Gestione della potenza: ogni sistema ne ha bisogno

La gestione della potenza ha portato allo sviluppo di circuiti integrati (PMIC) specializzati nello svolgere funzioni di regolazione e conversione che possono essere parte del die del componente elettronico (per esempio una MCU), oppure dei componenti a se stanti realizzati in package compatibili con quelli sempre più innovativi che caratterizzano i circuiti integrati dell’ultima generazione.

Power Management e integrazione di sistema

La pervasività dell’elettronica di gestione della potenza è tale che ha indotto importanti sviluppatori di elettronica analogica a unire le competenze per sviluppare una tecnologia innovativa di Power Management intesa a favorire soprattutto il livello di integrazione. La tecnologia µModule Power di LT e ADI è una soluzione ad elevatissima integrazione di natura System-In-Package (SIP) che integra circuiti integrati analogici di commutazione di potenza con componenti passivi, per ottenere un ridottissimo footprint dell’IC. (Fig. 1)

Fig 1 – µModule Power by Linear di Analog Devices è una tecnologia ad elevatissima integrazione di natura system-on-Package (SIP) intesa a integrare IC analogici di commutazione di potenza con componenti passivi per ridurre al minimo l’occupazione di spazio nel sistema finale

Un esempio di impiego della tecnologia microModule è il DC/DC regulator LTM 4644: un DC/DC step-down regulator quadruplo capace di 4 A per ogni uscita (le uscite sono parallelizzabili in un array capace in totale di 16 A). Nel package sono inclusi anche i controller di commutazione, i FET di potenza, gli induttori e gli altri componenti necessari. Per il completamento del circuito sono richiesti esternamente solo i capacitori di accoppiamento di ingresso e di uscita.

CAD per la progettazione dell’alimentazione switching

 LTPower CAD di Analog Devices è un applicazione di ausilio alla progettazione (CAD) di alimentatori di sistemi elettronici che offre in un contesto assistito da computer i metodi e gli strumenti per progettare facendo riferimento a componenti commercialmente disponibili

Spesso la progettazione dei regolatori switching di alimentazione può essere difficile e problematica richiedendo buone conoscenze del ciclo di controllo della compensazione e del funzionamento di specifici circuiti integrati di gestione della potenza elettrica. Disporre di uno strumento di simulazione orientato alla progettazione può essere utile per accelerare e semplificare l’attività di sviluppo dei regolatori switching.

LTPower CAD di Analog Devices è un’applicazione di ausilio alla progettazione (CAD) di alimentatori di sistemi elettronici che va oltre il concetto di simulatore e offre in un contesto assistito da computer i metodi e gli strumenti per progettare facendo riferimento a componenti effettivamente disponibili. Lo strumento consente di visualizzare in tempo reale i risultati dei vari stadi della gestione della potenza e le prestazioni dei loop di retroazione e dei transitori. LTPower consente anche di esportare il modello di progettazione verso il simulatore di circuiti LTSpice per la completa verifica dei circuiti.

Harvesting e supercapacitori per la gestione della potenza

La gestione della potenza sta diventando una problematica sempre più complessa e degna di molta attenzione e sforzi da parte dello sviluppatore in conseguenza dello sviluppo dei sistemi microelettronici in termini di estrema riduzione delle dimensioni e crescenti requisiti stringenti di consumo di potenza elettrica, come sta accadendo per i sistemi elettronici indossabili (wearables). In questa categoria di sistemi il corretto bilanciamento tra carico di potenza e capacità della sorgente di potenza non è un problema banale. L’applicazione di tecniche di harvesting della potenza elettrica e di supercapacitori di ultima generazione può essere una buona strategia per la soluzione ottimale di tali problematiche.

Power management e illuminazione LED

I LED ad elevata luminosità sono sempre più utilizzati come sistemi di illuminazione soprattutto in ambito automotive, non solo nella funzione di segnalazione nella parte posteriore e laterale dell’autoveicolo, ma anche nella parte interna per il confort e l’intrattenimento (Backlighting di LCD per infotainment). I LED per essere efficienti in questo contesto devono essere pilotati da regolatori di voltaggio lineari o switching. I regolatori per le applicazioni automotive sono più impegnativi per le condizioni di impiego più estreme come il range di temperatura molto esteso e i disturbi impulsivi di natura sia elettrica che elettromagnetica.

I LED drive di ultima generazione per applicazioni automotive come MAX20090 di Maxim Integrated sono particolarmente interessanti anche per altri segmenti applicativi per l’elevata integrazione funzionale che li caratterizza. Per esempio MAX20090 è un single channel high brightness LED driver per applicazioni di illuminazione frontale,intensa e bassa, di segnalazione, di penetrazione (fendi-nebbia), capace di accettare un voltaggio di ingresso da 5 a 65 V e pilotare una stringa di LED. Dispone anche di un input PWM che consente la regolazione (Dimming) con un rapporto fino a 1000:1. Inoltre, un sistema interno di spread-spectrum modulation consente al dispositivo di migliorare notevolmente il livello di compatibilità elettromagnetica.

Power Management e controllo motore

Il controllo motore è uno dei campi applicativi in cui la gestione della potenza è particolarmente impegnativa in conseguenza della notevole proliferazione di tipologie di motori allo stato dell’arte: AC induction motor, (ACIM), permanent magnet, synchronous motor (PMSM), brushless DC motor (BLDC), switched reluctance motor (SR). Ognuna di queste tipologie di motori richiede uno specifico driver e quindi un altrettanto ampia proliferazione di IC di controllo motore.

NXP per esempio, considerando anche l’ampio portafoglio di MCU, dispone di un altrettanto ampio portafoglio di IC per il controllo motore, capace di coprire l’ampia tipologia dei motori impiegabili soprattutto in ambito automotive.

PEARGaN initiative: L’elettronica Power Management della prossima Generazione

L’utilizzo del silicio nelle applicazioni di conversione efficiente dell’energia ha ormai raggiunto i suoi limiti. questi ora possono essere superati con la tecnologia GaN (compatibile con il processo del silicio (< 10 micron il layer GaN su substrato di silicio) e che consente un incremento del 2% nel processo di conversione.

PEARGaN - Power Electronics Applications for Reliability inGaN - initiative guidata da NXP uk include anche il Manchester University’s Power Conversion Group e il Liverpool University’s Materials & Structures Centre. PEARGaN è stato focalizzato sullo sviluppo di concetti e architetture circuitali system level per a valutare nuovi processi di produzione e meccanismi di guasto.

PEARGaN è stato un progetto di collaborazione di 30 mesi iniziato nel 2005 che ha portato alla dimostrazione dell’efficacia della tecnologia di processo GaN nella produzione di componenti di controllo della potenza in termini di efficienza e robustezza.

Il dimostratore finale, un 250W single phase H-Bridge inverter si caratterizza per la riduzione delle perdite rispetto alla soluzione silicio superjunction MOSFET e per la riduzione di spazio in fase di assemblaggio su PCB (circa 40% di riduzione del volume).

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