Regolatori buck a commutazione e alta corrente

Gli attuali sistemi basati su circuiti integrati digitali ad alta densità di potenza, come apparati industriali, per trasmissione dati e telecomunicazioni, server, dispositivi medici, apparecchi audio-video, ecc. presentano un set unico di requisiti per quanto riguarda l’alimentazione. La combinazione di corrente elevata, bassa tensione e risposta al transitorio rapida, necessaria per questa generazione attuale di processori Fpga e Asic, pone richieste ancora più rigorose sugli alimentatori che alimentano il dispositivo. Questi circuiti integrati digitali sono molto efficienti ma inaffidabili dal punto di vista dell’alimentazione. Tradizionalmente, per alimentare questi dispositivi si sono utilizzati regolatori a commutazione con Mosfet ad alta potenza separati, che però hanno mostrato di presentare problemi di interferenza da rumore, risposta al transitorio più lenta e limitazioni sul layout. Pertanto, negli ultimi anni si è impiegata l’alternativa offerta dai regolatori a bassa caduta di tensione o Ldo, che riducono al minimo la generazione del calore ma non senza un proprio set di limitazioni. Tuttavia, grazie a recenti innovazioni in quest’area, la tendenza sta cambiando. Nuovi regolatori a commutazione monolitici ad alta potenza non presentano più compromessi in termini di prestazioni e il loro uso si sta diffondendo rapidamente in queste applicazioni.

I regolatori switching

La conversione in discesa e la regolazione di un segnale ad alta corrente e bassa tensione sono ottenibili con un’ampia gamma di metodi e di compromessi nella fase di progettazione. Anzitutto, i regolatori a commutazione funzionano con elevata efficienza in presenza di alte correnti in un vasto range di tensioni, ma richiedono componenti esterni come induttori e condensatori (e anche Fet). Le pompe di carica senza induttori (o i convertitori di tensione con condensatori a commutazione) sono pure impiegabili per ottenere la conversione a tensioni inferiori ma esistono limiti sulla corrente di uscita che può essere prodotta, hanno prestazioni scadenti in caso di transitori e richiedono un numero maggiore di componenti esterni rispetto a un regolatore lineare, per cui non sono utilizzate spesso per l’alimentazione di circuiti integrati digitali. Al contrario, i regolatori lineari e particolarmente i regolatori Ldo sono semplici poiché per il funzionamento richiedono solo due condensatori esterni. Possono però essere limitati in termini di potenza a seconda del valore del differenziale di tensione fra ingresso e uscita e del valore di corrente richiesta dal carico, nonché in funzione delle caratteristiche di resistenza termica del package. Tutto ciò ne limita la penetrazione nel segmento degli alimentatori di circuiti integrati digitali.

