Power Module, una scelta vincente

Nello sviluppo di regolatori switching step-down a livello di silicio (controller più Fet), o power modules, dove integrazione e facilità d'impiego rispetto ad un più completo sottosistema d'alimentazione sono preferibili, i sistemisti sono sotto grande pressione. Col risultato che, spesso, si lasciano prendere la mano nell'integrare più potenza e prestazioni all'interno di dimensioni sempre più ridotte, influenzando così negativamente le caratteristiche elettriche e termiche del sistema. Vari sono gli ostacoli che i sistemisti devono superare sulla via verso il paradiso dell'integrazione. Tra questi, una maggiore probabilità di accoppiamento del rumore dovuta alla estrema prossimità dei componenti, e la dissipazione del calore, visto che si vuole gestire sempre più potenza in spazi sempre più ristretti. Per soddisfare questi pressanti requisiti, i progettisti cercano strade sempre più innovative, sia in termini di architetture che di approcci topologici in grado di ricavare le massime prestazioni da package sempre più piccoli. Ed è proprio in tale contesto di innovazione, che il progettista deve poi sciogliere il suo dilemma: scegliere la soluzione più adatta e più prestante. Ma con alcune difficoltà: le tecniche utilizzate nelle diverse soluzioni possono influenzare enormemente il costo del sistema nel suo complesso come pure alcuni aspetti delle sue prestazioni come dissipazione di calore, risposta ai transienti, ripple, e facilità di impiego. Molte sono le ragioni che spingono un progettista a scegliere un power module piuttosto che progettare un convertitore a componenti discreti: tra queste, non ultime, l'immediatezza d'uso e il time-to-market. Grazie a questi dispositivi, il progetto può essere portato facilmente e velocemente a termine solo aggiungendo alcuni condensatori all'ingresso e all'uscita e, soprattutto, senza spiacevoli sorprese circa prestazioni di base e spazio occupato. In definitiva, il power module è un completo sistema di conversione incapsulato in un package che comprende controller Pwm, switching Mosfet sincroni, induttanze e componenti passivi. Per esempio, il power module ISL8203M di Intersil ha un package dal profilo estremamente basso di 1,83 mm, simile all'altezza di un condensatore di formato 1206. Inoltre, fornisce eccellenti prestazioni elettriche e tecniche da soddisfare anche i requisiti più esigenti. Normalmente un tale biglietto da visita sarebbe più che sufficiente: ma dal momento che come questo modulo è stato progettato ne può influenzare molto alcuni parametri prestazionali, con le possibilità operative che ne conseguono, è opportuno guardarci dentro.

Uno sguardo all'interno
L'ISL8203M è un completo power module Dc-Dc ottimizzato per produrre basse tensioni di uscita nell'intervallo da 0,8 a 5 V, ideale quindi per ogni applicazione a bassa potenza e bassa tensione, con ingresso da 2,85 a 6 V. Strutturato in due canali, sfasati di 180° al fine di ridurre le correnti Rms d'ingresso e le emissioni Emi, è in grado di fornire una corrente d'uscita di 3 A per canale. I due canali possono essere messi in parallelo a formare una singola uscita di 6 A in current-sharing: in tale modalità, lo sfasamento riduce il ripple in ingresso e in uscita. L'ISL8303M è alto solo 1,83 mm, con una pianta di 6,5 x 9 mm ed è anche il più compatto dal punto di vista dimensionale per un determinato campo di tensioni e correnti di ingresso e uscita; con il suo volume complessivo di soli 106 mm3, è decisamente il più piccolo tra tutti i dispositivi concorrenti. Nonostante la sua compattezza, può vantare una ottima efficienza.

