I progettisti elettronici sono oggi costantemente alle prese con una doppia sfida: da un lato fornire potenza a dispositivi sempre più complessi e ricchi di funzionalità e dall’altro soddisfare la richiesta di un funzionamento sempre più efficiente e silenzioso. A livello architetturale i progettisti hanno potuto beneficiare dall’utilizzo della regolazione di tensione di tipo PoL (Point-of-Load), grazie al quale è stato possibile ottenere sensibili miglioramenti in termini di efficienza. La tendenza in atto nel mondo dei semiconduttori di aumentare sempre più il livello di integrazione ha portato alla realizzazione di circuiti integrati di potenza che includono funzioni di protezione e controllo, con conseguente riduzione del numero di componenti periferici richiesti, che a sua volta si traduce in una diminuzione sia dei costi sia degli ingombri. Ora, grazie a una nuova generazione di regolatori PoL sarà possibile conseguire livelli di integrazione ed efficienza ancora più spinti. In questo articolo vengono confrontati tre prodotti ampiamente utilizzati dalla comunità dei progettisti e riportate le opinioni dell’autore che li ha impiegati in un circuito di prova che è tipico in parecchie applicazioni. L’autore riporta la sua opinione circa le differenze che esistono tra i componenti utilizzati in termini di efficienza e comportamento termico, ed esprime un giudizio sull’efficacia dei tool di progettazione messi a disposizione dai differenti produttori.
I magnifici tre
International Rectifier ha di recente annunciato l’espansione della propria famiglia di regolatori di tensione PoL SupIRBuck, caratterizzati da efficienza e funzionalità migliori rispetto ai componenti della precedente generazione. I diversi membri della serie sono compatibili a livello di piedinatura, in modo da semplificare la stesura del layout e garantire tempi più brevi per l’entrata in produzione delle varie versioni di un determinato prodotto che richiedono valori di correnti di carico più o meno elevati. La società ha reso disponibile anche un tool di progettazione on-line dotato di funzioni di ricerca parametrica, acquisizione dello schema circuitale (schematic capture) e analisi. In uscita il tool rende disponibile la lista dei componenti necessari con la sigla esatta dei dispositivi, unitamente ai riferimenti incrociati relativi ai componenti alternativi equivalenti in termini di funzionalità. Di seguito viene riportato uno studio comparativo tra l’IR3840, un componente della serie SupIRBuck di International Rectifier, il MIC26950 della serie Super Switcher ΙΙ di Micrel e il TPS56121 di Texas Instruments, che sfrutta la tecnologia Power Block. Questi tre componenti sono stati scelti in quanto dispongono delle caratteristiche più innovative e avanzate, possono effettuare rapide variazioni di carico, integrano numerose funzioni di protezione e sono raccomandati per lo sviluppo di progetti che richiedono un elevato grado di efficienza. Il confronto inizia con un’analisi delle specifiche elettriche di ciascun componente come riportate nei rispettivi data sheet.
La prova in un tipico circuito applicativo
I circuiti di prova sono stati progettati in modo da far ricorso al numero più basso possibile di componenti esterni, ottimizzare le prestazioni elettriche e minimizzare la dissipazione di calore. Il valore dei componenti presenti nella rete di compensazione influenzano l’efficienza e le perdite di potenza, ragion per cui è necessaria un’attenta valutazione in qualsiasi applicazione. I componenti presi in considerazione sono l’induttore, il condensatore di bootstrap, il partitore di tensione e i condensatori necessari per mantenere stabili determinati livelli di tensione. I condensatori di ingresso e uscita non sono invece stati presi in considerazione. Un tipico circuito applicativo, come quello qui proposto , richiede 13 componenti esterni per l’IR3840, 9 componenti esterni (senza rete di compensazione) per il MIC26950 e 13 componenti esterni per il TPS56121. Un’importante funzione svolta dal package dei dispositivi è la dissipazione del calore attraverso un percorso che sia il più breve e rapido possibile prima sul Pcb poi nell’aria circostante. Sia IR sia Micrel hanno previsto sui loro circuiti integrati tre piazzole (pad) termiche in modo che la maggior parte del calore proveniente dal controllore, dal Fet high-side e dal Fet sincrono venga dissipato direttamente sul PCB Pcb In tal modo gli utenti possono realizzare un Pcb al elevata densità di componenti più semplice da popolare. Il dispositivo di Texas Instruments, per contro, dispone di un unico pad termico di dimensioni maggiori per dissipare il calore. Il package di tutti e tre i componenti presi in considerazione ha le medesime dimensioni, con le seguenti differenze:
• IR3840 è ospitato in un package Power Qfn a 15 pin (5 x 6 mm) con θja = 35oC/W
• MIC26950 è ospitato in un package Mlf a 28 pin (5 x 6 mm) con θja = 36oC/W
• TPS56121 è ospitato in un package Power Qfn a 22 pin (5 x 6 mm) con Θja = 34,6oC/W.
L’impedenza termica dalla giunzione di silicio all’aria esterna (θja) viene calcolata ipotizzando che la scheda Pcb abbia uno spessore del rame pari a 2 oz (70 μm). È possibile ottenere un’impedenza termica migliore utilizzando uno strato di rame più ampio e spesso, uno strato di massa di dimensioni maggiori e un ingresso, un’uscita e altri terminali di alimentazione (power rail) più ampi. Ovviamente, uno strato più grande e di spessore maggiore contribuisce ad aumentare costo, peso e dimensioni della scheda Pcb.
