Le ultime novità nella gestione energetica

Il 2018 segna un 50° anniversario che potrebbe andare in gran parte ignorato rispetto ad altri eventi avvenuti nel 1968, ma in tale anno venne raggiunto un traguardo importante per l'elettronica digitale. RCA introduceva il primo circuito integrato MOS complementare, la stessa tecnologia era stata inventata presso Fairchild circa cinque anni prima. Il MOS complementare prometteva una dissipazione di potenza statica "quasi nulla" quando i dispositivi non eseguivano la commutazione e rappresentava un significativo passo avanti (in termini di potenza) rispetto ai predecessori N-MOS e P-MOS (cosiddetti caldi) ad alto consumo energetico. I cinque decenni successivi sono stati caratterizzati, dal punto di vista della potenza, dalla continua esigenza di rendere l'informatica e l'elaborazione del segnale sempre più efficiente, mentre al contempo la domanda di servizi forniti dai sistemi elettronici e IT cresceva esponenzialmente.

Ad oggi si stima che l'infrastruttura di Internet da sola consumi diversi punti percentuali della potenza elettrica totale generata sul pianeta. Tale potenza deve essere controllata, convertita, regolata e filtrata prima di poter essere utilizzata e gli odierni dispositivi elettronici possono essere consumatori esigenti. Alcuni ingegneri nel 1968 avrebbero previsto processori, essenzialmente analoghi al MOS complementare, che richiedevano 0,9 Volt, più o meno il 2%, a molte decine di Ampere; e quella particolare sfida è solo una delle tante che devono affrontare gli ingegneri dei sistemi di alimentazione. È disponibile un flusso continuo di nuovi chip di gestione energetica per semplificare l'attività del progettista, in molti casi supportata da tool di progettazione online che possono garantire il successo al primo tentativo. In tutta la scala di potenza, dalle tecnologie indossabili e dai progetti di accumulo dell'energia alimentati in milliWatt agli alimentatori basati sui kiloWatt, la ricerca di una maggiore efficienza è un tema comune. I progettisti di alimentatori per l'elettronica di consumo hanno, da diversi anni, il compito di implementare sistemi di alimentazione che riducano al minimo le perdite non solo quando erogano la loro potenza nominale, ma a tutti i livelli fino allo standby. Le normative in vigore sono ora alla Versione 5 (Codice di condotta dell'Unione europea (CoC) sull'efficienza energetica degli alimentatori esterni) e al Livello VI (Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti), entrambe volte a limitare la cosiddetta " vampire power" consumata da milioni di alimentatori collegati, ma inattivi.

Una nuova architettura con controllo isteretico ibrido

Risposta ai transienti ottenuta in un convertitore utilizzando il controllo isteretico ibrido di Texas Instruments: in risposta a una transizione senza carico e a pieno carico, il convertitore limita la deviazione massima della tensione di uscita fino all'1,25% e quest'ultima viene nuovamente regolata entro 200 μs.)

Affrontando tale necessità, Texas Instruments afferma, in merito a un chip controller di recente introduzione, che "consentirà di ridurre ulteriormente la potenza in standby". TI basa questa generazione di controller, UCC256301 e UCC256303, su una nuova architettura LLC (induttore-induttore-condensatore); il dispositivo è un controller risonante con un driver gate integrato ad alta tensione in grado di produrre una potenza in standby fino a 40 mW durante la totale regolazione dell'uscita del sistema o 75 mW con controllo del fattore di potenza (PFC). La variante -301 consente un avvio ad alta tensione. I prodotti che in precedenza potevano soddisfare solo i requisiti di standby più impegnativi, utilizzando un alimentatore di standby a basso livello separato, ora possono utilizzare un singolo convertitore CA/CC.

L'LLC di TI, con una strategia denominata controllo isteretico ibrido, è l'ultima di una lunga serie di nuove architetture e modalità di commutazione esaminate al fine di ottimizzare l'efficienza. La bassa perdita non è l'unica area in cui tali controller devono eccellere. I carichi che variano rapidamente tra una richiesta di bassa e alta potenza richiedono alimentatori con una risposta rapida ai transienti; il regolatore è in effetti un amplificatore ad ampia larghezza di banda con un livello di uscita fisso che deve essere costantemente stabile. Una risposta più rapida ai transienti e una compensazione semplice combinate con solide funzioni di protezione dai guasti, come la prevenzione della commutazione a corrente zero, garantiscono un funzionamento affidabile.

