La nuova era del Digital Power

SISTEMI DI POTENZA –

Mentre il mondo della progettazione si trova ad affrontare problematiche di natura analogica, il settore dei dispositivi di potenza, finora caratterizzato da soluzioni analogiche, ha imboccato definitivamente nell’ultimo quinquennio la nuova era del “digitale”.

Mentre il mondo dell’elettronica digitale si ritrova ad affrontare oggi problematiche di natura analogica, con il crescere delle frequenze di segnale adottate per la trasmissione dei dati, il settore dei dispositivi di potenza, finora caratterizzato da soluzioni di natura analogica, ha imboccato definitivamente nell’ultimo quinquennio la nuova era del “digitale”. Sempre più dispositivi di condizionamento e distribuzione della potenza includono infatti circuiti di controllo ed interfacce di comunicazione digitali di tipo standard. Stime datate al 2009 parlano di una crescita del relativo mercato fino al 2014 ad un tasso annuo di poco inferiore al 20%, raggiungendo per quella data una diffusione di oltre 12 bilioni di dispositivi. Non si tratta tuttavia di una vera e propria rivoluzione ma piuttosto di una ‘evoluzione della specie’, resa possibile dalla disponibilità a basso costo, a partire dal 2002, dei processi costruttivi Cmos con geometria di linea inferiore a 250 nm. L’idea di “Digital Power”, infatti, si può far risalire indietro fino agli anni ’70 quando il lavoro di Trey Burns, che confrontava due diversi approcci, di tipo analogico e digitale, all’applicazione delle leggi di controllo dei convertitori Dc/Dc step-up, diede inizio ad un filone di ricerca teso a studiare metodi digitali per il controllo della potenza. Per capire le difficoltà dell’epoca nell’applicabilità di tali metodi, tuttavia, basta ricordare come una delle soluzioni presentate da Burns era un convertitore boost operante a frequenza di soli 100 Hz, come risultato del tempo elevato di esecuzione (oltre 450 µs) del software di controllo su uno dei tipici controllori disponibili all’epoca. Volendo usare il modello di Rogers per la classificazione dei diversi periodi del ciclo di vita dell’adozione di una nuova tecnologia, potremmo dire che oggi siamo nella fase degli “early adopters” per quanto concerne il Digital Power. La spinta principale all’affermazione delle nuove soluzioni arriva in effetti, come è facile immaginare, dalla costante attenzione alla riduzione della potenza, per la diffusione di tecnologie sempre più green. In quest’ottica si inserisce, infatti, la ricerca di circuiti di potenza caratterizzati da maggiore efficienza. È noto che tutti i convertitori operano a bassa efficienza in condizioni di piccolo carico; uno studio pubblicato da Ericsson mostra, in questo senso, che un controllo intelligente della tensione di ingresso di un convertitore point-of-load (ad esempio, riducendola da 12 a 9 V) in funzione della corrente di carico richiesta, consente di ottenere un incremento della efficienza del circuito di fino anche l’1%, il che corrisponde ad una riduzione della potenza fino ad 1 W. Per capire la portata di tale riduzione in un sistema tipico, si consideri che, secondo una stima di Energy Star, il costo in termini di inquinamento di 1 kWh di energia è di 0,7 Kg di anidride carbonica. La riduzione quindi del consumo energetico di una scheda di anche solo 1 W (che, a monte dei diversi stadi di conversione presenti in un sistema, equivale ad una riduzione di 2 o 3 W) si traduce così in un risparmio di 18 Kg di CO2 per anno. Assumendo che in un sistema tipico vi possano essere fino a 300 o 400 schede, il risparmio complessivo è equivalente alle emissioni in un anno intero di una automobile delle più comuni.

