Efficienza, densità di potenza e risposta ai transitori

ALIMENTAZIONE DIGITALE –

Con la nuova serie di moduli digitali di alimentazione Point-of-Load da 60 A basati su una topologia proprietaria, la statunitense Cui stabilisce un nuovo standard di riferimento in termini di prestazioni.

Produttore e distributore statunitense di componenti elettromeccanici e di potenza, Cui, nei suoi 25 anni di storia, è andata via via concentrandosi nel business dei componenti di conversione di potenza per bus intermedi. Il successo di questa attività ha spinto l'azienda a dare vita, da poco meno di quattro anni, a una business unit sempre più focalizzata nell'area dell'alimentazione, che oggi raccoglie circa il 60% del fatturato Cui. Da qualche giorno Cui ha introdotto la nuova famiglia di convertitori Dc-Dc digitali NDM3ZS-60 da 60 A, per applicazioni Pol (Point of Load). I nuovi prodotti - caratterizzati da un range di tensioni di ingresso compreso tra 7,2 e 14 Vdc e con un intervallo di uscita programmabile compreso tra 0,6 e 1,5 Vdc - sono destinati soprattutto al settore delle telecomunicazioni, del video processing, degli apparati medicali e, in generale, a tutti i progetti che utilizzano logiche standard o programmabili di ultima generazione. Queste logiche, infatti, operano con tensioni sempre più basse e correnti sempre più alte - anche intorno ai 40-50A - mettendo a dura prova le prestazioni dei moduli Pol utilizzati nelle architetture di alimentazione distribuita o Dpa (Distributed Power Architecture).

Un nuovo punto di riferimento

La nuova proposta Cui fissa un nuovo punto di riferimento per il settore dei moduli Pol. Mark Adams, senior vice president di Cui, ha sottolineato come questi convertitori rappresentino un significativo balzo in avanti per quanto riguarda l'efficienza, la densità di potenza e la risposta ai fenomeni transitori.
Tali caratteristiche consentono infatti di soddisfare i livelli di corrente richiesti dall'elettronica di ultima generazione, di realizzare sistemi più compatti e compatibili con l'ambiente e di ridurre le interferenze Emi. La serie NDM3ZS-60 è composta da moduli di tipo non isolato alloggiati in package a bassissimo profilo, in configurazioni sia verticali sia orizzontali. I prodotti utilizzano la stessa piedinatura dei dispositivi di generazione precedente, consentendo in tal modo di aggiornare i progetti senza particolari interventi sulla struttura del circuito. Si tratta della prima serie di dispositivi non isolati ad adottare la topologia di potenza Solus, brevettata da CUI.

La topologia Solus

Tale tecnologia integra un convertitore buck tradizionale in un convertitore Sepic per dar vita a un'architettura “Sepic-fed buck” a stadio singolo basata su elemento magnetico, un commutatore di controllo e due interruttori di commutazione controllati in maniera ottimale mediante una modulazione Pwm (Pulse-Width Modulation). Grazie alle minori sollecitazioni di corrente e di tensione che caratterizzano questa topologia, e al processo intrinseco di estrazione della carica di gate o Gce (Gate Charge Extraction), è possibile ridurre le perdite di commutazione in fase di accensione e spegnimento del Fet di controllo in misura pari al 75 e al 99% rispetto alle perdite di un tradizionale convertitore buck. La topologia Solus, inoltre, permette di incrementare l'efficienza totale distribuendo l'energia erogata su percorsi multipli, riducendo del 50% le perdite di conduzione del circuito.
La nuova topologia consente ai moduli NDM3ZS-60 di raggiungere le prestazioni richieste nei progetti più innovativi. L'efficienza di picco è pari al 91,3% con una tensione di ingresso di 12 Vdc e una tensione di uscita di 1Vdc e carico del 50%. L'efficienza rimane elevata anche in condizioni di pieno carico, mantenendosi intorno all'88,5%. La topologia Sepic-fed buck permette di ottenere sensibili miglioramenti anche in termini di risposta ai fenomeni transitori. In presenza di una tensione di ingresso di 12 Vdc e di uscita di 1 Vdc con un una variazione a gradino del carico da 15 a 45A e uno slew rate di 10A/µs, la tensione di picco è pari a soli 16mV (con il valore di capacità tipica richiesto).

