L'autonomia delle batterie e le dimensioni del contenitore esterno sono, da sempre, i due principali vincoli di progetto per i terminali mobili. Le nuove applicazioni di terza generazione rendono ancora più difficile il lavoro dei progettisti, chiamati oggi a tenere conto delle esigenze poste da display di maggior dimensioni e dal consumo di contenuti che richiedono lunghi tempi di connessione. L'industria dei semiconduttori risponde a queste nuove sfide con la messa a punto di soluzioni che consentono di migliorare l'efficienza energetica dei terminali e di diminuire gli ingombri sul circuito stampato. Un esempio di questa tendenza è rappresentato dal convertitore DC-DC FAN5902 recentemente presentato da Fairchild, rivolto all'alimentazione degli amplificatori di potenza RF utilizzati nei terminali mobili di terza generazione. Oltre a consentire un aumento dell'efficienza energetica rispetto all'alimentazione diretta da batteria, il nuovo dispositivo permette anche una riduzione degli ingombri (se confrontato ad altri convertitori concorrenti) poiché opera a una frequenza di commutazione più alta e quindi impiega un induttore più piccolo.
I limiti degli amplificatori RF
Stando alle stime di Fairchild, l'amplificatore di potenza in radiofrequenza consuma il 30% del budget energetico del terminale mobile W-Cdma, una percentuale che può salire fino al 60% nelle zone con cattiva “copertura”. Le cause di questo consumo così elevato vanno ricercate in parte nelle caratteristiche dello standard W- Cdma (che impiega la modalità full-duplex, pertanto richiede il funzionamento contemporaneo di trasmettitore e ricevitore), ma soprattutto nella necessità di mantenere un comportamento lineare per evitare distorsioni che non sarebbero tollerate dalla componente ampiezza della modulazione digitale. Per garantire la linearità alle alte potenze di emissione RF, l'amplificatore richiede infatti una corrente di bias che è invece sprecata quando il dispositivo lavora su livelli più bassi (cioè nelle zone caratterizzate da ottima “copertura”). Ne consegue che il massimo valore di efficienza dell'amplificatore (peraltro basso, 33% circa) può essere raggiunto solo in condizioni d'uso particolari. Una soluzione parziale a questo problema consiste nell'impiego di amplificatori dotati di due diverse modalità di funzionamento, a bassa e ad alta potenza, con due diverse correnti di bias. Secondo Fairchild, tuttavia, questi dispositivi sono costosi e di difficile calibrazione. Da tempo, quindi, molti costruttori di terminali mobili hanno scelto di alimentare l'amplificatore RF tramite un convertitore DC-DC, una soluzione che consente di migliorare l'efficienza energetica (rispetto all'alimentazione diretta da batteria) e di utilizzare amplificatori standard.
Maggiore autonomia
Anche il nuovo convertitore DC-DC FAN5902 di Fairchild è finalizzato in primo luogo ad ottenere questi vantaggi. L'alimentazione switching consente infatti di implementare la funzione di Dynamic Voltage Scaling, cioè di regolare con continuità la tensione di alimentazione fornita all'amplificatore di potenza RF (di tipo standard, più economico rispetto ai modelli dotati di due modalità di funzionamento) e quindi di ottimizzare l'impiego dell'energia in ogni condizione d'uso. Secondo i dati diffusi da Fairchild, il chip FAN5902 permette di raggiungere un'efficienza del 92% nel funzionamento ad alta potenza e del 67% per emissioni a bassa potenza. Il conseguente prolungamento dell'autonomia dei terminali, nelle connessioni HSUPA, è valutato in un tempo compreso tra venti e quaranta minuti. Il miglioramento dell'efficienza comporta ovviamente anche una diminuzione del calore dissipato (meno 57%, sempre stando ai dati diffusi da Fairchild), con la conseguente possibilità di ridurre le dimensioni dei dissipatori.
Commutazione a 6 megahertz
Allo scopo di conquistare un margine di vantaggio competitivo in questo mercato, Fairchild ha dotato il nuovo FAN5902 di una caratteristica particolare. “La principale novità introdotta da questo prodotto è l'impiego di una frequenza di commutazione di 6 megahertz, contro i 3 megahertz di altri convertitori”, ha spiegato a Selezione di Elettronica la responsabile del product marketing, Ingrid Kugler. “Ciò consente di utilizzare un'induttanza di minori dimensioni e quindi di risparmiare spazio sul circuito stampato”. Il filtraggio della frequenza di commutazione richiede infatti una piccola ed economica induttanza da 0,5 microhenry e condensatori di formato 0603 e 0402. Sul circuito stampato la soluzione completa di conversione DC-DC (il chip più i componenti passivi esterni) occupa uno spazio di soli 5 x 2,4 millimetri. Ulteriori vantaggi offerti dal funzionamento a 6 megahertz sono la possibilità di spostare il rumore di commutazione al di fuori della banda base e di ottenere risposte più rapide ai cambiamenti del carico: il valore di tensione massimo viene raggiunto in soli venti microsecondi.
Alcuni dati
Il convertitore DC-DC FAN5902 di Fairchild - che ovviamente si rivolge anche al mercato delle datacard - può operare in due diverse modalità: Pwm e Pfm. Eroga una tensione di uscita compresa tra 0,4 e 3,4 volt, con una corrente di 800 milliampere RMS. È dotato di limitatori di corrente e di temperatura, controllore dello slew rate, Fet di bypass a 50 ohm per il funzionamento con batteria in esaurimento. Il dispositivo impiega un contenitore CSP dotato di dodici sfere, con un passo di mezzo millimetro. Come ha spiegato Ingrid Kugler, Fairchild occupa una posizione di rilievo nel mercato del power management per i sistemi mobili e collabora con tutti i principali produttori di telefoni cellulari.
