Efficienza e miniaturizzazione nella gestione della potenza

GESTIONE POTENZA –

Regolatori switching, Ldo per applicazioni multi-rail, sistemi di carica-batteria per celle a ioni di litio. Sono solo alcuni degli ambiti del power management in cui proliferano nuove soluzioni, caratterizzate da elevata efficienza e da un livello diminiaturizzazione spinto.

Secondo le ultime stime, per il mercato dei dispositivi di power management, il 2011 si è chiuso con un fatturato intorno ai 33 miliardi di dollari, con una crescita di 6,7 punti percentuali rispetto al 2010, che aveva visto invece un incremento 'anomalo' del 37,8 %. I dati del 2011 sono, in effetti, di poco inferiori alla media del 7,2% rilevata nell'ultimo quinquennio. La limitata capacità produttiva seguita al terremoto in Giappone, prima, e la contrazione del mercato consumer, dopo, hanno sicuramente pesato sui risultati del 2011, che sono però pur sempre da considerarsi positivi, vista la situazione globale. Con la ripresa attesa per il 2014, si stima che la crescita si attesterà per i prossimi anni intorno all'8,7%. Le applicazioni che spingeranno principalmente il mercato dei dispositivi di power management nel prossimo quinquennio dovrebbero essere nei settori automotive e controllo motori (con la crescente diffusione delle auto ibride), in quello mobile (con la proliferazione di tablet e smartphone) e in quello delle infrastrutture pubbliche e private (con l'affermazione, ad esempio, delle soluzioni di Led lighting). In effetti, se si guarda alla produzione recente di alcuni dei principali vendor del settore, si nota un'interessante proliferazione di nuove soluzioni in alcuni settori specifici, come quello dei regolatori switching e Ldo per applicazioni multi-rail o dei sistemi di carica-batteria per celle a ioni di litio. L'attenzione è principalmente rivolta verso soluzioni a elevata efficienza e caratterizzate da un livello di miniaturizzazione spinto. Di seguito sono presentate alcune di queste novità.

Texas Instrument
Texas Instrument, ad esempio, ha recentemente annunciato per l'appunto alcuni nuovi modelli di dispositivi di power management per applicazioni con alimentazione mediante batteria a ioni di litio, in sistemi di ridotti ingombri ma che richiedono elevata capacità. I modelli BQ24160/161/163/168, in particolare, integrano funzionalità di battery charger e power path management in package Wcsp-49 di soli 2.8 × 2.8 mm2. Dotati d'ingresso duale per porta Usb e alimentatore di rete, i dispositivi sono specificati per tensione d'ingresso fino a 20 V (con protezione da sovratensione) e per corrente di carica fino a 2,5 A. I parametri di lavoro sono configurabili mediante porta I2C ed è disponibile un canale di misura della temperatura delle celle mediante sensore Ntc. Interessante è la funzionalità di power path management che consente di derivare potenza addizionale dalla batteria anche quando questa è in carica, per sopperire a spunti fuori dalla specifica dell'alimentatore di linea. I BQ27425-G1 e BQ27520-G3 sono, invece, periferiche per microcontrollori per misure accurate della carica della batteria. Oltre al livello di carica, forniscono informazioni, accessibili mediante interfaccia I2C, sullo stato di salute in generale della cella, sulla capacità residua e il tempo di scarica completa. La tecnologia proprietaria Impedance Track di Texas Instrument garantisce un errore nelle misure inferiore (tipicamente) all'1%. Funzionalità di monitoraggio delle celle e protezione da sovratensioni sono disponibili anche nella nuova serie BQ2945x, caratterizzata da risoluzione di ±10 mV nella misura di tensione e corrente di perdita per cella inferiore a 100 nA. Il dispositivo BQ3050 è, invece, una soluzione integrata single-chip con funzionalità complete di sicurezza di primo e secondo livello, controllo di carica e autenticazione (mediante SHA-1). Implementa, in particolare, protezione da sovratensione e sovracorrente, sovratemperatura in fase carica o sbilanciamento delle celle. Supporta profili di carica complessi con condizioni di carica diverse in diversi intervalli di temperatura delle celle e di bilanciamento delle stesse. Mantiene un registro costantemente aggiornato con i valori minimo e massimo delle tensioni di batteria registrate durante la vita operativa.
