L’industria elettronica è governata da due macrotendenze: riduzione dei costi e miniaturizzazione. La legge di Moore le riunisce entrambe nella tecnologia dei circuiti integrati, che ad ogni generazione successiva ci regala chip sempre più avanzati, più piccoli e meno costosi. La combinazione di queste due macrotendenze ha reso possibile un’ampia diffusione dei sistemi di controllo elettronico in quasi tutti gli aspetti della vita quotidiana; un ulteriore balzo di queste applicazioni è ora atteso grazie alla nascita di tecnologie come l’Internet delle Cose e i sistemi ciber-fisici, nei quali l’elettronica digitale è utilizzata per controllare il movimento di dispositivi elettromeccanici. L’attenzione posta su IoT riguarda principalmente l’aspetto di networking del sistema, cioè il modo in cui i sensori forniscono dati al cloud. Ancor più importante, però, è l’alto grado di controllo locale e di autonomia che questo approccio fornisce ai controllori elettronici. Diviene infatti possibile progettare sistemi robotici e di motion-control dotati di un processore per ogni articolazione. Ciascuno di essi controlla un dispositivo di movimentazione che può avere dimensioni diverse, dal piccolo attuatore di alta precisione fino al grosso motore Ac o sincrono, comandato con l’impiego delle ultime generazioni di inverter a Igbt e circuiti a ponte. In queste applicazioni costo e miniaturizzazione sono aspetti essenziali, poiché i controlli elettronici e il punto di alimentazione devono essere collocati il più vicino possibile ai sottosistemi motorizzati. Ciò vale in particolar modo per i progetti dei convertitori di potenza di tipo Pol (Point-of-load), nei quali - per aumentare l’efficienza e ridurre le perdite I2R - l’energia deve essere distribuita all’interno del sistema con una tensione relativamente alta, prima di essere convertita ai livelli più bassi richiesti dai controllori digitali e dai transistor che forniscono alimentazione agli attuatori e ai sensori. La necessaria riduzione dei costi, però, non deve essere ottenuta tramite scorciatoie, bensì grazie a un approccio olistico all’architettura e al progetto, che non sacrifichi prestazioni di importanza vitale come l’isolamento elettrico. Settori applicativi come quello della sanità impongono infatti requisiti e test di isolamento sempre più stringenti, per assicurare un funzionamento sicuro anche in caso di guasti. Scegliendo un alimentatore con basse prestazioni di isolamento, il progettista del sistema dovrà garantire la protezione dei pazienti con altri mezzi, come sancito dalla terza edizione di Iec 60601-1, uno standard importante per i sistemi medicali. Se le prestazioni di isolamento dell’alimentatore sono sufficienti per proteggere solo l’operatore (e sono cioè inferiori a quanto necessario per la protezione del paziente), occorrerà utilizzare ulteriori modalità di isolamento nelle circostanze in cui il paziente entra in contatto con il sistema. Pertanto, sebbene il costo dell’alimentatore prescelto sia inferiore, è probabile che il progetto nel suo complesso risulti più costoso.
Nuove architetture di potenza
I progetti dei convertitori di potenza convenzionali impongono un compromesso tra prestazioni di isolamento ed efficienza di conversione. Studiando nuove architetture e progetti innovativi specificamente orientati all’aumento dell’efficienza, produttori come Aimtec e Murata Power Solutions sono però riusciti a realizzare convertitori che offrono la miniaturizzazione e l’isolamento necessari per la nuova generazione di sistemi ciber-fisici. Questi prodotti assicurano la piena tracciabilità garantita dai rapporti 8D, non sempre facili da ottenere da quei produttori che pensano solo a ridurre i costi scegliendo componenti di qualità inferiore. L’attenzione dedicata all’efficienza di conversione Dc/Dc viene ripagata in molti modi. I progressi a livello di architettura rendono possibile l’impiego di nuovi componenti magnetici, Fet e controllori di potenza che assicurano alta efficienza per una gamma di valori di carico molto più ampia rispetto ai vecchi progetti. I nuovi convertitori, inoltre, possono operare in un intervallo di temperature più ampio, grazie alla combinazione tra minore dissipazione di calore ed eliminazione di componenti notoriamente delicati. Ad esempio, la serie MMV di Murata offre a pieno carico una gamma di temperatura operativa compresa tra -40°C e + 85°C. I prodotti di questa serie non impiegano né condensatori elettrolitici né condensatori al tantalio nei loro circuiti interni, e sono costruiti in tecnologia Smd con componenti magnetici toroidali incapsulati, per ridurre gli ingombri. La serie MMV offre inoltre una completa protezione da cortocircuito e possibilità di funzionamento con carico nullo. In sede di progettazione le nuove architetture assicurano anche una maggiore flessibilità che i migliori costruttori di convertitori sfruttano per realizzare i prodotti di cui i clienti hanno davvero bisogno. Alcuni sondaggi hanno mostrato, ad esempio, che molti convertitori Dc/Dc da 1 W sono spesso utilizzati con carichi di 0,6W o anche solo di 0,25 W. In risposta a questo dato, Murata ha realizzato le serie CMR e CME che forniscono in uscita una potenza di picco di 0,75 W. Per i sistemi che richiedono isolamento, come gli apparati medicali e i robot di precisione, Murata ha invece presentato il nuovo MGJ2, un convertitore da 2 W in grado di pilotare sistemi basati su Igbt lato alto e lato basso. Pur essendo dotato di un contenitore SIP7, il prodotto offre un isolamento di 5,2 kV. La protezione elettrica è un aspetto essenziale anche per il prodotto AM1G-Z di Aimtec, un convertitore da 6 W che - grazie a un innovativo progetto ad alta efficienza - può utilizzare un contenitore SIP8 pur offrendo un isolamento di 3kV.Aimtec ha sviluppato un’ampia gamma di convertitori miniaturizzati adatti anche ad applicazioni IoT e ciber-fisiche che impiegano progetti ad alta efficienza per ottenere gamme di temperature di funzionamento molto estese: da -40°C a +105°C o perfino da -50°C a +125°C. Il derating alle temperature più alte è molto contenuto: il carico massimo a 125°C è infatti l’80% del valore a 105°C. rappresentando un ulteriore vantaggio dei progetti ad alta efficienza che, limitando la dissipazione di calore, si prestano all’impiego nei front-end ciber-fisici chiamati a operare in ambienti ostili.
Continuando a concentrare gli sforzi sullo sviluppo di architetture ad alta efficienza, produttori come Aimtec e Murata riusciranno a compiere ulteriori progressi in termini di riduzione dei costi e miniaturizzazione, senza scendere a compromessi rispetto ad altri fattori - quali l’isolamento e la tracciabilità - che sono di vitale importanza per la crescita dei nuovi mercati della IoT e dei sistemi ciber-fisici.