Problemi di progettazione

Seguendo da vicino la legge di Moore, le larghezze di linea riproducibili con la tecnologia di fabbricazione dei wafer diminuiscono, richiedendo pertanto il funzionamento a tensione inferiore dei circuiti integrati digitali. Processi con geometrie ridotte consentono un’integrazione maggiore di circuiti che richiedono potenze notevoli nel prodotto finale. Per esempio, i server e i router dei moderni sistemi di elaborazione richiedono larghezze di banda superiori per trasmettere una quantità maggiore di dati e instradare il traffico di rete. Gli autoveicoli sono dotati di un numero maggiore di sistemi elettronici per l’intrattenimento, la navigazione, le funzioni di guida automatica e anche il controllo del motore. Nel consegue che aumenta il consumo di corrente del sistema e la potenza totale correlata. Sono quindi necessari package all’avanguardia e circuiti innovativi dello stadio di potenza interno per dissipare il calore generato dal circuito integrato di alimentazione e al tempo stesso erogare potenza a livelli senza precedenti. I requisiti per un’elevata reiezione dell’alimentatore e basso rumore o ripple della tensione di uscita costituiscono due ulteriori problemi ai quali occorre pure far fronte. Un dispositivo con elevata reiezione dell’alimentatore può filtrare e bloccare il rumore all’ingresso più facilmente, così che l’uscita è stabile e “pulita”. Inoltre, un dispositivo con basso rumore della tensione di uscita su una notevole larghezza di banda con basso ripple all’uscita offre vantaggi quando occorre alimentare le moderne linee di tensione a basso rumore, in cui la sensibilità al rumore è una considerazione progettuale importante. Mentre diventano più complessi i requisiti sulla velocità per gli Fpga dalle prestazioni superiori, la tolleranza sul rumore dell’alimentatore continua a diminuire per ridurre al minimo gli errori “correlati ai bit”. Questi errori digitali causati dal rumore riducono drasticamente il throughput effettivo dei dati per questi Pld ad alta velocità. Il rumore dell’alimentatore all’ingresso ad alte correnti è ovviamente una specifica importante ma difficile da soddisfare. Velocità elevate dei transceiver, per esempio negli Fpga, impongono livelli di corrente superiori a causa del maggiore consumo di potenza risultante dalla commutazione di circuiti con geometrie ridottissime. Questi circuiti integrati sono veloci: possono realizzare cicli della corrente di carico da quasi zero o molti ampere in decine o centinaia di nanosecondi, richiedendo un regolatore con risposta ultraveloce al transitorio. L’area sulla scheda riservata ai regolatori di potenza diminuisce sempre di più ed è ben noto che un regolatore switching monolitico con elevata frequenza di commutazione riduce le dimensioni dei componenti esterni e quindi quelle della soluzione complessiva, con un compromesso di una perdita di efficienza di minore entità a causa delle perdite di commutazione a frequenze più alte. Tuttavia, una nuova generazione di regolatori a commutazione monolitici offre caratteristiche uniche che riducono notevolmente tali perdite. Specificamente, il funzionamento sincrono con interruttori sia sul lato ad alto livello che su quello a basso livello presenta efficienza superiore poiché assicura un controllo migliore delle tensioni di gate, il che riduce considerevolmente i tempi morti. Uno dei problemi più complessi con gli attuali regolatori switching ad alta corrente è dato dalla loro capacità di dissipazione del calore che si genera a causa della notevole perdita di potenza nel circuito integrato. Questo problema viene risolto impiegando package con Bga e dissipatore avanzato, nei quali la maggior parte delle sfere per brasatura è utilizzata per i pin di alimentazione, affinché il calore possa essere trasferito agevolmente dal circuito integrato alla scheda. I grandi piani in rame sulla scheda collegati ai suddetti pin fanno sì che il calore sia smaltito con maggiore uniformità.

Convertitori buck ad alta corrente

Un convertitore buck che risolva i problemi illustrati deve presentare i seguenti attributi:

  • frequenza di commutazione elevata, per ridurre le dimensioni dei componenti esterni;
  • tempi morti nulli, per offrire maggior efficienza;
  • costruzione monolitica, in quanto i dispositivi di alimentazione devono essere integrati per assicurare una soluzione compatta;
  • funzionamento sincrono, per una maggiore efficienza e una minore attenuazione di potenza;
  • progettazione semplice, in quanto il numero di componenti esterni deve essere minimo;
  • ripple di uscita molto basso;
  • risposta al transitorio rapida;
  • funzionamento in un ampio range di tensioni di ingresso e uscita;
  • possibilità di erogare un’elevata corrente di uscita;
  • prestazioni termiche eccellenti;
  • ingombro ridottissimo.

Per rispondere a queste specifiche esigenze, Analog Devices ha introdotto la famiglia LTC71xx Power by Linear di regolatori buck monolitici ad alta corrente. Il modello più recente è l’LTC7150S, un convertitore buck sincrono monolitico da 20V / 20A dotato di circuito di rilevamento in remoto di Vout differenziale. L’esclusiva architettura in current mode, a frequenza costante, tempo On controllato, bloccabile in fase, del dispositivo facilita la compensazione ed è ideale per applicazioni con elevato rapporto di conversione in discesa che funzionano ad alte frequenze mentre richiedono risposta al transitorio rapida. Il regolatore LTC7150S utilizza la tecnologia Silent Switcher 2, inclusi condensatori di bypass integrati per offrire una soluzione di grande efficienza ad alte frequenza con prestazioni eccellenti per quanto riguarda l’interferenza elettromagnetica. Il funzionamento multifase, fino a 12 fasi, consente di collegare direttamente in parallelo più dispositivi per ottenere una corrente maggiore con capacità di ingresso e uscita minime. Il rilevamento in remoto di Vout assicura che la regolazione di tensione ai capi del carico sia precisa indipendentemente dalla corrente di carico e dal layout della scheda. L’ampio range di tensioni, da 3,1 a 20 V, ne consente l’impiego in una vasta gamma di applicazioni, comprese la maggior parte di quelle con tensioni di bus intermedie, e garantisce la compatibilità con molti tipi di batterie. I Mosfet a canale N integrati erogano correnti di carico continue elevate, fino a 20 A, con riduzione in funzione della temperatura a tensioni di uscita da 0,6 V a Vin, il che è ideale per applicazioni al punto di carico come progetti di riferimento di Dsp/Fpga/Asic ad alta corrente e bassa tensione. Il ridottissimo tempo On minimo, 25ns, dell’LTC7150S consente il funzionamento con un alimentatore a elevato rapporto di conversione in discesa ad alta frequenza. La frequenza di funzionamento è selezionabile dall’utente da 400 kHz a 3 MHz e può essere sincronizzata con un clock esterno. La precisione della tensione di uscita differenziale totale dell’LTC7150S è pari a ±1% nel range di temperature di funzionamento della giunzione: da -40 a 125°C. Ulteriori caratteristiche comprendono: un amplificatore differenziale di rilevazione in remoto ad alta velocità, pin di selezione fase PhMode, soglia precisa del pin Run a 1,2 V e protezione contro le sovratensioni su Vin, flag Power Good e avvio graduale/monitoraggio programmabile.

