Convertitori buck sincroni multicanale per l’auto

LT8602

Poiché nelle auto continua a crescere la densità di sistemi elettronici studiati per migliorare la sicurezza, il comfort, l’efficienza e le prestazioni, non sorprende che siano necessarie soluzioni di conversione della potenza di dimensioni inferiori e con prestazioni superiori. Queste nuove soluzioni multicanale di gestione della potenza devono fornire sino a quattro linee di tensione di alimentazione indipendenti, delle quali normalmente tre – Vcore, VI/O e Vmem – sono necessarie per i microprocessori, mentre in generale una quarta tensione di 5V serve ad alimentare un transceiver Can. Uno studio condotto da Strategy Analytics prevede che la richiesta di dispositivi a semiconduttori adatti crescerà a un tasso annuo medio composto del 5% nei prossimi sette anni e il valore totale del mercato sarà di oltre 41 miliardi di dollari entro il 2021 rispetto a 30 miliardi nel 2014”. Lo studio afferma pure che la richiesta di microcontrollori e dispositivi a semiconduttori di alimentazione sarà alla base di oltre il 40% delle entrate.
Le previsioni di Strategy Analytics sull’aumento della percentuale di sistemi elettronici presenti nelle auto sono in larga parte espresse in forma quantitativa, ma più interessante è il ruolo prevalente svolto dai nuovi circuiti integrati di alimentazione in questa crescita, che devono fornire:


  • più linee di tensione tramite un solo circuito integrato di gestione della potenza;
  • prestazioni elevate in un ampio intervallo di tensioni, da meno di 4 V in condizioni di avviamento a freddo o di avvio-arresto a oltre 36 V in condizioni di disinserimento transitorio del carico;
  • uscite da 5 V sino a valori molto bassi, minori di 1 V;
  • livello ultrabasso delle emissioni dovute a interferenza elettromagnetica;
  • la massima efficienza possibile, per ridurre al minimo i problemi di natura termica e ottimizzare l’autonomia della batteria;
  • corrente a riposo ultrabassa (<10 µA per canale) per rendere possibili sistemi “always-On” – come sistemi di sicurezza, di controllo ambientale e di infotainment – che devono rimanere inseriti senza scaricare la batteria del veicolo quando il motore (l’alternatore) non è in funzione;
  • il minimo ingombro possibile, il che spesso richiede più linee di tensione per ridurre al minimo lo spazio necessario per i circuiti di conversione della potenza;
  • frequenze di commutazione pari ad almeno 2 MHz per prevenire il rumore di commutazione nella banda radio Am e mantenere le dimensioni della soluzione molto piccole.

L’obiettivo nell’ottenere livelli prestazionali superiori dei circuiti integrati di alimentazione è quello di consentire la progettazione di un numero sempre maggiore di sistemi elettronici, sempre più complessi, presenti nelle auto. Specifiche applicazioni che stanno dando impulso a questa crescita sono individuabili in ogni parte del veicolo. Per esempio, nuovi sistemi di sicurezza: monitoraggio della corsia, controllo di sicurezza adattativo, funzionamento automatico degli indicatori di svolta e dell’attenuazione della luminosità dei fari; i sistemi di infotainment, che continuano a evolversi e riuniscono ancora più funzionalità in uno spazio già ridotto, devono supportare un numero sempre crescente di applicazioni basate sul cloud; sistemi avanzati di gestione del motore, con l’implementazione di circuiti di avvio/arresto, circuiti di controllo del motore e trasmissioni che impiegano circuiti elettronici, oltre a sistemi di gestione del telaio e della catena cinematica pensati per migliorare simultaneamente le prestazioni, la sicurezza e il comfort. Alcuni anni fa, questi sistemi erano presenti solo in auto di lusso, ma adesso sono usuali nei modelli di qualsiasi produttore, accelerando ulteriormente la crescita dei circuiti integrati di alimentazione nel settore automotive.

