Nuovi traguardi per la densità di potenza

La densità di potenza è una vera e propria "spina nel fianco" per gli sviluppatori di prodotti e la richiesta di correnti sempre più elevate in corrispondenza di diversi valori di tensione, spesso molto inferiori a quelli del bus di sistema, ha generato la domanda di regolatori buck più piccoli in grado di convertire tensioni a 48 V a 1 V con correnti di uscita di svariati Ampere in un singolo stadio: in questo modo essi possono essere ubicati più vicini al punto di carico garantendo comunque livelli di efficienza superiori al 95%. Elevati livelli di integrazione e conversione di potenza efficiente sono due concetti abbastanza in antitesi poiché solitamente i procedimenti utilizzati per ottimizzare questi due aspetti non sono completamente compatibili. A volte si possono individuare compromessi accettabili, come nei casi di regolatori DC/DC che erogano potenze di modesta entità a partire da intervalli di tensioni di ingresso non molto ampi oppure laddove possono essere tollerati livelli di efficienza non particolarmente elevati. Sfortunatamente per gli sviluppatori di sistemi, compromessi di questo tipo trovano sempre meno spazio.

Attualmente vi è un ristretto numero di regolatori di potenza che, a fronte di un’elevata integrazione, sono caratterizzati da livelli di prestazioni ed efficienza relativamente modesti. In un numero sempre crescente di applicazioni, dove i compromessi sono sempre meno tollerati, il livello di integrazione è limitato al controllore e ai driver (circuiti di pilotaggio) low-side/high-side per i MOSFET esterni. La soluzione ideale, invece, contemplerebbe l’integrazione di tutte le funzionalità di un convertitore buck in un singolo dispositivo compatto ad alta efficienza che includa il controller, il driver e i MOSFET, con notevoli vantaggi per il sistema nel suo complesso.

L’unione fa la forza

Sono numerose le ragioni per le quali l’integrazione è un processo utile. In una soluzione digitale o a segnali misti, come ad esempio un microcontrollore, l’integrazione permette di consolidare un certo numero di funzioni che solitamente sono richieste in una pluralità di applicazioni. L’inclusione di queste funzioni e caratteristiche in un unico dispositivo dà vita a una soluzione che, oltre a soddisfare le esigenze di numero relativamente vasto di produttori, consente di ridurre il costo della BOM. In questo caso l’integrazione è possibile grazie agli sviluppi nel settore dei processi di fabbricazione dei semiconduttori.

In un dispositivo di potenza, i vantaggi in termini di costi derivati dall’integrazione ha un impatto ancora più rilevante: un’integrazione più stretta tra i principali componenti usati nella conversione buck, per esempio, può consentire un aumento diretto in termini di efficienza, che non solo contribuisce a ridurre i costi della BOM, ma anche i consumi del sistema.

Sovente, grazie all’aumento dell’efficienza, i produttori possono anche ridurre i costi legati al sistema di raffreddamento del sistema. Ciò può portare a una diminuzione del TCO (Total Cost of Ownership – costo di possesso) del sistema in un numero crescente di applicazioni tra cui apparecchiature per telecomunicazioni e networking, stazioni base, automazione industriale (robotica inclusa), elettrodomestici e utensili elettrici, distributori e sportelli automatici, macchine per il gaming e alimentatori utilizzati per la ricarica dei dispositivi portatili.

Moduli multichip

Per integrare più componenti all’interno di un singolo package sono possibili due approcci: quello che prevede l’uso di moduli multichip (MCM – Multi Chip Module) e quello monolitico. Rispetto all’integrazione di tutte le funzioni desiderate in un unico chip monolitico, i moduli MCM offrono alcuni vantaggi in termini di miglioramento delle prestazioni, miniaturizzazione e riduzione dei tempi di introduzione sul mercato di un prodotto.

Un produttore come ON Semiconductor, che può avere accesso alle tecnologie più adatte, è in grado di sviluppare un approccio ottimizzato per lo sviluppo di un modulo multichip. Ad alto livello, la topologia di un regolatore buck sincrono prevede tre componenti chiave: il controllore, il (o i) circuito (i) per il pilotaggio del gate e i MOSFET di potenza impiegati per la commutazione. Mentre sono parecchi gli esempi di dispositivi che integrano il controller e i circuiti di pilotaggio, da utilizzare con MOSFET esterni, sono molto pochi quelli che prevedono l'inclusione di tutte le tre funzioni in un singolo dispositivo e sono in grado di offrire vantaggi di rilevo ai progettisti di sistemi.

La famiglia FAN6500XX formata da regolatori buck sincroni con controllo in “voltage mode” è un esempio di dispositivi caratterizzati da un livello di integrazione di questo tipo. L'adozione di un approccio mirato all’integrazione significa progettare e ottimizzare ciascun elemento in funzione del compito che è chiamato a svolgere, in modo da dar vita a un modulo multichip che abbini eccellenti valori di corrente di uscita con un livello di prestazioni difficilmente conseguibile utilizzando componenti discreti. La serie in questione è composta da tre dispositivi che si differenziano in funzione dei valori di corrente di uscita, pari rispettivamente a 6, 8 e 10 A. La compatibilità a livello di pin è preservata tra tutti i membri della famiglia, ospitati in package PQFN di dimensioni pari a soli 6 x 6 mm. Gli OEM possono così scegliere il componente più idoneo per la loro applicazione anche una volta completato il progetto della scheda PCB. Il diagramma funzionale del regolatore buck FAN6500XX in una tipica applicazione è riportato in figura 1.

