Densità di potenza elevate con moduli integrati

I moduli di potenza integrati sono sempre più ampiamente utilizzati in mercati in rapida evoluzione: appliance elettroniche, applicazioni industriali e prodotti di fascia alta sono alcuni esempi tipici. Aziende di tutte le dimensioni hanno adottato questo tipo di approccio perché riduce sensibilmente - anche di mesi - il tempo di sviluppo dei sistemi di potenza ed elimina quasi del tutto i costi di prototipazione e debug, con riflessi molti favorevoli sul time to market. Exar ha recentemente ampliato la propria gamma di moduli di potenza con i modelli XR79110 e XR79115: si tratta delle prime soluzioni in package Qfn di questo tipo che richiedono solo un ridotto numero di resistenze e condensatori e forniscono una potenza di uscita per l'alimentazione fino a 75 W a 15 A.

L'utilizzo dei moduli comporta parecchi benefici che si possono così sintetizzare:
Alta integrazione: perfetto adattamento fra l'integrato di controllo e i componenti del "power train"; nessuna necessità di approvvigionamento, selezione e collaudo di Mosfet e induttori; semplificazione del layout del Pcb con conseguente riduzione dei tempi di sviluppo.
Package ad alte prestazioni: 10 A in package Qfn di dimensioni pari a 10 x 10 x 4 mm o 15 A in package Qfn di dimensioni pari a 15 x 15 x 4 mm; eccellenti prestazioni termiche; derating termico limitato o assente; elevata affidabilità; temperatura di saldatura 260 °C con rating MSL 2°; Emi ridotte.
Controllo ad alte prestazioni: il controllo Cot con Ecm (Emulated Current Mode) fornisce una veloce risposta ai transienti; nessuna compensazione esterna richiesta con condensatori ceramici sul filtro di uscita; la stabilità garantita del loop di controllo per tutte le modalità operative accorcia i tempi di sviluppo; l'elevata efficienza di conversione per potenze elevate riduce al minimo le perdite interne.

Le sfide della progettazione
Negli ultimi anni, l'industria elettronica ha inserito sempre più funzionalità e caratteristiche in package sempre più compatti. Questa tendenza si traduce in enormi pressioni sui produttori di componenti per soddisfare le esigenze legate a variazioni dei prezzi, dimensioni e prestazioni. Gli attuali moduli di potenza devono essere piccoli, efficienti e soprattutto offrire un Tac (Total Acquisition Cost) competitivo sia rispetto alle soluzioni discrete che agli altri moduli disponibili sul mercato. I moduli XR79110 e XR79115 consentono ai progettisti dei sistemi finali di sviluppare in tempi brevissimi un sistema di alimentazione completamente funzionante e ottimizzato in termini di dimensioni, prestazioni e prezzo. I moduli di potenza integrati riducono il numero dei componenti e i tempi di progetto. Da notare il ridotto numero di componenti esterni richiesto. Gli unici componenti esterni necessari servono a impostare la tensione di uscita, il sequenziamento e la gestione dei guasti. Si noti che non è necessaria nessuna compensazione esterna se si utilizzano condensatori ceramici per il filtro di uscita, riducendo in modo significativo il ciclo di sviluppo perché non servono analisi Wca (Worst Case Analysis) o Monte Carlo per garantire un loop di controllo stabile in tutti gli scenari di produzione. Una serie di funzioni di protezione, tra cui quelle contro sovracorrente, surriscaldamento, corto circuito e Uvlo, garantisce un funzionamento sicuro in condizioni anomale. Tra le altre caratteristiche chiave si possono annoverare: soft start programmabile; limite di corrente hiccup programmabile con compensazione termica; abilitazione precisione e flag di power-good; diodo di bootstrap integrato. Inoltre, per questi moduli di potenza non sussiste in pratica il problema del derating perché la loro elevata efficienza di conversione di potenza minimizza le perdite interne. Entrambi i package hanno una buona resistenza termica giunzione-contenitore e sono ottimizzati per un efficiente layout del Pcb. I moduli XR79110 e XR79115 possono essere utilizzati in molteplici applicazioni semplicemente sostituendo alcuni componenti passivi. Ciò consente a un'azienda di risparmiare sui tempi di sviluppo e per le spese di R&S, ottimizza il time-to-market e il posizionamento competitivo del prodotto.