Cosa succede nel mondo dei “wearable”

Un "tema caldo" degli ultimi mesi è stato quello sui dispositivi indossabili; che si tratti di soluzioni per uso medico o di infotainment, tali dispositivi hanno mostrato una necessità pressante di funzionare dal più basso livello di potenza possibile, con perdite ridotte al minimo e i componenti di gestione energetica sono apparsi soddisfare le loro particolari esigenze. Un esempio è il dispositivo MAX20303 di Maxim Integrated, una soluzione altamente integrata e programmabile con numerose funzioni in un piccolo contenitore da 3,71 mm x 4,21 mm; dispone di regolatori di tensione dalla potenza ottimizzata, compresi buck multipli, regolatori boost, buck-boost e lineari.

La corrente di riposo di ciascun regolatore, in grado di erogare fino a 220 mA, è in genere pari a 1 μA, per prolungare la durata della batteria nelle applicazioni sempre attive. Una soluzione di gestione completa della batteria include caricatore, percorso di potenza e indicatore di combustibile, con guarnizione della batteria. Sia la gestione termica che la protezione degli ingressi sono integrate nel caricatore. Con funzionalità che offrono molto più della semplice potenza, l'IC include un controller pulsante programmabile in fabbrica con più ingressi per diverse interfacce utente. Sono inclusi tre dissipatori di corrente con LED integrati per l'indicatore o le funzioni di retroilluminazione e un driver con rilevamento automatico della risonanza gestisce il feedback tattile all'utente.

Ricarica wireless

Strettamente legata a prodotti quali i dispositivi indossabili, la ricarica wireless diventa sempre più predominante in quanto i consumatori apprezzano il pratico utilizzo senza cavo. Non è la prima volta che nella vita di uno standard legato alla potenza l'innalzamento dei livelli di potenza abbia luogo anche quando il principio entra in vigore. Il Wireless Power Consortium (WPC) ora specifica la versione Extended Power del suo standard Qi, aumentando i livelli di potenza da 5 a 15 W.

Il kit di valutazione STMicroelectronics per il chip trasmettitore di potenza wireless STWBC offre un sistema di ricarica completo da 5 W) (esiste un ricevitore corrispondente, STWLC) consente di realizzare un progetto certificato Qi 1.1.2 A11 da 5 W, completamente interoperabile con i telefoni mobili abilitati Qi.

STMicroelectronics supporta il passaggio con un avanzato chip trasmettitore di ricarica wireless, STWBC-EP, che include il rilevamento di oggetti estranei e le funzioni di sicurezza necessarie, alla minima potenza in standby. Contiene un convertitore CC/CC step-up e un controller, con algoritmi di ricarica Qi già implementati nel firmware, che generano la potenza in ingresso e i segnali di controllo di uno stadio di potenza esterno a mezzo ponte finalizzato al pilotaggio dell'antenna del trasmettitore di ricarica. Il kit di valutazione comprende un progetto di riferimento Qi MP-A10 da 15 W, un adattatore CA/CC da 12 V 2 A, un dongle USB/UART per il collegamento al PC e al cavo USB, oltre al firmware precaricato. Per le applicazioni che non necessitano del profilo Extended Power, il relativo STWBC.

USB-C

Questa scheda di valutazione di Intersil mostra le capacità di regolazione della tensione buck-boost del chip ISL95338 nella fornitura della funzione di alimentazione USB-C.

La fornitura di USB-C continua a diffondersi rapidamente anche nel settore destinato ai consumatori e in molti altri domini; sfruttando la loro maggiore capacità di erogazione della potenza e il singolo punto di connettività, i chip per caricabatterie sono comparsi sul mercato. Un esempio fornito da Intersil è l'ISL95338, un regolatore di tensione buck-boost per tutti i tipi di dispositivi mobili dotati di connettore Type-C reversibile, che sostituisce due convertitori e offre la regolazione di tensione bidirezionale USB PD3.0. Preleva potenza da fonti di alimentazione CC, come adattatori di alimentazione CA/CC, porte USB PD3.0, adattatori da viaggio o moduli di riserva della potenza, ed emette una tensione regolata fino a 24 V. Il componente è anche in grado di convertire una gamma di fonti di alimentazione c.c. in una tensione regolata di 20 V all'ingresso dell'adattatore di potenza. Può funzionare in modalità buck, boost e buck-boost e utilizza ciò che Intersil definisce la modulazione R3, ovvero l'unione della modulazione della larghezza di impulso a frequenza fissa (PWM) e della PWM isteretica, per garantire (ancora una volta) un funzionamento efficiente a bassi livelli di potenza insieme a una risposta ai transienti estremamente rapida. I progetti possono essere conformi allo standard USB PD3.0 offrendo una ricarica rapida con alimentazione programmabile (PPS) insieme alla modalità bidirezionale buck, boost o buck-boost da 5 V a 20 V.