Gestire l’intensità di pilotaggio

Uno dei principali vantaggi dell’integrazione dei MOSFT “high side” e “low-side” nel medesimo package è l’ottimizzazione dell’intensità di pilotaggio dei MOSFET. In una soluzione tradizionale i MOSFET sono esterni e selezionati in base ai requisiti di corrente di uscita. Sebbene ciò può risultare vantaggioso nel momento in cui si progetta per la corrente richiesta, un approccio di questo tipo presenta parecchi svantaggi che un MCM è in grado di superare.

Sebbene la corrente di alimentazione effettiva che può essere fornita sarà limitata dalla capacità dei gate driver integrati, il problema principale con i MOSFET esterni si presenta nel momento in cui si chiude l’anello di controllo al fine di rilevare la corrente high-side. Si tratta di un elemento cruciale della soluzione complessiva, in quanto fornisce, oltre alla regolazione, la protezione contro le sovra correnti. Nel caso di MOSFET interni progettati unitamente al controllore e al circuito di pilotaggio, i coefficienti di temperatura di tutti i componenti sono adattati in modo più preciso, con conseguente aumento dell’accuratezza. Al contrario, in una topologia che prevede MOSFET esterni, l’adattamento non risulta così preciso e ciò può comportare una riduzione del livello di efficienza.

Un ulteriore vantaggio derivato dallo sviluppo di componenti da utilizzare per una soluzione multichip è rappresentato dalla possibilità di ottimizzare il progetto dei circuiti per il pilotaggio del gate e i MOSFET. Ciò significa che lo slew rate del circuito di pilotaggio può essere ottimizzato in funzione dei MOSFET utilizzati (in questo caso realizzati sfruttando la tecnologia Power Trench di ON Semiconductor).

Ciò comporta una riduzione dell’oscillazione del nodo di commutazione e una diminuzione delle possibilità che si verifichino fenomeni di shoot-through o conduzione incrociata (cross-conduction). Anche il livello di affidabilità aumenta, poiché grazie a questo approccio di natura modulare esiste un solo punto di vulnerabilità (SPOF – Single Point of Failure) nel progetto di un alimentatore. Il processo di qualificazione è condotto sull’intera soluzione, non sui singoli componenti, il che permette di formulare un numero minore di congetture con conseguente riduzione dei rischi.

Un gran numero di modalità di funzionamento

Oltre ai vantaggi derivati dall'elevato livello di integrazione, i componenti la famiglia FAN6500XX possono operare secondo diverse modalità per garantire una maggiore flessibilità in fase di progetto. Essi possono funzionare in modo continuo (CCM - Continuous Conduction Mode) e discontinuo (DCN - Discontinuous Conduction Mode) in modalità Master e Non-Master. Il pin "Mode" presente sui dispositivi controlla se questi operano in modalità a modulazione di impulsi o a sincronizzazione di frequenza, in modo da garantire diverse opzioni in fase di progetto.

Gestione termica

Il progetto di questo modulo multichip prevede il collegamento fisico del terminale di source del MOSFET low side a un piano di massa di ampie dimensioni. Ciò contribuisce a creare un percorso termico efficiente verso gli strati interni della scheda PCB attraverso le vias. Un progetto di questo tipo permette di migliorare le caratteristiche termiche del modulo, incrementando ulteriormente l'efficienza complessiva.

L'uso di MOSFET PowerTrench® e di un package PQFN-35 compatto (6x6 mm) e ottimizzato dal punto di vista termico permette ai componenti la serie FAN6500XX di garantire ottime prestazioni per quel che riguarda la densità di potenza. Nell'esempio di figura 3, il regolatore FAN65004B è utilizzato per realizzare un convertitore in grado di convertire una tensione di ingresso di 48 V in una tensione di uscita a 28 V con una corrente di uscita di 5 A. Come si evince dalla figura, la temperatura del contenitore misurata tramite la termocoppia posizionata sul FET high-side (T1) è pari a 117,9 °C, mentre la termocoppia posizionata sulla parte inferiore fornisce una valore di temperatura ambiente (T2) pari a 98,9 °C. Questa soluzione fornisce quindi una potenza di uscita pari a 140 W con un'efficienza del 97% a fronte di un incremento di temperatura di soli 19 °C.

Fig. 3 – Questo esempio dimostra l'efficienza termica dei regolatori della serie FAN6500XX

La serie FAN6500XX (composta dai dispositivi FAN65004B, FAN65005A, FAN65008B) di regolatori buck sincronizzati con controllo in voltage mode si propone come una soluzione completa in un singolo package che permette a progettisti di alimentatori e sviluppatori di sistemi di ottenere una densità di potenza nettamente maggiore in un'ampia gamma di applicazioni. In grado di funzionare in un ampio intervallo di tensioni di ingresso, compreso tra 4,5 e 65 V, e caratterizzati da tensioni di uscita e correnti continue di uscita comprese tra 0,6 e 55 V e tra 6 e 10 A rispettivamente, i regolatori della linea FAN6500XX abbinano elevata densità di potenza a livelli di integrazione particolarmente spinti.

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