Confronto tra i tool di progetto
Mentre il limite teorico in termini di prestazioni elettriche e termiche di questi dispositivi è determinato dal progetto circuitale e dal tipo di packaging, il conseguimento in pratica delle migliori prestazioni dipende in larga misura dai tool di progettazione a disposizione. Questi tool sono necessari per eseguire calcoli, scegliere l’induttore e i condensatori di ingresso e di uscita più idonei (in molti casi è infatti richiesto più di un condensatore), specificare la rete di compensazione e selezionare lo snubber RC. L’alternativa all’uso di tali tool, ovvero effettuare manualmente i calcoli e le scelte facendo riferimento alle equazioni riportate nei data sheet e nella documentazione di riferimento, risulta molto più difficoltosa e onerosa in termini di tempo. I tool di progettazione forniti da IR, Micrel e TI sono tutti di tipo web-based e consentono agli utenti di salvare i nuovi progetti in un server remoto e di confrontarli con i progetti precedenti. Poiché i tool di progettazione hanno un notevole impatto sulla capacità dei progettisti di ottimizzare i loro circuiti in funzione dell’applicazione considerata, è utile analizzare se uno dei tool forniti da queste tre aziende risulti nettamente superiore agli altri. Per un confronto imparziale, a ciascuno dei tool presi in considerazione è stato chiesto di effettuare l’ottimizzazione sulla base delle medesime specifiche di progetto. Sono stati scelti i parametri di seguito riportati:
Tensione di ingresso: 11,5-12,5 V o 12 V
Tensione di uscita: 3.3 V
Corrente di carico: 10 A
Una volta inseriti questi parametri base nel tool, questo propone un elenco di componenti potenziali per la realizzazione del circuito. Quando si seleziona un componente, si apre una pagina relativa al prodotto che contiene una descrizione generale del componente in esame, delle caratteristiche e della applicazioni, unitamente ai link che rimandano a siti dove è possibile ottenere descrizioni più dettagliate come data sheet, note applicative e informazioni circa le schede di valutazione.
Ciascuno dei tool presi in considerazione rende disponibile un link denominato Start Design. Grazie ad esso è possibile generare un progetto in tempi estremamente brevi, in quanto l’utente deve solamente selezionare i valori di ingresso, di uscita e del carico: la frequenza di commutazione viene richiesta nel caso il regolatore non sia un dispositivo a frequenza fissa.
Il ruolo dei tool di progettazione
Il tool di progettazione di International Rectifier richiede l’immissione di un certo numero di differenti parametri per fornire la simulazione più accurate possibile delle prestazioni effettive. Oltre alle tensioni di ingresso e di uscita e alla corrente di carico, sono anche richieste informazioni sull’ondulazione di uscita, configurazione dei carichi (load step), ampiezza di banda, corrente di ondulazione (ripple) nell’induttore e massima deviazione di tensione. Il tool chiede inoltre all’utilizzatore di scegliere una frequenza di commutazione: nel caso dell’applicazione considerata le migliori prestazioni sono state ottenute a una frequenza di funzionamento di 430 kHz. In uscita il tool rende disponibile analisi dettagliate delle perdite nel sistema e grafici che illustrano il comportamento elettrico del circuito. Come il tool di progettazione di IR, anche quello di Micrel genera grafici che illustrano le più importanti caratteristiche elettriche del dispositivo all’interno del circuito applicativo dell’utente. Esso però non mette a disposizione l’analisi dettagliata delle perdite tipiche del tool di IR. I requisiti di progetto, invece, sono più semplici: il tool di Micrel richiede solamente la tensione di ingresso nominale unitamente ai valori minimi e massimi, la tensione di uscita e la corrente di carico. A differenza dei due tool precedenti, quello di TI non prevede grafici del comportamento elettrico e neppure l’analisi delle perdite di potenza. Sotto molti punti di vista, i tool di progettazione dei tre produttori operano in modo simile. Tutti permettono all’utente di modificare il valore di un singolo componente per verificare l’effetto della variazione sugli altri parametri. Il cambiamento del valore di un resistore o un condensatore nell’anello di retroazione di compensazione ha un notevole effetto sull’efficienza, che può essere visualizzato in maniera molto semplice sui diagrammi di Bode. Un vantaggio del tool proposto da IR è la disponibilità di una tabella dettagliata che analizza le fonti di perdita, informazione questa particolarmente utile per tutti i progettisti che vogliono ottimizzare l’efficienza. Un’altra funzionalità utile è la possibilità di selezionare un componente da una lista di produttori, al fine di valutare un eventuale incremento delle prestazioni rispetto alla lista dei componenti esistente. Il tool proposto da Micrel è molto simile a quello di IR, ma non fornisce un riassunto di tutte le misure alla fine del progetto: il tool di IR, invece, lo rende disponibile come file in formato pdf. Il vantaggio del tool di Micrel è la possibilità di sovrapporre i grafici relativi alle prestazioni elettriche uno sull’altro, in modo da poter vedere in che modo le variazioni degli ingressi e delle uscite si influenzano reciprocamente. Dei tre tool analizzati, quello proposto da TI è senza dubbio il più veloce, anche se non dispone di alcune funzionalità presenti negli altri due: i diagrammi di Bode e dell’efficienza vengono generati in modo semplice e rapido, ma non vengono forniti altri tipi di informazione utili per l’ottimizzazione del progetto.
