I regolatori Silent Switcher 2 alimentano i moderni SOC

I dispositivi SOC (system-on-chip) presenti nei veicoli d’oggi (e futuri) sono ben diversi da quelli delle generazioni precedenti. La crescita esponenziale delle funzioni degli impianti di infotainment e dei sistemi di sicurezza dei veicoli fa sì che i SOC debbano elaborare i dati – compresi quelli video ad alta risoluzione provenienti da più sorgenti – a velocità di diversi ordini di grandezza più elevate rispetto ai modelli precedenti, e con latenza minima. Per esempio, se la telecamera anteriore di un’auto rileva un pericolo, il sistema di sicurezza deve rispondere subito, avvisando il guidatore o azionando i freni. Per soddisfare la capacità computazionale attualmente richiesta, i SOC integrano un numero sempre maggiore di dispositivi ad alta potenza, ma come fornire tutta la potenza richiesta a questi dispositivi compatti? In un autoveicolo, il circuito di erogazione della potenza deve essere efficiente, compatto e con bassi livelli di interferenza elettromagnetica. La potenza sempre maggiore richiesta dai SOC rende più difficile soddisfare questi requisiti. Ad esempio, un SOC R-Car H3 include otto core ARM, vari DSP, processori video e grafici oltre a dispositivi ausiliari di supporto. Ciascuno di questi componenti richiede una alimentazione affidabile e più linee di tensione: tre (5V, 3,3V e 1,8V) per le periferiche e i componenti ausiliari, due (1,2V e 1,1V) per DDR3 e LPDDR4, e un’altra ancora da 0,8V per i core.

Per assicurare i livelli di corrente richiesti dai SOC, un controllore di potenza switching con MOSFET esterni rappresenta la scelta tradizionale rispetto a regolatori monolitici. Questi ultimi sono molto interessanti poiché i MOSFET interni riducono al minimo il costo e l’ingombro della soluzione, ma il loro uso è limitato da una ridotta capacità in corrente e da problemi di dissipazione termica. L’LT8650S e una nuova famiglia di regolatori step-down monolitici Silent Switcher hanno la capacità in corrente e la gestione termica necessarie per alimentare i SOC. I dispositivi Power by Linear™ LT®8650S, LT8609S e LT8645S generano una corrente di uscita molto più alta rispetto ai tipici regolatori monolitici grazie all’elevata efficienza e a una migliore dissipazione termica. Il range della tensione d’ingresso – da 3V a 42V (65V per l’LT8645S) – copre l’intero spettro di variazioni delle batterie per autoveicoli. Questi circuiti integrati monolitici integrano i MOSFET e possono funzionare a frequenze superiori a 2MHz; ne risulta una riduzione dei costi e dell’ingombro della soluzione mentre al contempo viene evitata l’interferenza con la banda AM. I regolatori Silent Switcher sono progettati per ridurre al minimo l’interferenza elettromagnetica, per cui sono molto diffusi per l’alimentazione dei SOC.

Due uscite: 5v/4A e 1v/4A

La figura1 mostra una soluzione da 2MHz a due uscite, 5V a 4A e 1V a 4A, che utilizza due canali dell’LT8650S. Questo circuito può essere modificato agevolmente per consentire altre combinazioni a doppia uscita – per esempio 3,3V e 1,8V oppure 3,3V e 1,1V – sfruttando l’ampio range di tensioni d’ingresso dell’LT8650S. Questo regolatore è utilizzabile pure come convertitore di primo stadio, seguito da vari regolatori LDO o switching di secondo stadio a potenza inferiore per ottenere ulteriori uscite. Il regolatore LT8650S si avvale della tecnologia Silent Switcher 2 per l’eliminazione dell’interferenza elettromagnetica, con condensatori di hot loop integrati, per ridurre al minimo l’area dell’antenna rumorosa. Questa funzionalità, unitamente ai MOSFET integrati, rende possibili prestazioni EMI eccezionali.

Fig.1 - Doppia uscita, 5V / 4A e 1,0V / 4A, tramite due canali dell’LT8650S

Soluzione da 16A per un SOC

Fig.3 - Emissioni Radiate relative alla soluzione illustrata in Figura 2.