Controllo e gestione digitale della potenza
Due sono gli ambiti nei quali le tecniche digitali trovano applicazioni nell’ambito di circuiti di potenza. Il primo è certamente quello dei circuiti di controllo. Nell'architettura di un controller Pwm di tipo digitale la tensione di uscita viene campionata mediante un partitore e riportata in ingresso ad un amplificatore di errore, dove è confrontata con un riferimento interno. L’uscita dell’amplificatore serve a mascherare un segnale a rampa che determina infine il tempo di on del ponte di uscita. Nella soluzione digitale, invece, la tensione di uscita viene campionata mediante un convertitore Adc e il segnale risultante elaborato mediante algoritmi specifici (ad esempio, un filtro Pid) implementati da un microcontrollore embedded, così da modificare le caratteristiche del treno di impulsi che controlla il ponte di uscita. In questo modo possono facilmente essere implementati, ad esempio, loop di controllo non lineari o adattativi in grado di compensare dinamicamente le variazioni del carico per ottimizzare l’efficienza di conversione di potenza. L’altro ambito di applicazione delle tecniche digitali in circuiti di potenza è quello dei dispositivi per la gestione di questa. In questo caso il convertitore di potenza è dotato di intelligenza a bordo e interfaccia di controllo host di tipo digitale. Nel caso dei circuiti con uscite multiple, ad esempio, diventa così possibile programmare facilmente sequenze di power-on e shut-down specifiche della propria applicazione, come pure controllare tempo di salita e ritardi relativi delle diverse rampe di uscite. Il controllo digitale aiuta pure durante i test di qualifica del componente nelle fasi finali di produzione, quando si applicano tecniche di margining, variando la tensione di alimentazione intorno al valore minimo per verificare le prestazioni del sistema. La disponibilità di funzionalità digitali consente del resto la possibilità di introdurre poi funzioni di monitoraggio a bordo dei parametri operativi; ciò permette di individuare eventuali guasti o in alcuni casi di prevenire questi, definendo soglie di allarme che indichino il funzionamento fuori specifica del componente. Come anticipato in precedenza, tra i vantaggi principali del Digital Power vi sono un incremento della efficienza nella conversione di potenza, una maggiore affidabilità del circuito, la possibilità di modificare i parametri di lavoro in funzione della propria applicazione, una maggiore flessibilità, la riduzione del numero di parti del circuito e quindi la disponibilità di soluzioni compatte. Tutto ciò richiede tuttavia, come abbiamo visto negli esempi precedenti, una maggiore complessità interna del dispositivo, che si traduce, tra l’altro, in un costo più elevato di gestione e qualifica del processo produttivo stesso da parte del produttore. È chiaro quindi, come già osservato inizialmente, che tali soluzioni di Digital Power hanno potuto trovare applicazione soltanto a seguito dei progressi tecnologici che hanno caratterizzato l’industria dei semiconduttori nell’ultimo decennio. La diffusione è stata quindi favorita da una serie di iniziative di standardizzazione tra le quali si possono ricordare la creazione della Dosa (Distributed-Power Open Standards Alliance) nel 2004, con lo scopo di definire standard di compatibilità per dispositivi Dc/Dc converter, o la definizione nel 2007 del protocollo PMBus (Power Management Bus), un protocollo di comunicazione aperto per la comunicazione con dispositivi di potenza derivato dalla specifica SMBus.