Spostando l'attenzione sui dispositivi per la regolazione di tensione, segnaliamo poi il TLV705, un lineare Ldo con capacità di corrente fino a 200 mA, dropout di 145 mV a pieno carico, accuratezza tipica dello 0,5%, IQ di 35 µA ed elevato Psrr (70 dB a 1 KHz). Il dispositivo è In grado di operare stabilmente con capacità di carico di soli 0,1 µF ed è integrato in package Wcsp di 0,8 x 0,8 mm2. È disponibile in diverse versioni con tensione di uscita fissa compresa tra 0,7 e 4,8 V. Caratteristiche simili sono disponibili anche nei modelli TLV7111323D, che dispongono però, in aggiunta, di uscita duale. Il TLV62080 è, invece, un convertitore step-down da 1,2 A, specificato per tensioni di ingresso tra 2,5 e 5,5 V e integrato in package SON-8 di 2 x 2 mm2. Il regolatore si caratterizza per un'elevata efficienza sull'intero intervallo di lavoro, grazie alla capacità di commutare autonomamente tra le diverse modalità Pwm e Power Save Mode in funzione delle condizioni di carico, sfruttando l'architettura proprietaria Dcs (Direct Control with Seamless transition into Power Save Mode). Analoga architettura è supportata dai TPS6209x. Tali regolatori sono caratterizzati da elevata capacità di corrente di uscita (fino a 3A), tensione di ingresso compresa tra 2,5V e 6V, tensione di uscita fissa ad 1,8V, 2,5V e 3,3V o regolabile, corrente quiescente di soli 20 µA, efficienza maggiore del 95%, duty-cycle del 100%, supporto per frequenza di switching selezionabile tra 2,8 MHz e 1,4 MHz. Ampio è anche il supporto per applicazioni compatibili con le specifiche IMVP-7 Serial VID per l'alimentazione di dispositivi Intel di nuova generazione. In quest'ambito si segnalano, ad esempio, i controller step-down TPS51650, dotati di uscita duale per l'alimentazione simultanea di Cpu e Gpu, con controllo rispettivamente a 3 e 2 fasi e 8 diverse frequenze di oscillazione selezionabili individualmente. I dispositivi adottano l'architettura D-CAP+ supportando la sovrapposizione degli impulsi di modulazione per una riduzione dei fenomeni di overshoot e undershoot in risposta a transienti veloci. Analoga architettura è disponibile pure nei TPS51463, specificati per conversione step-down da tensione d'ingresso a 3,3 o 5 V e compatibili con la piattaforma Intel Chief River. Nel settore delle soluzioni per trasmissione wireless della potenza, invece, si segnalano la serie BQ5101x, mentre in quello delle applicazioni Ieee802.3at (PoE plus) i dispositivi TPS2378. I primi sono ricevitori compatibili con la specifica WPC 1.0, caratterizzati per potenze fino a 5 W, tensione d'ingresso massima di 20 V, tensione uscita di 5 V e valore di picco dell'efficienza di conversione Ac/Dc fino al 93%. Integrano circuito rettificatore sincrono a bassa impedenza, regolatore Ldo, loop di corrente/tensione. I TPS2378, invece, sono interfacce di linea, installate a monte del convertitore Dc/Dc, in sistemi Power-Over-Ethernet. I dispositivi sono caratterizzati da bassa resistenza di switch interna (0,5 Ω), elevate prestazioni in termini di dissipazione termica grazie alla tecnologia PowerPAD, supporto per corrente continua di fino a 0,85 A, circuito di limitazione della corrente di inrush a 140 mA, compatibilità Esd per 15 kV/8kV.