Un piccolo package con eccellenti prestazioni termiche
Dal punto di vista costruttivo, l'ISL8203M usa un package Qfn in cui il componente interno è saldato direttamente al lead frame in rame. I wire bond, applicati alla sommità del componente interno, ne garantiscono il collegamento al lead-frame. Una colata di resina interviene infine a formare un package completamente incapsulato. Una tale struttura permette che il calore prodotto dai componenti interni sia dissipato direttamente dal rame del lead frame che ha una conduttività termica di circa 385 W/mK, ben 1000 volte quello del circuito stampato che solitamente è dell'ordine di 0.343 W/mK. Come risultato, il lead frame di rame può aiutare a dissipare il calore molto meglio di quanto non avvenga in un modulo costruito su Pcb. Inoltre, dal momento che il lead-frame di rame può avere uno spessore 6 volte quello di 1oz di rame tipico di un normale Pcb, il lead frame del modulo può aiutare a disperdere il calore su una grande superficie, accelerando così il trasferimento di calore sulla piastra principale. In conclusione, la prestazione termica del modulo può essere migliore che in una soluzione discreta dove il componente è saldato direttamente al Pcb di sistema. È importante notare che anche il materiale di impregnazione nella struttura può avere un effetto analogo di trasmissione del calore al leadframe di rame. Sebbene la resina abbia una bassa conducibilità termica, il calore può comunque passare attraverso l'impregnazione in senso orizzontale e quindi dissiparsi sul lead frame. L'impregnazione inoltre incrementa l'area effettiva del trasferimento di calore dal componente interno di potenza, diminuendo così la resistenza termica dall'interno verso l'ambiente. È questo un altro importante vantaggio dei power module: la possibilità di gestire una considerevole potenza in un contenitore più piccolo rispetto a soluzioni discrete. Consideriamo la prestazione termica di un ISL8303M montato su una scheda di valutazione standard a 4 strati con i 2 strati esterni in rame da 2oz e gli strati interni in rame da 1oz. In uno scenario di caso pessimo di questo tipo: ingresso 5 V, uscita 3,3 V a 6 A senza flusso d'aria e temperatura ambiente di 25°C, la massima temperatura del modulo è di soli 66,8°C

Per i transienti, i moduli Current-Mode offrono migliori prestazioni
Generalmente nei moduli si usano 2 tipologie di schemi di controllo: current-mode e voltage mode. Per assicurare una veloce risposta ai transienti sotto varie condizioni di carico, l'ISL8203M usa uno schema di controllo current mode per regolare la tensione di uscita. Il segnale di corrente è derivato dalla tensione attraverso la resistenza di conduzione (Rdson) del Fet superiore del convertitore buck sincronizzato. Questo segnale è poi introdotto nell'amplificatore di corrente, la cui uscita subisce una compensazone in pendenza prima di essere confrontata con l'uscita dell'amplificatore d'errore per produrre quello che ora diventa il segnale modulato in larghezza. Attraverso il driver, il segnale Pwm può controllare il convertitore buck sincronizzato per ottenere la voluta regolazione di tensione. La compensazione dell'amplificatore d'errore è necessaria per incrementare il guadagno del loop e il margine di fase per ottenere la migliore prestazione e stabilità. La struttura del controllo voltage-mode è più semplice: in essa il blocco tratteggiato nella Fig. 6 (a) è sostituito da una rampa a dente di sega con frequenza fissa (b). Questa rampa, invece del segnale di corrente della struttura curent-mode, è confrontata con l'uscita dell'amplificatore d'errore per produrre il segnale Pwm richiesto. Il controllo voltage-mode è anche facile da comprendere. Il suo sistema ad anello aperto è un sistema di secondo ordine, in cui induttanza e condensatore d'uscita costituiscono i poli complessi. La sua fase normalizzata Tv(s) cade molto rapidamente di 180° intorno alla frequenza di risonanza di 20 kHz dei poli complessi. Questo sistema è dipendente dai componenti di compensazione per incrementare il margine di fase allo scopo di raggiungere la stabilità. D'altro canto, ha solo 10° di margine di fase alla frequenza di crossover di 50 kHz, mentre per rendere stabile il loop è necessario un più elevato margine di fase, solitamente maggiore di 40°. Se prendiamo lo stesso sistema di controllo voltage-mode rappresentato in (b) e lo trasformiamo nel loop di corrente della Fig. 6a questo diventa un sistema di controllo current-mode. Il diagramma di Bode a loop aperto del sistema è mostrato in Fig. 7 come Tc(s). Questo è simile a un sistema di primo ordine alla bassa frequenza, così la fase è sensibilmente innalzata da 20 kHz a 500 kHz (Fig. 7b). Anche senza i componenti di compensazione, il sistema è comunque stabile. Anche se si aggiunge una semplice compensazione per aumentare il guadagno a bassa frequenza e spingere la frequenza di crossover a circa 50 kHz, il margine di fase del controllo current-mode può ancora essere di circa 80°, sufficiente per tenere stabile il sistema. Così, per un controllo current-mode, la compensazione è relativamente semplice, rispetto al voltage-mode, e può coprire una ampia gamma di differenti capacità d'uscita grazie al grande incremento di fase a loop aperto. Nei power module la compensazione è fissa internamente al package: ciò vuol dire che se le capacità d'uscita cambiano a seconda delle particolari applicazioni, i poli complessi del controllo voltage-mode possono spostarsi significativamente. La compensazione fissa non potrà mai coprire un ampio range di capacità d'uscita dal momento che la sua fase a loop aperto alla frequenza di risonanza LC è troppo bassa. Così in molti casi si può stabilire un insufficiente margine di fase al variare delle condizioni del carico. Per evitare questo problema, il modulo voltage-mode deve ridurre la larghezza di banda del loop (frequenza di cross-over) al fine di garantire un sufficiente margine di fase che consenta di ottenere la stessa stabilità nelle varie condizioni di carico di un controllo current-mode. La contropartita di una minor larghezza di banda è però una scarsa prestazione in termini di risposta ai transienti. Per illustrare questa inopportuna differenza di prestazioni rispetto ai transienti, abbiamo scelto un power module concorrente da 4 A con controllo voltage-mode da mettere a confronto con l' ISL8203M, riportando i rispettivi diagrammi di Bode per i due modi nella Fig. 8. Stabilendo per il test le medesime capacità d'uscita, con margine di fase per entrambi di 60°, la loop bandwith dell'ISL8203M a singola uscita 3 A è molto più alta di quella del modulo voltage-mode, portando alla conclusione che l' ISL8203M ha una migliore prestazione ai transienti. Nelle medesime condizioni di test, l'ISL8203M ha una variazione picco-picco di 240 mV e un tempo di recupero di soli 25 µS, contro i 275 mV picco-picco e 70 µS del voltage-mode.