Nuove soluzioni per il Digital Power
Di seguito rivediamo alcune delle novità più recenti nell’ambito dei dispositivi di Digital Power per dare un’idea della direzione in cui il relativo mercato si sta muovendo. Linear Technologies ha, ad esempio, recentemente annunciato la disponibilità del nuovo LTM2883, un isolatore galvanico operante con singola tensione di alimentazione di 3.3V o 5V (in funzione del modello selezionato); il dispositivo integra 6 linee di segnale per supporto dei protocolli Spi e I2C e 3 linee di alimentazione per conversione Dc/Dc della potenza con tensioni di uscita di 5V e 12.5V e -12.5V e correnti fino a 20 mA. Il LTM2883 è specificato per una tensione di modo comune di picco di fino a 560 V e si caratterizza per il ridotto consumo di potenza (< a 10 uA) in modalità shutdown. È integrato in package Bga a basso profilo (15 × 11.25 × 3.42 mm) risultando ideale per applicazioni in sistemi industriali o apparati di test. Il LTC3883 è invece un regolatore Dc/Dc step-down sincrono a singola fase. L’architettura è di tipo current mode ma il loop di controllo è ancora di tipo analogico, con la possibilità di controllare livello di tensione di uscita e frequenza di switching mediante resistori esterni. Digitali sono invece le funzionalità di monitoraggio dei parametri di lavoro, auto calibrazione, sequencing della tensione di uscita e margining; i dati di telemetria sono disponibili mediante interfaccia PMBus/I2C. Il dispositivo opera con tensione di ingresso compresa tra 4.5 e 24 V e di uscita tra 0.5 e 5.5 V, regolabile con accuratezza di ± 5%. La fase di uscita è programmabile tra 6 diversi valori, consentendone l’impiego in architetture parallele. CUI ha recentemente inaugurato la nuova serie di convertitori Pol disponibili nelle versioni con (NDM2P) o senza (NS2MP) interfaccia di comunicazione host di tipo PMBus. I dispositivi operano con tensione di ingresso compresa tra 4 e 14 V e tensione di uscita regolabile tra 0.6 e 3.3 V; sono disponibili nelle versioni con capacità di corrente fino a 50 A. Dispongono della nuova tecnologia Powervation che consente auto-compensazione su singolo ciclo di regolazione, garantendo una efficienza superiore al 93% in diverse condizioni operative. La versione NDM2P dispone di funzionalità di soft start e stop, margining e sincronizzazione e spreading di fase, tutte programmabili mediante l’interfaccia PMBus. Texas Instrument ha invece rilasciato il LM25066IA, un integrato per gestione e protezione della potenza compatibile con la specifica Intel Node Manager 2.0 per applicazioni su server. Il dispositivo supporta misure di corrente e potenza con precisione rispettivamente dell’1% e del 2% sull’intero intervallo di temperatura operativa e capacità di media su una finestra di tempo programmabile tra 0.001 e 4 secondi. Operante con tensione di ingresso fino a 17 V e integrato in package LLP a 24 pin, dispone di funzionalità di rilevamento di sovratensione e sottotensione e capacità di limitazione di corrente, consentendo così l’impiego di Fet di più piccole dimensioni. L’interfaccia di comunicazione digitale è ancora una volta di tipo PMBus.
Per applicazioni di gestione della potenza in Ultrabook è invece disponibile presso International Rectifier una delle più piccole soluzioni sul mercato (con occupazione di spazio inferiore fino anche al 45% rispetto a architetture analoghe di altri produttori). Compatibile con la specifica Intel VR12.6, tale soluzione si basa sui nuovi dispositivi di controllo digitale CHiL IR3588 e sui dispositivi di potenza PowIrStage IR3552 e IR3548 a singola e doppia fase. Caratterizzato da bassa corrente quiescente e dissipazione di potenza inferiore a 1 mW in sleep, il IR3588 implementa funzionalità di Dynamic VID (dynamically changing the core voltage of the processor), controllo di fase fino a 1,5 MHz e monitor dei parametri di lavoro. Sempre di recente, Ericsson ha esteso la propria famiglia di convertitori Abc (Advanced Bus Converter) Frida II introducendo il nuovo BMR457, convertitore ideale per la generazione di tensioni intermedie in applicazioni in ambito ICT che richiedano ridotto fattore di forma, veloci tempi di risposta ed elevata efficienza con diverse condizioni di carico. Basato infatti su microcontrollore Arm a 32 bit che esegue il firmware proprietario Ericsson Dc/Dc Energy Optimizer, il dispositivo dispone di interfaccia di comunicazione e controllo PMBus e supporta la memorizzazione a bordo della configurazione utente. Il BMR457 è disponibile nelle versioni con tensione di ingresso compresa tra 36 V e 75 V e tra 40 e 60V ed in grado di operare con slew-rates d’ingresso fino a 0.5V/µs; la tensione di uscita è regolabile nell’intervallo tra 6.9 e 12 V con tolleranza di ± 2%. La massima potenza erogabile è di 300 W ma nella versione Dls (Droop Load Sharing) è supportata la connessione in parallelo di due convertitori; l’efficienza a metà carico, con tensione di uscita di 12 V è maggiore del 95%. Nell’ambito invece dei controller Pwm digitali per applicazioni con convertitori Ac/Dc o Dc/Dc isolati ad elevate efficienza segnaliamo il recente modello ADP1046 di Analog Devices. Il dispositivo dispone di 7 segnali di controllo Pwm con loop di controllo digitale e filtri di soft start dedicati. Supporta dead-time programmabile adattativo per una maggiore efficienza, controllo della corrente di in rush, sensing di tensione locale e remoto e current sharing, controllo per OrFET in configurazioni N+1 ridondate, protezione da OCP, OVP, UVLO e OTP. Dispone di interfaccia di comunicazione I2C e memoria Eeprom integrata per la programmazione dei parametri di lavoro; la configurazione del dispositivo è semplificata dalla disponibilità di una interfaccia grafica utente disponibile gratuitamente. Il dispositivo opera con tensione di lavoro nominale di 3.3 V ed assorbimento di corrente tipico di 20 mA (ridotto a 100 uA in shutdown). È disponibile in package LFCSP a 32 pin e specificato per operatività nell’intero intervallo di temperatura compreso tra -40°C e +125°C. Nello stesso segmento di mercato si inserisce anche il ZSPM1000 di ZMDI, controller Pwm digitale orientato alla realizzazione di convertitori Dc/Dc non isolati. Operante in configurazione step-down single-rail e a singola fase, il dispositivo implementa tecniche avanzate di controllo digitale (Tru-sample Technolog, State-Law Control e Sub-cycle Response) oltre a disporre di classiche funzionalità di monitoraggio dei parametri di lavoro. Pink Power Designer è l’interfaccia grafica di controllo mediante la porta I2C resa disponibile dal ZSPM1000. Integrato in package QFN a 24 pin (4 x 4 mm2), specificato per tensione di ingresso fino a 5 V e per operatività nell’intervallo di temperature esteso (da -40 °C a +125 °C), il controller risulta ideale per la realizzazione di convertitori POL in applicazioni di ridotte dimensioni, in unione con il ZSPM9010ZA1R, un DrMOS che integra due Mosfet di potenza con relativo driver e diodo Schottky di bootstrap in un unico package PQFN40 (6 x 6 mm2), supportando una corrente di uscita di fino a 50 A. Convertitori Pol sono pure disponibili presso Bellnix, in particolare per applicazioni con Fpga di nuova generazione. La nuova serie BSV include dispositivi operanti con alimentazioni di ingresso (a seconda dei modelli) da 3.3V a 24V, con correnti di uscita fino a 16 A, tensione di uscita fissa o regolabile (tra 0.6V e 4.0 V), regolazione di carico con accuratezza di ± 1% ed efficienza fino al 96%. I dispositivi sono compatibili con le raccomandazioni Dosa, dispongono di interfaccia di controllo PMBus e implementano funzionalità di sequencing e tracking delle tensioni di uscita.

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