Gestire l’alimentazione

POWER MANAGEMENT IC –

Gli IC di power management, oggi utilizzati in una grande varietà di applicazioni, offrono prestazioni sempre migliori grazie all’impiego di soluzioni tecnologiche innovative. Cresce l’importanza del “digital power”, che porta i vantaggi delle tecniche digitali in un settore un tempo analogiche.

La categoria dei circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione e, più in generale, per la gestione dell'energia, spesso indicati con la sigla inglese Pmic (Power Management Integrated Circuit) comprende un'enorme varietà di dispositivi, rivolti alle applicazioni più disparate. Da sempre, infatti, tutti i tipi di sistemi elettronici hanno bisogno di essere alimentati tramite dispositivi capaci di regolare tensione e corrente; a queste necessità “naturali” dell'elettronica si sono aggiunte negli ultimi anni le applicazioni legate alla pura e semplice gestione dell'energia elettrica, come quelle riguardanti le cosiddette smart grid. In un quadro così variegato è possibile individuare solo alcune tendenze generali, tra cui le seguenti:
- l'ampliamento dello spettro applicativo dei Pmic, con l'apertura di nuovi mercati;
- la continua ricerca di un miglioramento delle “prestazioni” in senso lato;
- l'impiego crescente di tecniche digitali (“digital power”), anche in un settore che fino a poco tempo fa era totalmente analogico.