Eccellente risposta ai transitori con il controller Cot
I moduli di potenza XR79110 e XR79115 sono basati sul controller step-down sincrono XRP6141 per l'alimentazione di tipo PoL (Point-of-Load). L'ampia gamma di tensioni in ingresso, compresa tra 4,5V e 22V, consente il funzionamento con alimentazione singola dei terminali (rail) con tensioni standard industriali di 5, 12 e 19,6 V. Utilizzando lo schema di controllo Cot (Constant On Time) con corrente emulata, il controller fornisce una risposta estremamente rapida ai transitori di linea e di carico utilizzando condensatori ceramici in uscita. L'anello di controllo assicura una regolazione precisa della linea e del carico e mantiene una frequenza operativa quasi costante. Non è richiesta alcuna compensazione del loop, con conseguente semplificazione dell'implementazione circuitale e riduzione del numero complessivo dei componenti. Una modalità di risparmio energetico selezionabile consente all'utente di operare in modo discontinuo con i carichi in corrente più bassi, aumentando notevolmente l'efficienza del convertitore. Da notare la veloce risposta ai transienti del modulo di alimentazione da Dcm a Ccm con una limitata perturbazione della tensione di uscita.

Prestazioni termiche ed elettriche ottimizzate
I package Qfn assicurano buone prestazioni termiche ed elettriche a un costo competitivo e, una volta posizionati sulla scheda Pcb, l'operazione dei debug risulta più semplice rispetto ad altri tipi di package come Lga e Bga. I package Qfn di XR79110 e XR79115 sono stati progettati per ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo le problematiche relative alla stesura del layout dell'applicazione Pcb. Il package 15 A, 12 V XR79115 è più piccolo di qualsiasi altro esistente oggi sul mercato. La Fig. 3 riporta una vista dal basso del package di XR79115. Entrambi i package contengono diversi pad per elevate correnti che garantiscono prestazioni termiche superiori, riducendo al minimo le interferenze Emi. Una particolare attenzione è stata posta per garantire una ridotta resistenza termica tra tutti i componenti che dissipano potenza e i corrispondenti pad sottostanti. Questo approccio garantisce una bassa resistenza e induttanza parassita relativamente ai percorsi con elevata corrente.

Il power train
Il power train di XR79110 e XR79115 è stato progettato per ottenere la massima efficienza possibile con un'ampia gamma di tensioni di ingresso e di uscita e con corrente di carico che varia da pochi milliampere fino a pieno carico. La Fig. 4 mostra come l'efficienza del modulo XR79115, con una tensione di ingresso di 12 V, arrivi a un rendimento superiore al 93% con correnti di carico intermedie, e fino all'81% a 100 mA. Entrambi i moduli possono essere fatti funzionare a frequenze di commutazione da 300 a 800 KHz.

Prestazioni termiche
L'alta efficienza di questi moduli di potenza si traduce in un sensibile miglioramento delle prestazioni termiche. La Figura mostra un’immagine agli infrarossi di una scheda demo progettata per XR79115 operante a frequenza di commutazione di 600 kHz, tensione di ingresso di 12 V e tensione di uscita di 3,3 V, con corrente di carico di 15 A per una potenza totale di uscita di 45W. La scheda Pcb è stata progettata in modo da minimizzare la resistenza termica dal contenitore del modulo a 25°C. Come si evince dalla figura, la temperatura massima nel punto più caldo sull'induttore del modulo è di 76,9°C. Questo significa che, se la temperatura massima del modulo raggiunge i 120°C, quest'ultimo può funzionare alla massima corrente di carico a temperature ambiente fino a 68°C senza fenomeni di derating. È inoltre opportuno notare che in presenza di tensioni di uscita inferiori il modulo dissipa una potenza inferiore e non è necessario alcun derating fino a una temperatura ambiente di 85° C.

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