Intersil
Diverse sono anche le novità presentate negli ultimi mesi da Intersil. Nel settore del power management per Cpu/Gpu, ad esempio, si segnalano i modelli ISL6367, realizzati nella tecnologia di modulazione proprietaria Green Hybrid Digital Enhanced ActivePulse Positioning (EAPP) che assicura risposta veloce a transienti senza necessità di un elevato numero di condensatori in uscita. I dispositivi integrano un controller Pwm duale. Questo dispone di un canale a 6 fasi utilizzato per l'alimentazione di Cpu e memoria e uno ad 1 fase dedicato, invece, alle periferiche. I dispositivi ISL6367 integrano poi anche un circuito di sensing, per una regolazione costante della tensione di uscita in funzione del carico, come richiesto dalle moderne applicazioni; l'accuratezza a loop chiuso è di ± 0.5%. I dispositivi sono progettati anch'essi per applicazioni VR12/IMVP-7 compatibili con processori Intel. Per applicazioni con processori Amd è disponibile la serie ISL6328A. Nell'ambito generico, invece, dei regolatori di tensione, una delle novità più recenti sono i modelli ISL8011x, caratterizzati da corrente di uscita fino a 3 A (in funzione del modello selezionato) e dropout a pieno carico di soli 75 mV (tipico). Integrati in package Dfn di 3 x 3 mm2 e specificati per tensione di ingresso compresa tra 1 e 3,6 V e tensione di uscita regolabile tra 0,8 e 3,3 V, i dispositivi esibiscono un Psrr maggiore di 40 dB a 100 KHz e un'accuratezza garantita di ±1.6% sul'intero intervallo di temperatura di giunzione di lavoro, risultando così ideali per tutte le applicazioni nelle quali sia richiesta elevata immunità al rumore. I dispositivi ISL95874, ISL95875, ISL95876 sono invece regolatori sincroni con topologia buck a singola fase, realizzati nella tecnologia proprietaria R4, per una risposta ottimale ai transienti. I dispositivi sono in grado di assicurare accuratezza di ±0.5% sull'intervallo di temperatura compreso tra -10 e +100 °C. Supportano tensione d'ingresso da 3,3 a 25 V e tensione di uscita tra 0,5 e 5 V, regolabile mediante ingressi di controllo VID. La frequenza di switching è programmabile su certi valori tra 300 kHz e 1 MHz Pwm; i dispositivi supportano la transizione automatica nella modalità diode-emulation in condizioni di poco carico. In applicazioni multi-rail con alimentazione a batteria e, in generale, per tutti i dispositivi a bassa tensione risultano, invece, ideali i modelli della serie ISL9307. Questi integrano due convertitori step-down con capacità di corrente fino a 1500 mA e due regolatori lineari Ldo con capacità di 300 mA. Per i circuiti step-down, la frequenza di switching è di 3 MHz, il che consente di utilizzare induttori e condensatori di ridotte dimensioni. I dispositivi ISL9307 sono specificati per tensioni di ingresso comprese tra 2.5 e 5.5 V e integrati in package Tqfn-16 di dimensioni 4 x 4 mm2 . La corrente quiescente assorbita dai dispositivi è di 20 µA per ogni canale Ldo e 50 µA per ognuno dei due switching (quando operanti in Skip mode). Elevata capacità di corrente (fino a 4 A) ed elevata efficienza (95%) sono caratteristiche anche dell'ISL8024, regolatore buck sincrono che presenta accuratezza dello 0,8% nella regolazione del carico, supporto per frequenza di switching nell'intervallo compreso tra 500 KHz e 4 MHz (con possibilità di sincronizzazione esterna), funzionalità di protezione da sovratensione, sovracorrente e temperatura. Il regolatore è integrato in package Qfn da 3 x 3 mm2, richiedendo soltanto tre altri componenti passivi esterni per il corretto funzionamento. Interessanti sono anche i nuovi lineari della serie ISL80136/8, che si evidenziano per l'ampio intervallo di tensioni di ingresso supportate (fino a 40 V) e la capacità di operare stabilmente con solo 10 µF di capacità di carico. I dispositivi sono caratterizzati da tensione di uscita regolabile tra 2,5 e 12 V con capacità di corrente fino a 60 mA, accuratezza di ±1% e corrente quiescente tipica di 10 µA (che si riduce fino a solo 1.8 µA in shut-down).