Circuiti di conversione della potenza più compatti
Esistono vari modi per ridurre le dimensioni dei circuiti di conversione della potenza. In genere, i componenti più grandi del circuito non sono rappresentati dal circuito integrato di alimentazione, ma dagli induttori e dai condensatori esterni, le cui dimensioni possono essere ridotte drasticamente aumentando la frequenza di commutazione di tale circuito integrato da 400 kHz a 2 MHz; ma per ottenere questo risultato in modo efficace, il circuito integrato deve assicurare alta efficienza a queste maggiori frequenze, e ciò finora non era attuabile. Ma impiegando nuovi processi e tecniche di progettazione, recentemente sono stati sviluppati circuiti integrati di alimentazione sincroni che possono offrire efficienza superiore al 90% alla frequenza di commutazione di 2 MHz. Il funzionamento ad alta efficienza riduce al minimo l’attenuazione della potenza, eliminando la necessità di dissipatori termici, e ha l’ulteriore vantaggio di prevenire il rumore di commutazione nella banda di frequenza Am, il che è cruciale in qualsiasi sistema elettronico sensibile al rumore. Un altro modo per ridurre drasticamente le dimensioni dei circuiti di conversione della potenza consiste nell’uso di un convertitore multiuscita anziché di più dispositivi singoli, quando sono necessarie numerose linee di tensione uniche. Per esempio, quando si alimenta un microprocessore, la maggior parte dei progetti richiede tre uscite indipendenti per produrre le tensioni Vcore, VI/O e Vmem necessarie per i microprocessori e una quarta linea di tensione a 5 V per alimentare un transceiver Can che consenta al microprocessore di comunicare con gli altri dispositivi elettronici del sistema. Poiché un circuito integrato di conversione quadruplo correttamente progettato è solo moderatamente più grande di un equivalente convertitore singolo, il suo ingombro può essere inferiore alla metà rispetto a quattro convertitori singoli separati. Questo miglioramento nelle dimensioni è particolarmente interessante se si confronta un regolatore a quattro uscite funzionante a una frequenza di commutazione di 2 MHz rispetto a quattro regolatori singoli funzionanti a 500 kHz. Inoltre, i convertitori a quattro uscite sono progettati per ridurre al minimo la diafonia indesiderata tra i canali, mentre la diafonia fra quattro convertitori singoli adiacenti può creare problemi a meno che questi non siano tutti sincronizzati con lo stesso clock; ma l’inclusione di un clock e del circuito di sincronismo esterni aumenta le dimensioni, la complessità e il costo dell’intero circuito.

Bassi livelli di interferenza elettromagnetica
Poiché l’ambiente elettrico di un veicolo è intrinsecamente rumoroso, con molte applicazioni sensibili all’interferenza elettromagnetica, è essenziale che i regolatori a commutazione non aggravino questi problemi. Un regolatore a commutazione è in genere il primo componente attivo del bus della potenza d’ingresso, e quindi indipendentemente dai convertitori a valle, influisce notevolmente sulle loro prestazioni correlate all’interferenza elettromagnetica, che quindi va assolutamente ridotta al minimo. Finora, la soluzione consisteva nell’impiegare un contenitore di schermatura dall’interferenza elettromagnetica, ma ciò aggiunge costi significativi, aumenta notevolmente l’ingombro e complica la gestione termica, i test e la fabbricabilità. Un’altra possibile soluzione, applicabile al circuito integrato di gestione della potenza, consiste nel rallentare i fronti di commutazione dei Mosfet interni, il che però comporta l’effetto indesiderato di ridurre l’efficienza e aumentare il tempo minimo allo stato di attivazione, compromettendo così la capacità del circuito integrato di funzionare a bassi duty cycle a frequenze di commutazione uguali o maggiori di 2 MHz; poiché si desidera ottenere sia efficienza elevata che ingombro ridotto, non si tratta di una soluzione attuabile. Fortunatamente, recentemente sono stati progettati alcuni circuiti integrati di alimentazione che consentono simultaneamente frequenze di commutazione elevate, altissime efficienze e bassi tempi minimi nello stato di attivazione. Questi dispositivi possono offrire sia una riduzione delle emissioni da interferenza elettromagnetica anche con frequenze di commutazione di 2MHz, sia efficienza superiore al 90%; tali livelli prestazionali vengono ottenuti senza bisogno di ulteriori componenti né di schermatura e rappresentano quindi un’innovazione significativa nella progettazione dei regolatori a commutazione.