Ripple più basso con le uscite in parallelo
L'ISL8203M può fornire due uscite separate da 3 A o una da 6 A. Quando funziona a 6A, le due uscite vengono collegate in parallelo. Con uno sfasamento di 180° tra le due uscite, i ripple in ingresso e uscita si riducono drasticamente. Il ripple con le uscite in parallelo è di soli 11 mV, mentre quello del modulo monofase della concorrenza arriva a 36 mV nelle stesse condizioni. Cosa molto importante, l'ISL8203M per ottenere un certo ripple in uscita ha bisogno di una capacità di valore inferiore alla metà di quella richiesta dal modulo monofase concorrente, con un conseguente risparmio di costo.

Un’ottima scelta per bassa potenza e bassa tensione
L'ISL8203M si presenta in un package compatto con prestazioni elettriche e termiche in grado di soddisfare le esigenze più critiche. Senza bisogno di dissipatore o di aria forzata, fornisce al carico una potenza complessiva di 20 W, raggiungendo una massima temperatura di soli 66,8°C. Il suo schema di controllo current-mode gli permette di esprimere buone prestazioni ai transienti con un eccellente residuo picco-picco e un recovery time un terzo di quello dei moduli concorrenti. La sua speciale modalità di funzionamento in parallelo lo mette in grado di fornire 6 A con un ripple estremamente basso e due uscite sfasate di 180°, particolarità che consente di raggiungere un determinato coefficiente di ripple con un significativo risparmio di costo in componenti. Con queste prestazioni di prim'ordine, l'ISL8203M è un'ottima scelta per qualsiasi applicazione a bassa potenza e bassa tensione, come in test e misure, infrastrutture di comunicazione e sistemi di controllo industriali, tutte necessitanti di alta densità e buone prestazioni. Per superare le sfide poste dal progetto di sottosistemi di potenza, molti progettisti sono orientati all'impiego dei power module invece dei tradizionali point-of-load, quando time-to-market, dimensioni, vincoli, affidabilità e flessi

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