La Figura 2 mostra una soluzione a quattro fasi da 3,3V / 16A per l’alimentazione di un SOC, mentre la Figura 3 mostra i risultati delleprove di emissioni radiate. I SOC per autoveicoli mettono a dura prova la risposta in transitorio alle variazioni di carico dell’alimentatore. Non è raro osservare uno slew rate della corrente di carico pari a 100A/µs per gli alimentatori delle periferiche e anche maggiore per gli alimentatori dei core. Indipendentemente dalle variazioni del carico, l’alimentatore deve ridurre al minimo il transitorio della tensione di uscita. Un’elevata frequenza di commutazione, come quella di 2MHz a cui possono funzionare i dispositivi della famiglia LT8650S, contribuisce a velocizzare il ripristino dal transitorio. Con un’appropriata compensazione dell’anello, frequenze di commutazione maggiori corrispondono a risposte dinamiche più veloci. La Figura 2 mostra i valori appropriati dei componenti. È anche cruciale, per quanto riguarda il layout della scheda, minimizzare l’induttanza delle tracce dai condensatori di uscita al carico. La Figura 4 mostra la risposta al transitorio del circuito di Figura 2.

Fig.2 - Soluzione a quattro fasi da 2MHz e 3,3V / 16A, per un’applicazione SOC.

Una soluzione compatta per applicazioni a bassa potenza

Oltre ad applicazioni a bassa tensione e alta corrente, come i SOC e le CPU, negli autoveicoli è necessario alimentare numerosi carichi a bassa corrente, come la strumentazione del cruscotto, head-up display, dispositivi per comunicazioni V2X, sensori, caricatori USB, ecc.

A causa delle limitazioni sia di spazio che di corrente disponibile dalla batteria, un’elevata efficienza e ingombro ridotto della soluzione sono due dei requisiti più importanti per i convertitori di potenza. Va da sé che il rumore debba essere basso. Il regolatore LT8609S rappresenta una soluzione adatta per tutte queste applicazioni. Offre un range di tensioni d’ingresso da 3V a 42V per soddisfare le condizioni della batteria di un autoveicolo oltre a un ingombro ridotto al minimo grazie ai MOSFET integrati, al circuito di compensazione incorporato e alla frequenza operativa di 2MHz. La tecnologia Silent Switcher 2 e l’integrazione dei condensatori di hot loop dell’LT8609S riducono al minimo i livelli di rumore e garantiscono efficienza eccezionale nonché prestazioni eccellenti per quanto riguarda l’interferenza elettromagnetica. La Figura 5 mostra un’applicazione da 2MHz e 5V / 2A realizzata tramite l’LT8609S.

Fig.5 - Applicazione da 2MHz e 5V / 2A che utilizza l’LT8609S

La Figura 6 mostra un regolatore LT8609S completo su una scheda a doppia faccia. I MOSFET integrati e il circuito di compensazione incorporato dell’LT8609S riducono il numero di componenti, consistenti solo del dispositivo e di alcuni componenti esterni. Grazie anche all’elevata frequenza di commutazione, la soluzione per questa applicazione tipica ha una dimensione di soli 11,5mm × 12,3mm. Un modo per contenere i costi della soluzione consiste nel ridurre al minimo il numero di strati del PCB ma bisogna scendere a compromesso con le

Fig.6 - Il ridotto ingombro della soluzione sulla scheda a due strati dell’LT8609S

prestazioni. Per esempio, non ci si può aspettare che una soluzione su una scheda a doppia faccia abbia gli stessi livelli di emissione di una scheda a quattro strati. I test di emissioni radiate riportati nella Figura 7 mostrano che l’LT8609S su una scheda a due strati soddisfa i requisiti CISPR 25 Classe 5. Vengono confrontati i risultati ottenuti con soluzioni equivalenti su schede a due e a quattro strati. In genere, la tecnologia Silent Switcher 2 offre risultati eccezionali per quanto riguarda l’interferenza elettromagnetica quando si impiegano schede a doppia faccia e anche a singola faccia, il che può ridurre notevolmente i costi di produzione. Le prestazioni termiche solitamente sono tanto peggiori quanto minore è il numero di strati della scheda, ma questo non è il caso con l’LT8609S. Al basso livello di rumore e all’elevata efficienza che caratterizzano la tecnologia Silent Switcher 2 si uniscono le basse perdite per commutazione, che, in combinazione con un package dotato di dissipatore avanzato, consente all’LT8609S di conseguire prestazioni termiche straordinarie. La Figura 8 mette a confronto le prestazioni termiche ottenute con schede a due e a quattro strati. Con un ingresso a batteria di 12V, l’LT8609S a pieno carico mostra un aumento differenziale di temperatura minore di 11°C.