Linear Technology
Tre le più interessanti novità annunciate di recente da Linear Technology, vi è certamente l'LTC3261, un inverter charge pump in grado di operare nell'intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 4,5 e 32 V. Il dispositivo garantisce una corrente di carico di fino a 100 mA con un assorbimento quiescente di soli 60 µA (in modalità burst). La frequenza di oscillazione è programmabile tra 50 e 500 KHz mediante resistore esterno. L'LTC3261 dispone di protezione termica e da corto-circuito ed è integrato in package Msop-12. L'LT3988 è, invece, un convertitore step-down, operante in modalità corrente, con uscita duale con capacità di carico di fino a 1 A per canale e due ingressi separati specificati nell'intervallo di tensioni tra 4,1 e 60 V. Il convertitore integra diodi di boost, loop di compensazione e switch ad elevata efficienza, operando a una frequenza programmabile tra 250 KHz e 2,5 MHz (eventualmente sincronizzabile dall'esterno), con un consumo di potenza (in shut-down) ridotto a meno di 2 µA. I due canali di regolazione on-chip operano in opposizione di fase, per ridurre il ripple indotto sulla corrente di ingresso. I dispositivi LT3988 sono disponibili in package Msop-16. Regolazione step-down è fornita anche dall'LTM8029, un convertitore che si caratterizza anch'esso per il supporto per un ampio intervallo di tensione di ingresso (fino a 36 V) e per una tensione di uscita regolabile tra 1,2 e 18 V con corrente fino a 600 mA. Il dispositivo è in grado di operare in burst mode, così da garantire elevata efficienza (fino al 95% in alcune condizioni di lavoro) con regolazione di carico di 0,4 % (tipica). L'LTM8029 implementa controllo in corrente e può essere utilizzato come inverter. La frequenza di switching è programmabile tra 200 KHz e 2,2 MHz. Simili sono anche le caratteristiche dell'LT3971A, basato su architettura buck. In questo caso, l'intervallo di tensioni d'ingresso supportate è fino a 38 V, la frequenza di switching è regolabile tra 200 kHz e 2 MHz (ancora una volta sincronizzabile dall'esterno sull'intero intervallo) mentre la massima corrente di carico erogabile è di 1,3 A; il ripple, in applicazioni tipiche, è di soli 15 mV. Il dispositivo dispone di modalità di shut-down, nella quale il consumo è ridotto a soli 700 nA. Tornando a considerare le soluzioni per applicazioni con alimentazione a batteria, segnaliamo poi i modelli LTC3586-2/-3. Questi includono un circuito carica-batteria con controller PowerPath, un regolatore lineare Ldo da 20 mA, due regolatore switching con topologia buck e capacità di corrente fino a 400 mA, un regolatore di tipo buck-boost da 1 A e uno di tipo boost da 800 mA; tutti i canali di regolazione sono abilitabili indipendentemente mediante opportuni ingressi. I dispositivi LTC 3586-2/-3 adottano la tecnologia Bat-Track che assicura una tensione di uscita superiore di 0,3 V di quella di batteria, qualora la corrente di ingresso sia inferiore ai limiti programmati, riducendo, in questo modo, la dissipazione di potenza del circuito lineare di carica della cella. I dispositivi operano con tensione d'ingresso compresa tra 4,5 e 5,5 V da porta Usb o alimentatore di rete e sono disponibili in package Qfn di dimensioni 4 × 6 mm2 e basso profilo (0,75 mm). Funzionalità di carica batteria sono implementate anche nell'LTC4156, ideale in applicazioni con celle LiFePO4, assicurando una capacità di corrente di carica di fino a 3,5 A regolabile, unitamente ad altri parametri (come la tensione di mantenimento della batteria), mediante interfaccia I2C. L'LTC4156 dispone di ingresso duale, per alimentazione da porta Usb o alimentatore di rete, con protezione da sovratensione su entrambe le linee e relativo multiplexing a priorità. Integra, inoltre, un canale di misura della temperatura di cella mediante sensore Ntc, per il controllo costante delle condizioni di carica. È integrato in package Qfn da 4 × 5mm2 con basso profilo (0,75 mm). Nell'ambito dei circuiti di supervisione e power sequencing si segnala infine il modello LTC2974. Alimentato mediante tensione d'ingresso compresa tra 3,3 e 15 V, integrato in package Qfm di 9 x 9 mm2, il dispositivo opera autonomamente rilevando fault di diversa natura (come, ad esempio, superamento di soglia dei parametri di lavoro) su fino a 4 canali in parallelo. Monitora costantemente tensione, corrente e temperatura per i quattro canali, oltre alla tensione d'ingresso, rendendo accessibili le misure mediante l'interfaccia di controllo e comunicazione Pmbus. Dispone inoltre di funzionalità di power sequencing e controllo digitale (marginig) delle uscite e watchdog timer programmabile. Integra memoria Eeprom per la memorizzazione dei parametri di lavoro e degli eventi di fault rilevati.