Una alternativa ideale
L’LT8602 di Linear Technology è un regolatore a commutazione in discesa sincrono monolitico a quattro uscite, ad alta efficienza, che accetta un ingresso fino a 42 V. L’intervallo di tensioni d’ingresso da 3 a 42 V lo rende ideale per applicazioni automotive in cui è necessaria la regolazione in condizioni di avviamento a freddo o di avvio-arresto, con tensioni d’ingresso bassissime – fino a 3 V – e transitori di disinserimento del carico con tensioni superiori a 40 V. La configurazione a quattro canali combina due canali da 2,5 e 1,5 A ad alta tensione con due canali da 1,8 A a tensione inferiore per fornire quattro tensioni di uscita indipendenti che possono raggiungere valori bassissimi – fino a 0,8V – per pilotare i core di microprocessori alla minima tensione attualmente disponibili. La topologia di raddrizzamento sincrono assicura un’efficienza sino al 94%, mentre nel funzionamento Burst Mode® la corrente di riposo rimane sotto i 30 µA (tutti i canali inseriti) in condizioni di standby a vuoto, per cui il dispositivo è ideale per sistemi “always-on”. Nel caso di applicazioni sensibili al rumore, mediante un piccolo filtro esterno l’LT8602 può utilizzare la modalità a salto di impulsi per ridurre al minimo il rumore di commutazione e può soddisfare i requisiti relativi all’interferenza elettromagnetica CISPR25, Classe 5.
La frequenza di commutazione dell’LT8602 può essere programmata da 250kHz a 2MHz ed è sincronizzabile in questo intervallo. Il tempo On minimo di 60ns rende possibili conversioni in discesa da 16VIN a 2,0VOUT sui canali ad alta tensione con frequenza di commutazione pari a 2MHz. Mentre il canale ad alta tensione VOUT2 alimenta i due canali a bassa tensione (Vout3 e Vout4), questi possono generare uscite bassissime – fino a 0,8V – al tempo stesso commutando a 2 MHz, offrendo una soluzione a quattro uscite molto compatta (circa 25 x 25mm). Oltre a ridurre al minimo l’ingombro della soluzione, la frequenza di commutazione a 2 MHz dell’LT8602 consente ai progettisti di evitare cruciali bande di frequenza sensibili al rumore, come quelle radio Am. Ciascun canale dell’LT8602 mantiene una tensione di dropout minima di soli 200 mV (a 1 A) in tutte le condizioni, per cui può offrire prestazioni eccellenti in situazioni quali l’avviamento a freddo del veicolo. Gli indicatori di funzionalità dell’alimentazione e power-on-reset programmabili per ciascun canale contribuiscono ad assicurare l’affidabilità complessiva del sistema. La combinazione del package Qfn da 6 x 6mm con dissipatore avanzato e 40 conduttori e dell’elevata frequenza di commutazione mantiene piccole le dimensioni degli induttori e dei condensatori esterni, offrendo un ingombro ridotto con ottima efficienza termica. L’LT8602 è dotato di quattro interruttori interni di potenza ad alta efficienza superiori e inferiori con tutti i necessari diodi boost, oscillatore, circuiti di controllo e logica integrati in una sola piastrina. I canali 1 e 3 commutano con uno sfasamento di 180 gradi rispetto ai canali 2 e 4 per ridurre il ripple di uscita. Ciascun canale ha un ingresso separato per consentire ulteriore flessibilità di progettazione, ma nella maggior parte delle applicazioni i due canali a bassa tensione funzioneranno alimentati direttamente dai due canali ad alta tensione per offrire un circuito a quattro uscite ad alta frequenza molto semplice. Il funzionamento Burst Mode assicura un’efficienza elevata a basse correnti di uscita mentre mantiene il ripple di uscita sotto 15mVPK-PK. Esclusive tecniche di progettazione e un nuovo processo ad alta velocità garantiscono alta efficienza in un ampio intervallo di tensioni d’ingresso, mentre la topologia a modalità di corrente rende possibile una risposta rapida ai transitori ed eccellente stabilità di anello. Altre funzionalità: compensazione interna, indicatori dei livelli adeguati di alimentazione, rilevazione/avvio graduale in uscita, protezione contro i cortocircuiti e protezione termica.

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