti cavi attivi (active cable), per cui i produttori dovranno anche accedere a soluzioni ospitate in package di dimensioni inferiori al mm con capacità estremamente basse (inferiori a 1 pF) come quelle ora disponibili presso ON Semiconductor.

Dati a parte, la potenza assumerà un ruolo di primo piano nel panorama del connettore Type-C in quanto è prevista la possibilità che due dispositivi possano decidere chi tra di loro fornirà potenza all'altro e il livello di potenza da erogare. L'esempio più ricorrente è quello di telefono mobile completamente carico che fornisce potenza a un laptop con batteria scarica, consentendo nel contempo a quest'ultimo di vedere il telefono mobile come dispositivo di memorizzazione di massa. Nel breve periodo ci si aspetta che gli adattatori per laptop di fascia alta prodotti nell'arco dei prossimi due anni saranno in grado di adattare la loro uscita in funzione della richiesta del dispositivo utilizzando la funzionalità PD (Polwer Delivery) prevista dalla specifica USB 3.1.

Aumentare l'efficienza

Un elemento chiave di un adattatore di potenza che supporta la funzionalità PD sarà la capacità di variare la sua uscita poiché la specifica prevede la possibilità di erogare una potenza fino a 100 W (5 V a 20 A) attraverso il cavo. Tuttavia, poiché non si tratta di un'uscita fissa, l'adattatore dovrà implementare un nuovo tipo di conversione e regolazione della potenza, caratterizzato da un livello di efficienza estremamente elevato negli stadi di regolazione del primario e del secondario. Per cercare di migliorare l'efficienza complessiva dei convertitori di potenza, il mondo industriale ha adottato in generale una topologia di rettificazione di tipo sincrono per la regolazione del secondario. In pratica, ciò prevede la sostituzione del diodo (che agisce alla stregua di un commutatore a stato solido, come riportato in figura 1) con un transistor FET molto più efficiente (anch'esso operante come un commutatore a stato solido, come visibile in figura 2), per rettificare la tensione AC proveniente dal secondario del trasformatore di potenza utilizzato dalla topologia flyback in una tensione DC stabile al terminale d'uscita dell'adattatore.

Fig. 1 – Schema di un adattatore di potenza con tensione di uscita fissa basato su un trasformatore per flyback che utilizza la rettificazione tramite diodo

Fig. 2 – Schema di un adattatore di potenza per USB PD con rettificazione sincrona implementata tramite un transistor FET come commutatore di uscita

In presenza di tensioni di uscita ridotte, la caduta di tensione ai capi del diodo ha un impatto significativo sull'efficienza complessiva e l'utilizzo di un diodo Schottky permette di ridurre questa caduta da circa 0,7 a 0,3 V: sostituendo il diodo con un FET caratterizzato da un basso valore di resistenza di conduzione è possibile incrementare ulteriormente l'efficienza, a fronte di un aumento della complessità del circuito. Per cercare di ovviare a questo problema, i produttori di semiconduttori di potenza rendono ora disponibili controllori per la rettificazione sincrona (Synchronous Rectifier Controller) che pilotano il FET, innescandolo (turn on) e disinnescandolo (turn off) al momento opportuno. Il controllore introdurrà inevitabilmente qualche ritardo mentre la situazione ideale sarebbe quella di avere un ritardo nullo. Sebbene per ragioni di natura prettamente fisica non sia possibile conseguire un tale risultato, i produttori si sono posti l'obiettivo di ridurre al minimo i ritardi in fase di innesco/disinnesco. Il ritardo in fase di disinnesco è particolarmente critico in un convertitore basata su flyback progettato per operare in modalità di conduzione continua (CCM - Continuous Conduction Mode), come nel caso degli adattatori di potenza per USB PD.