Fig.7 - Risultati delle prove condotte sull’LT8609S che utilizza una scheda a due strati – è illustrato il valore medio delle emissioni EMI irradiate – ottenuti impiegando la modulazione di frequenza a espansione di spettro per ridurre ulteriormente il livello delle emissioni

Soluzione Silent Switcher 2 per sistemi automotive a 48V

I veicoli convenzionali sono dotati di batterie a 12V per erogare la corrente necessaria per i dispositivi elettronici degli impianti di accensione, illuminazione, audio e infotainment nonché per le funzioni di sicurezza e altri sistemi. Sfortunatamente, la potenza erogabile con un impianto a 12V è limitata a 3kW, un limite ormai inadeguato a causa dell’enorme numero di circuiti elettronici di un autoveicolo. Questo problema, insieme all’arrivo dei veicoli elettrici e delle autovetture autonome, rende inefficaci i normali metodi di erogazione della potenza, così che le case automobilistiche hanno iniziato a cercare la soluzione nell’impianto a 48V, che rispetto a quello a 12V, riduce le perdite di distribuzione quando i sistemi dell’auto richiedono una potenza notevole, migliorando pertanto l’efficienza complessiva. Il problema a cui devono far fronte i convertitori DC/DC in un sistema a 48V consiste nel mantenere l’efficienza della conversione, le dimensioni e il basso livello di emissioni EMI simili ai valori di un sistema a 12V, quando elevati rapporti della conversione step down rendono più difficile soddisfare queste specifiche. I vantaggi ottenuti utilizzando un sistema a 48V non devono essere persi nel processo di conversione DC/DC. I regolatori switching monolitici in grado di funzionare a 2MHz per prevenire l’interferenza con la banda AM sono ideali per gli impianti elettrici a 48V degli autoveicoli fintantoché la loro efficienza rimane adeguata. Esiste un numero limitato di regolatori buck monolitici che accettano ingressi nominali di 48V; per la maggior parte di questi, la corrente massima è inferiore a 5A.

Fig.9 - I dispositivi Silent Switcher presentano una configurazione con driver MOSFET che assicura fronti di commutazione veloci e netti. Ne risulta un’elevata efficienza, anche durante il funzionamento ad alta frequenza. Inoltre, gli innovativi driver riducono al minimo sia la sovra- che sotto-elongazione, smorzando le oscillazioni che altrimenti costituirebbero una delle cause dell’interferenza elettromagnetica

Il regolatore buck monolitico LT8645S può funzionare con carichi di 8A e tensioni d’ingresso fino a 65V. Il suo TON minimo con fronti di commutazione veloci e netti (Figura 9) consente elevate frequenze di commutazione e una notevole efficienza, sino a 94% a 2MHz. I condensatori di by-pass e di compensazione integrati riducono al minimo l’ingombro complessivo della soluzione e semplificano il layout per assicurare un basso livello delle emissioni EMI. Con un semplice filtro a cilindro di ferrite, l’LT8645S può soddisfare le specifiche CISPR 25 Classe 5 con margini adeguati.

Fig.10 - Applicazione da 5V / 8A con livelli ultrabassi di interferenza elettromagnetica che utilizza l’LT8645S

La Figura 10 mostra un’applicazione da 2MHz e 5V / 8A con livelli ultrabassi di interferenza elettromagnetica che utilizza l’LT8645S. La Figura 11 e la Figura 12 mostrano, rispettivamente, l’efficienza e l’ingombro della soluzione realizzata con l’LT8645S.

Fig.11 - L’efficienza dell’LT8645S per la soluzione con livelli ultrabassi di interferenza elettromagnetica

Fig.12 - Il ridotto ingombro della soluzione è evidente in questo circuito dimostrativo dell’LT8645S

Il regolatore LT8645S presenta il vantaggio inusuale di offrire elevati rapporti della conversione step down anche quando funziona a elevate frequenza di commutazione, grazie al suo tempo On minimo di 40ns. Per esempio, l’LT8645S può generare 1,8V a partire da un ingresso sino a 30V, a una frequenza di commutazione di 1MHz. L’ingresso può raggiungere il valore nominale assoluto massimo di 65V se è accettabile saltare cicli di commutazione. Quando l’uscita è minore di 3,1V, per migliorare l’efficienza il pin BIAS dell’LT8645S va collegato a un generatore esterno che sia a tensione maggiore di 3,1V. Se tale generatore non è disponibile, il pin BIAS va collegato a GND. La Figura 13 mostra una soluzione da 1MHz e 1,8V / 8A, che funziona anche in presenza di transitori d’ingresso a 65V. Oltre a bassi livelli di emissioni EMI, elevata efficienza ad alta frequenza e un ampio range di tensioni d’ingresso, l’LT8645S offre corrente di quiescenza ultrabassa e bassa caduta di tensione (low-dropout). La corrente di quiescenza ultrabassa può prolungare l’autonomia della batteria durante gli intervalli di inattività, mentre la funzione low-dropout è cruciale per il funzionamento ininterrotto in condizioni di avviamento a freddo.

* Silent Switcher è una tecnologia brevettata; numero del brevetto: 8823345.

Fig.13 - Applicazione da 1MHz e 1,8V / 8A con transitori d’ingresso fino a 65V che utilizza l’LT8645S

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