Il controller boost per l’automotive

La richiesta di una corrente di standby minima è di fondamentale importanza anche nel settore automobilistico. Il numero di sottosistemi elettronici a bordo delle auto continua a espandersi e il consumo totale della corrente di "accensione-spegnimento" deve essere ad un livello tale da garantire che la batteria del veicolo non si scarichi per un periodo prolungato. Un esempio di componenti di On Semiconductor distribuiti nel 2017 è l'NCV898032, un controller boost per uso automobilistico capace di pilotare un MOSFET a canale N esterno, per fornire una gamma di carichi, ad esempio l'illuminazione, in un veicolo. Soddisfa la necessità di un basso consumo della batteria allo stato di spegnimento con una corrente di riposo significativamente inferiore a 10 μA. Impiegando il controllo della modalità di picco di corrente con compensazione della pendenza interna, il chip incorpora un regolatore interno che fornisce la carica al driver gate. Il suo ingresso accetta da 3,2 V fino a 40 V e sopporta il load-dump fino a 45 V. Caratterizzato da una compensazione semplice per un funzionamento stabile, il controller presenta diverse funzioni di protezione integrate.

Quando basta un regolatore lineare

Non tutta l'attenzione nella regolazione della tensione è incentrata sui progetti di commutazione; ci sono molte configurazioni in cui sarà sufficiente solo un regolatore lineare, spesso ai fini di una bassa rumorosità. Gli scenari tipici includono l'alimentazione di convertitori analogici-digitali di precisione o amplificatori RF a bassa distorsione in cui non è possibile tollerare rumori di alimentazione. Il TPS7A39 di Texas Instruments è stato progettato per rispondere a tale requisito, nonché per offrire ai progettisti un componente versatile da poter impiegare in una vasta gamma di applicazioni. Questo regolatore da 150 mA è degno di nota in quanto fornisce un rail positivo e negativo per componenti e sottosistemi che richiedono alimentatori simmetrici o asimmetrici su entrambi i lati dei convertitori D/A di terra e degli amplificatori operazionali/per strumentazione, ad esempio. I rail positivo e negativo possono essere regolati singolarmente in modo da rilevarsi a vicenda a un rapporto costante durante l'avviamento; oppure, è possibile impostare il rail negativo a 0 V per gli amplificatori ad alimentazione singola. Mantenendo il rumore di commutazione (e altro) fuori dai circuiti lineari, il regolatore specifica le cifre del rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) migliori di 50 dB fino a 2 MHz e 69 dB a 120 Hz.

Laptop e notebook

L'IC di monitoraggio della potenza PAC1934 di Microchip offre una precisione di misurazione della potenza del software fino al 99% nei dispositivi Windows 10, come laptop, tablet e telefoni mobili

Un principio di base della progettazione è che per controllare un parametro, per prima cosa è necessario misurarlo. Trasferendo questo principio nell'ambito dei laptop e dei notebook, una nuova introduzione di Microchip mira a ottimizzare la precisione di misurazione nei prodotti che utilizzano specificamente il sistema operativo Windows 10 (OS). Una limitazione degli sforzi per ottenere un monitoraggio molto accurato dell'uso della potenza nei sistemi basati su processore è stata la natura transitoria in continua evoluzione del consumo di corrente in quanto routine e applicazioni si attivano e si disattivano e chiamano periferiche. Una stretta integrazione con il sistema operativo fornisce un livello più dettagliato di informazioni riguardo al momento in cui si verificano gli "spike" e consente un monitoraggio del flusso di carica più preciso e un migliore utilizzo della capacità della batteria. IC PAC1934 di Microchip viene fornito con un driver software compatibile con Energy Etimation Engine (E3) integrato nel sistema operativo Windows 10 per assicurare un'accuratezza del 99% su tutti i dispositivi Windows 10 dotati di batterie.

La combinazione del PAC1934 di Microchip e del driver Windows 10 con il servizio E3 di Microsoft può migliorare la misurazione dell'utilizzo della batteria da parte di diverse applicazioni software fino al 29%. Il chip misura rail di tensione a partire da 0 V fino a 32 V. È tale capacità che consente al chip di misurare con precisione la potenza utilizzata dalle semplici attività della CPU (Core Processing Unit) nonché dal software in esecuzione su dispositivi che si collegano tramite un connettore USB Type-C. La misurazione bidirezionale troverà impiego nelle topologie di ricarica USB Type-C man mano che emergono. Il supporto per il sistema operativo Linux è garantito.

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