Ampliamento dello spettro applicativo
Come si è detto, negli ultimi anni le necessità di gestione elettronica dell'alimentazione e dell'energia sono sensibilmente aumentate, a causa della comparsa di molte nuove tipologie di sistemi che utilizzano l'energia elettrica in forma controllata e regolata. Un elenco parziale comprende l'illuminazione a Led (questi dispositivi necessitano infatti di un alimentatore, al contrario di molte sorgenti luminose tradizionali che possono essere collegate direttamente alla rete elettrica); i veicoli elettrici e ibridi (nei quali occorre non solo pilotare il motore, tema che esula dagli scopi di questo articolo, ma anche gestire la ricarica della batteria); la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili (che possono essere sfruttate efficacemente solo tramite controlli elettronici); il crescente successo di soluzioni alternative per la distribuzione dell'alimentazione, come la tecnica Power over Ethernet (PoE) o le porte Usb; la comparsa di tecnologie di alimentazione completamente nuove, come l'energy harvesting o la ricarica wireless delle batterie nei sistemi portatili. Molti importanti produttori di semiconduttori hanno pertanto messo a punto nuovi dispositivi per rispondere alle necessità poste da queste nuove applicazioni; vediamo ora, unicamente a titolo d'esempio, alcuni prodotti recentemente presentati da Linear Technology. Per quanto riguarda la tecnologia PoE, Linear ha messo a punto una soluzione “proprietaria” denominata LTPoE++ che consente di aumentare fino a 90 watt la potenza massima distribuita tramite i cavi Ethernet. L'aumento della potenza, rispetto ai 25 watt dello standard PoE+, consente di alimentare anche sistemi come picocelle telefoniche, pannelli di digital signage o telecamere di videosorveglianza dotate di riscaldamento. Compatibile con gli standard Ieee PoE e PoE+, la nuova tecnologia utilizza il cavo Cat-5e (quattro doppini) e prevede quattro diversi livelli di potenza: 38,7 watt, 52,7 watt, 70 watt e 90 watt. Secondo Linear Technology, la soluzione LTPoE++ offre vari vantaggi: non richiede l'uso di costosi optoisolatori, poiché l'isolamento è ottenuto tramite economici trasformatori del tipo utilizzato nelle reti Ethernet; genera un basso livello di emissioni elettromagnetiche; sopporta bene gli sbalzi di tensione che si verificano alla connessione e disconnessione dei sistemi alimentati. Inoltre il chip “ricevente” (quello che preleva l'energia dal cavo e la fornisce al sistema) non comprende i Mosfet di potenza e quindi dissipa poco calore; e l'uso di Mosfet esterni consente anche di scegliere i dispositivi di potenza più adatti a ogni singola applicazione. La gamma dei prodotti LTPoE++ comprende quattro diversi controllori per Power Sourcing Equipment (cioè per immettere l'energia nel cavo), rispettivamente per soluzioni a una, quattro, otto o dodici porte; e ovviamente un controllore per il sistema alimentato (LT4275). Per quanto riguarda l'impiego di fonti energetiche rinnovabili nella ricarica delle batterie, Linear ha realizzato dispositivi che tengono conto del fatto che queste fonti sono caratterizzate da una grande variabilità dei valori di tensione e corrente. Un esempio è il chip LT8705, un controllore Dc/Dc buck-boost sincrono che accetta in ingresso tensioni inferiori, superiori o uguali al valore di tensione prodotto in uscita. Il dispositivo è dotato di quattro anelli di retroazione, per controllare corrente e tensione in ingresso e corrente e tensione in uscita. La regolazione sull'ingresso consente ad esempio di evitare il sovraccarico del pannello solare, mentre la regolazione in uscita permette di fornire alla batteria i giusti valori di corrente per la ricarica. Il controllore LT8705 accetta in ingresso tensioni comprese tra 2,8 e 80 volt, e fornisce in uscita tensioni comprese tra 1,3 e 80 volt. La potenza massima gestibile da un singolo dispositivo è pari a 250 watt; valori superiori possono essere raggiunti collegando più dispositivi in parallelo. Stando ai dati diffusi dal produttore, il chip raggiunge un'efficienza del 98%. Ancora in tema di fonti rinnovabili va citato un altro esempio riguardante Linear Technology: il chip LT8490, un controllore buck-boost per la ricarica delle batterie che comprende anche i circuiti necessari per eseguire l'algoritmo Mppt (Maximum Power Point Tracking). Ricordiamo in breve che quest'ultimo algoritmo consente al controllore di inseguire gli spostamenti del punto di lavoro del pannello fotovoltaico o della turbina eolica (dovuti ai cambiamenti delle condizioni di irraggiamento solare o della velocità del vento), per massimizzare in ogni momento il prodotto tensione x corrente, cioè la potenza prodotta. Anche questo chip accetta in ingresso tensioni inferiori, superiori o uguali al valore fornito alla batteria; le gamme di tensione sono le stesse del dispositivo citato precedentemente.
Un esempio, infine, riguardante i dispositivi per la gestione delle batterie nei veicoli elettrici ed ibridi, caratterizzate da grandi pile di celle ad alta tensione. In questo tipo di applicazioni, per ottenere una lunga autonomia del veicolo e una lunga durata delle batterie (che dovrebbero avere una vita utile di dieci anni) è necessario gestire singolarmente la scarica e la ricarica di ogni cella. Uno degli ostacoli principali è rappresentato dal forte rumore elettrico generato dall'inverter, che rende difficile trasmettere in modo affidabile al controllore le misure di tensione e corrente rilevate sulla batteria. Linear Technology ha affrontato questo problema con il dispositivo di monitoraggio LTC6804. Il chip incorpora l'interfaccia isoSPI, una tecnologia “proprietaria” di Linear che impiega un singolo doppino per trasmettere dati seriali a 1 Mbps su tratte lunghe fino a cento metri, in modo immune al rumore. Il chip LTC6804 può effettuare misure con una risoluzione di 16 bit e un errore massimo dello 0,04%; la misura su dodici celle richiede 290 microsecondi.
Alla comparsa di molte nuove applicazioni per i Pmic si accompagna anche un possibile declino di alcune delle applicazioni tradizionali. In particolare, potrà diminuire l'importanza degli alimentatori esterni per i sistemi portatili (notebook PC, cellulari ecc.), per effetto di vari fattori: il crescente successo della porta USB come fonte di alimentazione per una molteplicità di periferiche (anche grazie al fatto che la versione USB 3.0 è in grado di erogare una potenza più alta); le norme che imporranno l'uso del “caricabatterie universale” per i telefoni cellulari; e infine la futura realizzazione di reti elettriche per distribuire la corrente continua all'interno degli edifici. Quest'ultima possibilità viene perseguita dalla EMerge Alliance ed è oggetto di standard o progetti elaborati da Etsi e Iec.