Analog Devices
Novità interessanti non mancano neanche da Analog Devices. L'ADP5065, ad esempio, è un circuito carica-batteria compatibile con le specifiche Usb 3.0 e Usb Battery Charging Specification 1.1, in grado di operare con tensione di ingresso compresa tra 4 e 5,5 V, ma tollerante per fino a 12 V, così da sopportare eventuali spike indotti durante le operazioni di inserzione e connessione dell'ingresso di carica. In alimentazione da porta Usb è in grado di erogare fino a 650 mA di corrente di carica; con alimentatore dedicato di rete, la corrente di carica può arrivare invece fino a 1,25 A. Il dispositivo richiede cinque soli altri componenti passivi esterni per il corretto funzionamento e integra un Fet in grado di isolare l'uscita verso il carico dalla linea della batteria nel caso di fault di questa. L'ADO1053 è, invece, un regolatore switching in grado di fornire controllo, monitoraggio e protezione di fino a 3 canali in parallelo mediante 8 controller Pwm operanti in modalità tensione. Due canali supportano regolazione con feedback, mentre il terzo è di tipo non regolato con duty cycle fisso. La frequenza di switching può essere programmata indipendentemente per i 3 canali tra 50 KHz e 625 KHz. I dispositivi integrano memoria Eeprom di configurazione e interfaccia di controllo Pmbus e sono disponibili in package Lfcsp di dimensioni 6 x 6 mm2. In analogo package ma di più piccole dimensioni (4 x 4 mm2) sono, invece, disponibili i modelli della serie ADP5041. Si tratta di dispositivi che integrano un convertitore con topologia buck e 2 regolatori lineari di tipo Ldo, unitamente a un circuito di supervisione di tensione e un watchdog. I dispositivi ADP5041 operano con tensione di ingresso compresa tra 2,3 e 5,5V; dispongono di protezione termica e da sovracorrente, capacità di soft start e lockout per undervoltage. Il convertitore buck è specificato per tensione di uscita compresa tra 0,8 e 3,8 V, con capacità di corrente fino a 1,2 A, frequenza di switching di 3 MHz ed efficienza di picco di fino al 96%. I due canali lineari garantiscono, invece, tensione di uscita compresa tra 0,8 e 5,2 V con droput di fino a 72 mV e reiezione di rumore di 60 dB fino a 10 KHz. Analogo Psrr è garantito pure dall'ADP7104, regolatore lineare specificato per tensione di ingresso di fino a 20 V e corrente di uscita di fino a 500 mA. Il rumore di uscita è di soli 15 µV Rms rendendo il regolatore ideale per applicazioni critiche di alimentazioni di circuiti Adc e Dac, amplificatori di precisione, oscillatori ad elevate frequenze o dispositivi Pll. L'ADP7104 è disponibile nei package Lfcsp da 3 × 3 mm2 e Soic-8. Elevata capacità di corrente di uscita (fino a 6 A) è infine garantita dal regolatore step-down sincrono ADP2381, specificato nell'intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 4,5 e 20 V e tensione di uscita regolabile da a 0,6 V fino al 90% di quella di ingresso. La frequenza di switching è programmabile tra 250 KHz e 1,4 MHz, sincronizzabile esternamente (in fase o in opposizione). Nell'ambito delle applicazioni di conversione Ac-Dc, infine, segnaliamo l'ADP1048 che implementa funzionalità Pfc (Power Factor Correction), secondo un tradizionale schema boost che, attraverso misure della tensione di feedback di uscita e delle tensioni e corrente di ingresso, tende a correggere le armoniche presenti sulla linea, migliorando il fattore di potenza del circuito di conversione. L'ADP1048 dispone di due circuiti di protezione da sovratensione e un circuito di limitazione della corrente di inrush.

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