Per gestire la potenza servono integrazione e innovazione

LA PAROLA A... ALFRED HESENER –

Ottimizzare i progetti di sistemi elettronici per i consumi richiede da parte dei progettisti un nuovo approccio e l’uso di componenti avanzati allo stato dell’arte.

La riduzione dei consumi è diventata ormai una priorità per le aziende, non solo per prolungare la durata delle batterie nelle applicazioni portatili, ma anche per limitare i consumi e quindi l'impatto degli apparecchi elettronici sull'ambiente e sul budget di aziende e famiglie, e per rispettare normative e standard sempre più severi in tema di risparmio energetico. Ottimizzare i progetti di sistemi elettronici per i consumi richiede da parte dei progettisti un nuovo approccio e l'uso di componenti avanzati allo stato dell'arte. Ne costituiscono un esempio gli ultimi componenti proposti da Fairchild Semiconductor come i Power-SPM FPP06R001, moduli altamente integrati per il raddrizzamento sincrono che aumentano l'efficienza elettrica, la robustezza del sistema e i risparmi di spazio all'interno degli alimentatori. Per saperne di più sulle tecnologie, gli standard e le tendenze emergenti nel campo della gestione della potenza, abbiamo posto alcune domande a Alfred Hesener, Director Marketing & Applications Europe di Fairchild Semiconductor.

I nuovi moduli Power-SPM FPP06R001 altamente integrati e ad alta efficienza integrano due Mosfet PowerTrench. Quali sono stati i motivi della scelta di questa tecnologia di transistor di potenza e quali sono i suoi principali vantaggi?

Con la nuova tecnologia PowerTrench è richiesto meno spazio per l'isolamento fra i singoli dispositivi che compongono il Mosfet di potenza. I transistor sono molto più piccoli a parità di potenza supportata; in altri termini, la tecnologia consente di integrare più dispositivi a parità di area, con una conseguente riduzione dei costi. Anche la dissipazione di potenza risulta ridotta, come pure le perdite degli switch; inoltre la resistenza di on e gli effetti parassiti sono minimizzati. La tecnologia PowerTrench è usata anche per realizzare componenti discreti.

I moduli Power-SPM FPP06R001 offrono anche una riduzione del 10% della resistenza di on e del 16% delle induttanze parassite, con un conseguente abbattimento delle Emi e un miglioramento dell'affidabilità. In che modo sono state ottenute queste prestazioni?

Sono state rimosse alcune delle limitazioni legate ai package standard, e sono state introdotte interconnessioni più corte e larghe, che riducono gli effetti parassiti e quindi la resistenza del segnale e le induttanze. Queste ultime costituiscono un grosso problema per le frequenze di commutazione elevate, generando Emi ed altri disturbi.

In che modo il packaging impatta sulle prestazioni dei dispositivi per la gestione della potenza?

Il packaging influisce in modo significativo sulle prestazioni dei prodotti. È per questo motivo che effettuiamo il test dei nostri moduli di alimentazione alla fine del processo di assemblaggio e valutiamo il tasso di guasti a livello di modulo. Per contro il tasso di guasti dei componenti discreti deve essere moltiplicato per ciascuno dei singoli componenti, tenendo conto anche della fase di assemblaggio e del package. Un package ottimizzato offre anche prestazioni termiche superiori ed una robustezza migliore. È importante anche ridurre le dimensioni degli alimentatori, specialmente per le applicazioni in campo consumer, massimizzando il livello di integrazione ogni qualvolta è possibile. Un design compatto dell'alimentatore è ideale anche in campo industriale o automotive, in cui ci possono essere forti vincoli di spazio e sulla dissipazione di potenza.

La presenza di più standard per la gestione della potenza per il risparmio energetico è ancora una fonte di confusione per i progettisti? Pensa che sarà possibile avere un'unica "energy label" per i prodotti?

Certamente l'esistenza di più standard genera confusione, soprattutto fra le piccole e medie imprese, ma è anche un'opportunità: essere conformi agli standard è un grande vantaggio competitivo. I nostri Power Centre of Excellence offrono servizi di consulenza su questi aspetti: i nostri Fae aiutano i clienti a progettare gli alimentatori in base alle specifiche degli standard e delle normative, e questo servizio è molto apprezzato dalla comunità di progettisti, soprattutto fra i clienti le cui competenze di base non sono incentrate sui sistemi di alimentazione. Invece, ai clienti specializzati nella realizzazione di alimentatori, ci limitiamo a spiegare i vantaggi dei nuovi prodotti. Inoltre, mettiamo a disposizione soluzioni complete e conformi agli standard, che i clienti possono riutilizzare nei propri progetti. La creazione di una energy label unica è ancora molto lontana. Solo in Europa, ad esempio, ci sono 3 diverse energy label. Addirittura, alcuni prodotti consumer, come i carica batterie o le batterie dei cellulari, devono indicare anche più di 20 etichette per poter essere venduti a livello internazionale. Questo è indubbiamente uno spreco perché molti test sono ridondanti, il che rende la certificazione più lunga e costosa.