Efficienza elevata 

La “S” nel codice LTC7150S si riferisce alla tecnologia Silent Switcher di seconda generazione. Il circuito integrato è dotato di condensatori ceramici per Vin e Boost per mantenere a dimensioni ridotte tutti i loop di corrente Ca veloci, migliorando così le prestazioni relative all’interferenza elettromagnetica. Inoltre, consente fronti di commutazione più rapidi, il che aumenta notevolmente l’efficienza a frequenze di commutazione elevate. L’esclusiva architettura con tempo On controllato dell’LTC7150S permette al circuito integrato di rispondere velocemente a transitori a gradino. Questo risultato viene ottenuto durante il gradino: in base alla configurazione del circuito, la frequenza di commutazione non può che aumentare e ciò fa sì che la corrente dell’induttore segua meglio il valore che vuole essere raggiunto dall’uscita dell’amplificatore di errore. La compensazione di quest’ultimo può essere impostata in modo più spinto, aumentando la larghezza di banda complessiva. Una caratteristica fondamentale dell’LTC7150S che rende possibile un’elevata efficienza ad alte frequenze è la notevole riduzione del tempo morto. Un servoloop all’interno del circuito integrato blocca il tempo morto a monte del fronte di salita di SW a <1ns e ciò riduce al minimo o addirittura elimina la necessità di conduzione nel diodo ‘parassita’ dell’interruttore inferiore. Viene così essenzialmente eliminato l’effetto di ripristino della polarizzazione inversa di tale diodo quando l’interruttore superiore va in conduzione. La riduzione dell’attenuazione di potenza così ottenuta è notevole. Una corrente di ripple inferiore riduce le perdite sia nel nucleo dell’induttore che nella resistenza in serie equivalente dei condensatori di uscita nonché il ripple della tensione di uscita. Una bassa corrente di ripple comporta un’elevata efficienza di funzionamento a basse frequenze, ma per ottenere ciò occorre un induttore di grandi dimensioni. È necessario un compromesso tra dimensioni dei componenti, efficienza e frequenza operativa. L’esclusiva architettura con tempo On controllato, a frequenza costante, è ideale per applicazioni a elevato rapporto di conversione in discesa funzionanti ad alta frequenza e che richiedono una risposta al transitorio rapida.

Applicazioni di rilevamento di correnti Dcr ultrabasse

Il circuito integrato LTC7130 è un convertitore Cc/Cc in discesa sincrono con controllo in current mode, a frequenza costante, con corrente ultrabassa nella resistenza Cc dell’induttore e compensata in temperatura, e sincronizzazione del clock. L’esclusiva architettura del dispositivo facilita la compensazione e consente di collegarlo in parallelo per aumentare la corrente di uscita erogabile. Inoltre aumenta il rapporto segnale/rumore del segnale di rilevamento della corrente, permettendo di usare un induttore di alimentazione con resistenza Cc molto bassa per massimizzare l’efficienza in applicazioni a correnti elevate. Questa caratteristica inoltre riduce il jitter di commutazione spesso presente in applicazioni a bassa Dcr e migliora la precisione del limite di corrente. Il range di tensioni dell’LTC7130, da 4,5 a 20 V, lo rende adatto per un ampio ventaglio di applicazioni, comprese la maggior parte di quelle con tensioni di bus intermedie, e garantisce la compatibilità con molti tipi di batterie. I Mosfet a canale N integrati possono erogare correnti di carico continue elevate, sino a 20 A, a tensioni di uscita da 0,6 a 5,5 V, il che è ideale per applicazioni al punto di carico come progetti di riferimento di Dsp, Fpga ed Asic ad alta corrente e bassa tensione. Altre applicazioni comprendono i sistemi di trasmissione dati e telecomunicazioni, le architetture di alimentazione distribuite e i sistemi universali ad alta densità di potenza.

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