In linea di principio il concetto circuitistico di convertitori cc-cc isolati è molto facile. Due Fet dal lato primario tagliano la tensione continua in entrata con una frequenza propria di 100 kHz. L’isolamento si realizza tramite un trasformatore, il cui rapporto fra i numeri di spire N1/N2 determina la tensione di uscita. Il lato secondario viene raddrizzato e livellato. Numerosi tool di sviluppo disponibili su Internet suggeriscono che il dimensionamento è semplicissimo. Basta inserire i valori desiderati in un programma e il prototipo è pronto. Questo almeno in teoria. In pratica le cose sono diverse. Lo sviluppatore lotta sempre con il principio di base della tecnica analogica, secondo il quale le cose non sono mai bianche o nere. Le piste del circuito stampato, nello schema elettrico semplici linee nere senza rilevanza elettrica, diventano capacità o induttanze non previste dal programma con conseguenze per il comportamento elettromagnetico del circuito e quindi per la certificazione del prodotto finale. Non raramente sono necessarie diverse riprogettazioni fino al raggiungimento sicuro dei limiti richiesti. Anche il trasformatore ha le sue pecche: la sua funzionalità dipende dalla ferrite del nucleo e in quale zona della curva d’isteresi lavora. Se si sposta troppo in direzione “saturazione” si scalda troppo e il suo comportamento magnetico peggiora. Anche questo non è “bianco/nero” e di difficile controllo numerico. Per un convertitore cc-cc ottimale con alto rendimento e basso livello di rumore è necessaria una grande esperienza. Chi ne dispone può probabilmente risparmiare molto con convertitori sviluppati autonomamente e realizzati con componenti discreti – in particolare per grandi numeri di pezzi. Ma anche i propri sviluppi non sono a tariffa zero.
“Time to market” decisivo
per il successo commerciale
Il successo commerciale dei prodotti elettronici dipende da quanto rapidamente arrivano sul mercato. Chi si affida a soluzioni modulari risparmia decisamente tempo e riduce inoltre i rischi. Se un prodotto non riceve la certificazione, perché un convertitore di tensione montato con componenti discreti emette improvvisamente più disturbi di quanto permesso, il ritardo sarà probabilmente più dell’ordine di mesi che di settimane. Pur essendo una specialista, con esperienza di molti milioni di convertitori prodotti, la Recom impiega molti mesi per lo sviluppo di nuovi prodotti. In particolare dura molto l’ottimizzazione del design – la ricerca minuziosa delle ultime percentuali di prestazioni – un lavoro che nello sviluppo di soluzioni discrete quasi necessariamente non trova abbastanza spazio.
Taratura sulla massima efficienza
Da quando il ridotto consumo energetico è diventato un argomento di vendita gli sviluppatori lottano con un budget energetico sempre più ridotto, dovendo tenere presenti, oltre a processore e chip grafico, anche i molti convertitori di potenza impiegati all’interno di un progetto. Un esempio concreto: in un controllore 8 convertitori di tensione a 15 Watt a componenti discreti forniscono tensioni di uscita di più o meno 5 V ognuno. La loro efficienza è del 75% circa. La potenza utile di 15 W si ottiene con una perdita di potenza di 5 W per ogni trasformatore – in totale quindi una perdita di 40 Watt! I conti cambiano invece molto se viene impiegato un trasformatore modulare tarato sull’efficienza massima. Per esempio il più recente REC15 di Recom raggiunge in questa applicazione un’efficienza dell’87%, con una perdita di soli 2,25 W per modulo, vale a dire il 55% in meno della soluzione fai da te a componenti discreti.
I valori citati per l’efficienza valgono però solo per convertitori che possono essere fatti funzionare a carico quasi pieno. Con la riduzione del carico cala anche l’efficienza che in assenza di carico tende a zero. Relativamente a cosa succede “per strada” un riferimento preciso viene fornito dal diagramma. Perfino al solo 30% di carico un REC15 fornisce ancora un valore eccezionale, superiore all’80%. Nelle soluzioni sopra citate, a struttura discreta, si arriverebbe solo poco sopra al 50%.
Alte temperature di esercizio
sempre più importanti
L’efficienza consente non solo un risparmio energetico, ma anche surriscaldamento e temperature di esercizio ammissibili del design complessivo inferiori. 22 Watt in meno di perdita di potenza nel succitato esempio significano temperature più basse all’interno del controllore e minor sforzo per raffreddare, per esempio con una ventola che, se possibile, si vorrebbe eliminare dal design, poiché non solo consuma energia, ma produce anche rumore e insieme all’aria aspira sporcizia. Aumenta perciò l’esigenza di convertitori le cui temperature di esercizio ammissibili raggiungano valori di +65 °C e oltre. Con la famiglia RPP Recom fornisce convertitori di potenza fino a 50 Watt, la cui temperatura ambiente ammissibile può raggiungere i +100 °C senza il derating altrimenti usuale. Ma anche alle temperature negative salgono le aspettative: i -40 °C sono oggi quasi già la regola. I citati convertitori della famiglia RPP possono permettere di lavorare, a richiesta, perfino a temperature di - 55 °C.
Il fabbisogno di spazio
suggerisce soluzioni modulari
La tendenza alla miniaturizzazione è continua. Qui si palesa un ulteriore importante vantaggio dei convertitori di tensione modulari. La loro “impronta” sulla scheda è di gran lunga inferiore di quella di soluzioni discrete. Spesso basta già questo a giustificare i costi superiori. A ciò si aggiunge che i convertitori incapsulati sono meno sensibili alle influenze ambientali, compresi urti e vibrazioni. Per il test e l’ottimizzazione dei suoi convertitori Recom dispone di un laboratorio ambientale bene attrezzato nel quale i prototipi vengono sottoposti a test di invecchiamento precoce (“HALT”), nei quali viene simulato il comportamento a lungo termine di un modulo sotto condizioni difficili. L’aspettativa di durata dei convertitori è quindi molto alta e non deve sorprendere che i convertitori cc-cc vengano generalmente forniti con una garanzia di 3 anni.
Moduli contraffatti: la differenza
fra apparenza e sostanza
Creano preoccupazione le sempre nuove contraffazioni, probabilmente di origine cinese che, in considerazione dei crescenti tempi di fornitura, si presume arrivino sul mercato tramite canali dubbi. Stampare package dall’aspetto esterno quasi identico con denominazioni del tipo, logo e marchi di controllo falsificati e in tal modo portare in commercio convertitori scadenti è ovviamente troppo allettante. In tal caso viene truffato il cliente, cascato in buona fede in offerte economiche, per le quali non gode di diritti di garanzia. Negli ultimi 12 mesi un costruttore di macchine tedesco ha dovuto sostenere un’enorme sforzo in prestazioni di garanzia per sostituire le copie falsificate del convertitore REC5. Come i raggi X hanno riconosciuto a posteriori, le spire primarie e secondarie del trasformatore erano state semplicemente avvolte le une sopra alle altre – senza prestare attenzione ai valori d’isolamento specificati. Sebbene il componente contraffatto esternamente si distinguesse a malapena dall’originale, la struttura interna non soddisfaceva i requisiti minimi di qualità e ha provocato già dopo pochi mesi guasti in serie durante la produzione. Si consiglia pertanto di prestare particolare attenzione in caso di offerte in apparenza particolarmente convenienti.