Funzionalità digitali avanzate

L'NDM3ZS-60 è il primo modulo a integrare il nuovo controllore digitale ZL8800 di Intersil. Questo dispositivo offre numerose funzionalità digitali avanzate. La tecnologia di controllo ChargeMode dello ZL8800 permette di migliorare ulteriormente le prestazioni del modulo per quanto riguarda la risposta ai transitori.
Esso infatti risponde a una variazione a gradino del carico in un singolo ciclo di commutazione. Poiché non è richiesta alcuna compensazione, i moduli possono bilanciare in maniera autonoma i vari compromessi tra prestazioni dinamiche e stabilità del sistema durante ogni ciclo. Grazie a questa caratteristica, i progettisti possono così evitare la tradizionale procedura di sviluppo dei margini necessari per compensare fattori quali l'invecchiamento dei componenti, le variazioni in fase di produzione e i cambiamenti di temperatura. Ciò comporta dei notevoli benefici soprattutto in fase di sviluppo, evitando l'allungamento dei tempi di progettazione e l'incremento del costo dei componenti. L'assenza di circuiterie di compensazione aggiuntive consente ai moduli NDM3ZS di garantire la stabilità ottimale sul punto di carico al variare dei requisiti dei chip, aspetto essenziale per i componenti digitali di nuova generazione. Tra le altre caratteristiche da segnalare vi sono la messa in sequenza della tensione, il tracciamento (tracking) della tensione, la sincronizzazione a dispersione di fase, il soft start e soft stop programmabili. A queste si aggiungono numerose funzionalità di monitoraggio che consentono al progettista di conoscere sempre le condizioni operative del circuito. Tutte le caratteristiche sono programmabili in maniera dinamica attraverso comandi PMBus o mediante la Gui Novum Ace di Cui, di uso particolarmente semplice e di grande ausilio per l'implementazione dei moduli nel progetto. La nuova famiglia è composta da tre modelli compatti: una versione verticale a fori passanti (through-hole) di dimensioni pari a 33,02 x 8,92 x 18,11 mm e una versione orizzontale che misura 33,02 x 18,11 x 7,44 mm offerta in configurazione a montaggio superficiale o a fori passanti. Per garantire una maggiore flessibilità durante la fase di sviluppo, il footprint dei moduli è di tipo "annidato": ciò significa che la soluzione permette di gestire le eventuali variazioni dei requisiti di progetto senza alcun impatto sul layout della scheda. Oltre a questo, i moduli della serie NDMZ3S-60 sono compatibili a livello di ingombro con i moduli digitali da 40 e 50 A forniti da Cui, da Ericsson (second sourced da CUI) e da altri noti costruttori, rispetto ai quali è possibile ottenere un incremento dal 25% al 50% di densità di potenza, con ovvi risparmi in termini di ingombro su scheda. Il nuovo modulo è il capostipite di una famiglia che CUI prevede di sviluppare secondo un'aggressiva roadmap.

Soluzioni per conversioni di potenza critica

"Come organizzazione - ha rivelato Adams - il nostro focus è differente da quello delle altre società che offrono soluzioni di potenza. La maggior parte di queste cerca di soddisfare più clienti possibile attraverso moduli dotati di funzioni price driven, dove cioè le prestazioni sono marginali. Noi ci rivolgiamo a un altro tipo di domanda e siamo concentrati sul segmento più esigente del mercato. Per questo continuiamo a spingere lo sviluppo di prodotti ad alta corrente, una delle aree più critiche della conversione di potenza". Tali prodotti richiedono accurate prestazioni digitali che consentano di concentrare con precisione più energia possibile in meno spazio possibile. A tale proposito Cui ha dimostrato in occasione della manifestazione Apec (Applied Power Electronics Conference) di Fort Worth in Texas, l'evoluzione del modulo NDM3ZS-60: un convertitore Dc-Dc Pol digitale avanzato da 90 A che dovrebbe essere reso disponibile in campionature a breve. Realizzato in topologia buck standard, il nuovo modulo potrà fare leva sull'architettura Sepic per ampliare ulteriormente le proprie prestazioni. "I nostri clienti - ha concluso Adams - nel settore del networking hanno evidenziato l'inadeguatezza delle attuali topologie dei moduli Pol nel soddisfare le richieste di alimentazione di circuiti integrati avanzati e non vedono l'ora di potere utilizzare i nuovi prodotti. La nostra serie è in grado di risolvere al meglio queste problematiche assicurando notevoli miglioramenti in termini di efficienza, densità di potenza e velocità di risposta ai transitori”.

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