In generale, in quali casi una soluzione discreta è ancora una soluzione preferibile rispetto ad una integrata e ad una monolitica?

Esistono indubbiamente applicazioni in cui i componenti discreti trovano spazio, come ad esempio nelle applicazioni più mature a basso costo, che stanno tuttavia scomparendo. Alcune applicazioni inoltre richiedono livelli di potenza molto alti e non hanno particolari vincoli di spazio, per cui i componenti discreti possono garantire una migliore dissipazione termica, montando un opportuno dissipatore. I sistemi elettronici di ultima generazione fanno uso principalmente di moduli integrati per l'alimentazione, dati i forti vincoli di spazio e i requisiti di efficienza imposti da standard e normative. In un modulo integrato infatti, ciascun componente risulta ottimizzato, cosa che invece non è possibile con le soluzioni monolitiche su chip singolo. Per contro queste ultime assicurano un'occupazione di spazio e consumi molto bassi, e sono indicate per livelli di potenza dell'ordine di qualche Watt, ideali l'alimentazione di applicazioni portatili come i telefoni cellulari o i lettori MP3. Un'altra differenza importante fra i moduli integrati e le soluzioni basate su componenti discreti riguarda il second sourcing, che è più facile ottenere con questi ultimi, al prezzo però di non poter usare le ultime tecnologie e di avere dei limiti nelle prestazioni e nell'occupazione di spazio. I componenti discreti inoltre possono avere delle caratteristiche anche leggermente differenti da un produttore all'altro. Fairchild mantiene il supporto ai componenti discreti per l'alimentazione, pur incoraggiando il passaggio verso una soluzione basata su moduli integrati.

Ritiene che la necessità di soluzioni più efficienti per la gestione della potenza porterà verso un'ulteriore "specializzazione" degli IC di potenza?

Esiste un deciso trend verso l'uso di componenti ottimizzati per un'applicazione, in grado di fornire una maggiore efficienza. Allo stesso tempo è cruciale non rendere il dispositivo troppo specifico, altrimenti non è possibile riutilizzarlo per più progetti diversi, ammortizzando così i costi di fabbricazione e per la ricerca e sviluppo.

I requisiti di potenza nelle regioni emergenti differiscono da quelli nelle altre aree geografiche? In che modo Fairchild serve queste aree?

La gestione della potenza è un requisito critico per tutte le applicazioni, in qualsiasi area geografica. Tanto più che Paesi emergenti come Cina, India, Vietnam e Filippine, fabbricano prodotti per gli altri Paesi, e devono quindi rispettarne i requisiti. D'altro canto, nei Paesi emergenti le applicazioni sono leggermente meno complesse e con costi inferiori. Essendo in genere presenti più variazioni sulle tensioni delle linee elettriche, occorrono dispositivi più robusti per l'alimentazione. Ciò può essere ottenuto facilmente con una buona progettazione degli alimentatori. Per questo motivo abbiamo aperto dei centri di progettazione per alimentatori in queste regioni, ad esempio in Cina.

Fairchild realizza anche dispositivi per la generazione dell'energia pulita o per l'auto ibrida?

Fairchild è attivamente impegnata nello sviluppo di soluzioni per la generazione di energia pulita, in particolare per l'energia solare. Siamo anche in contatto con i principali produttori di moduli di alimentazione per auto ibride. Al momento le dimensioni del mercato sono ridotte, ma gli importanti investimenti che le case automobilistiche stanno compiendo in questo senso costituiscono un importante driver per una forte crescita del settore nei prossimi anni: basti solo pensare entro il 2012 Toyota ha intenzione di produrre modelli ibridi per tutta la gamma di autovetture che commercializza.

Il mercato dei semiconduttori di potenza ha mostrato un andamento di solida crescita negli ultimi anni, superiore a quella del mercato globale. Pensa che questo trend continuerà?

Si assisterà senza dubbio ad una crescita molto solida del mercato dei semiconduttori di potenza. L'esigenza di migliorare l'efficienza energetica in applicazioni comuni come gli elettrodomestici è infatti in costante aumento. Per il 2009, la crescita prevista per il mercato dei dispositivi per la gestione della potenza è pari all'8 o al 9%, e si prevede un trend simile negli anni seguenti. A differenza di altri dispositivi su semiconduttore, come le memorie, che sono diventate molto sensibili alle oscillazioni dei prezzi, per i dispositivi di potenza i prezzi sono relativamente stabili. La qualità e le prestazioni sono infatti due requisiti molto importanti per i progettisti di sistemi di alimentazione, che non considerano quindi solo il costo quando scelgono un dispositivo per la gestione della potenza. Inoltre, lo sviluppo di una nuova tecnologia richiede anche 3 o 4 anni e diversi milioni di dollari. Per questo motivo, sebbene il mercato dei dispositivi di potenza sia molto frammentato, sono poche le aziende in grado di proporre soluzioni innovative.

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