Ciò è dovuto al fatto che in modalità CCM la corrente che fluisce attraverso il secondario del trasformatore non raggiunge mai lo zero prima dell'innesco del FET del primario: un ritardo del disinnesco del FET del secondario potrebbe provocare un fenomeno di shoot-through, in pratica un corto circuito tra primario e secondario, esponendo in tal modo i componenti di potenza a correnti di elevata intensità potenzialmente pericolose. Nel tentativo di incrementare ulteriormente l'efficienza, i progettisti hanno iniziato a utilizzare i transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) realizzati utilizzando il nitruro di gallio (GaN), componenti in grado di commutare più velocemente rispetto ai MOSFET. Poiché i requisiti di pilotaggio di questi transistor HEMT sono differenti da quelli dei MOSFET, i controllori SR devono essere in grado di supportare anche questi requisiti.

Soluzioni integrate

Oltre a progettare un controllore in grado di commutare velocemente, un mezzo efficace per minimizare i ritardi di commutazione prevede il ricorso a metodologie in grado di rilevare la caduta di tensione ai capi del transistor, obiettivo che può essere conseguito utilizzando componenti esterni aggiuntivi (che comunque possono introdurre ritardi a causa delle resistenze e delle capacità dei componenti stessi) oppure il rilevamento diretto (DS – Direct Sensing), grazie al quale il controllore può monitorare direttamente la corrente di carico in funzione della caduta di tensione ai capi del transistor. Per implementare il rilevamento diretto, il controllore deve essere progettato in modo tale da resistere alle tensioni di valore elevato che possono presentarsi ai capi del transistor.

Nella scelta di un controllore SR è necessario prendere in considerazione un terzo elemento che è il ritardo in fase di innesco. Nel momento in cui il carico richiede una potenza maggiore il controllore del primario esaudirà questa richiesta ma anche il secondario è tenuto a soddisfarla innescando il transistor il più velocemente possibile al fine di evitare che la corrente fluisca nel diodo intrinseco (body diode) del transistor piuttosto che nel suo canale. Poiché i produttori devono realizzare adattatori di potenza conformi alle specifiche previste dalla modalità PD del connettore Type C che supporta un'interfaccia USB 3.x, è ora necessario soddisfare i requisiti sopra delineati con una soluzione singola integrata. Un esempio è rappresentato dal dispositivo NCP4306 di ON Semiconductor. Questo controllore SR per alimentatori a commutazione a elevata efficienza è caratterizzato da ritardi in fase di innesco e disinnesco pari a soli 30 ns e 13 ns rispettivamente. Nella medesima famiglia di controllori SR sono previste versioni capaci di pilotare direttamente transistor MOSFET o HEMT in GaN, in modo da consentire l'utilizzo, in fase di progetto, di transistor GaN ad arricchimento per realizzare adattatori USB PD ad altissima densità ed elevate prestazioni basati su una topologia flyback QR (Quasi Risonante) ad alta frequenza o una più avanzata topologia ACF (Active Clamp Flyback) che opera a frequenza fino a 1 MHz.

La serie NCP4306 è in grado di supportare queste topologie grazie a caratteristiche quali capacità di pilotare transistor GaN, ridotti tempi di innesco e capacità di resistere a tensioni DS fino a 200 V. La figura 3 mostra l'impiego di NCP4306 in una tipica applicazione. Le altre specifiche, come ad esempio la corrente di pilotaggio di 2 A e la capacità di assorbire (sink ) una corrente di 7 A, non solo fanno di NCP4306 un punto di riferimento nella sua categoria, ma gli permettono anche di supportare le future evoluzioni nel campo delle tecnologie dei transistor.

Fig. 3 – Una tipica applicazione di NCP4306, un controllore SR ad alto grado di integrazione in grado di fornire le prestazioni necessarie per ottimizzare l'efficienza degli adattatori di potenza

Considerazioni conclusive

Portabilità e condivisione della potenza sono due elementi che confluiscono nella più recente versione dei connettori USB, grazie ai quali sarà possibile collegare e alimentare i dispositivi portatili secondo modalità più semplici e innovative. Gli adattatori di potenza rivestono un ruolo importante in questo scenario emergente che richiederà dispostivi più efficienti e contraddistinti da un elevato livello di integrazione progettati per soddisfare le esigenze delle funzionalità di Power Delivery.

Pubblica i tuoi commenti