Aumento delle prestazioni
Un'altra tendenza generale che riguarda i Pmic è ovviamente la ricerca di un continuo aumento delle prestazioni e delle funzionalità, sotto la spinta di tre principali fattori: la competizione tra i produttori, la crescente complessità dei sistemi alimentati, le norme legate al risparmio energetico. Tra gli aspetti che sono oggetto di questo sforzo di miglioramento sono compresi l'efficienza di conversione energetica, il consumo in standby o a carico ridotto, il fattore di potenza, la distorsione armonica, la dissipazione di calore, il livello di integrazione, la densità di potenza, la protezione del carico, le funzionalità riguardanti le interazioni con il sistema elettronico alimentato ecc. Per quanto riguarda i vincoli posti dalla crescente complessità dei sistemi elettronici va ricordato che spesso le moderne schede digitali comprendono numerosi componenti come microprocessori e Fpga, caratterizzati da un forte assorbimento di corrente, da molteplici tensioni di alimentazione e da esigenze precise per quanto riguarda le sequenze di accensione e spegnimento. Tutto ciò ha determinato un cambiamento delle architetture utilizzate per distribuire l'alimentazione nell'ambito della scheda, con la crescente diffusione delle soluzioni di alimentazione PoL (point-of-load, punto di carico), nelle quali ogni chip è dotato di un proprio regolatore installato nelle immediate vicinanze. Le soluzioni PoL consentono, nel circuito stampato, di ridurre la lunghezza delle piste che portano correnti elevate, per limitare problemi di dissipazione termica che spesso hanno effetti negativi sugli ingombri e sull'affidabilità del sistema.

Le soluzioni digital power
La necessità di aumentare le prestazioni dei Pmic, sotto tutti gli aspetti, sta determinando una crescente diffusione delle soluzioni di “digital power”, oggi rese possibili dai moderni processi di fabbricazione che consentono di integrare nello stesso chip elementi analogici e digitali senza aggravare i costi. Con l'espressione “digital power” si indica - in primo luogo - l'impiego di tecniche digitali nell'anello di retroazione utilizzato per regolare le grandezze elettriche erogate. In secondo luogo, l'espressione digital power si applica anche all'uso di tecniche digitali nelle interazioni tra il Pmic e il resto del sistema. Per quanto riguarda il primo dei due aspetti, va ricordato che nelle tradizionali soluzioni analogiche l'anello di retroazione che comanda il modulatore Pwm (cioè che determina il duty cycle degli impulsi) si basa essenzialmente su un amplificatore di errore che confronta il segnale di retroazione con un riferimento di tensione, e su un comparatore che confronta il segnale di errore con quello di un generatore di rampa. Nelle soluzioni digital power, invece, il segnale di retroazione viene subito convertito da analogico a digitale e quindi utilizzato - sotto forma di numero - da un Dsp o da un altro dispositivo di elaborazione, che determina il duty cycle degli impulsi applicando appositi algoritmi. La differenza principale tra le due soluzioni sta nel fatto che l'anello di regolazione analogico è fissato una volta per tutte e il suo comportamento (ad esempio il rapporto tra stabilità e risposta dinamica) dipende in parte dai valori dei condensatori e dei resistori esterni (valori che, tra l'altro, sono soggetti a deriva termica e a cambiamenti nel corso del tempo); l'anello di regolazione digitale, invece, può essere modificato continuamente cambiando l'algoritmo eseguito dal DSP. Diviene possibile, ad esempio, massimizzare l'efficienza in tutte le condizioni di carico utilizzando diversi tipi di modulazione degli impulsi: Pwm (Pulse width modulation), Pfm (Pulse frequency modulation), Dpwm (deep Pwm), Dpfm (Deep Pfm). È altresì possibile applicare tecniche particolari per ridurre le emissioni elettromagnetiche. Inoltre i produttori di circuiti integrati hanno la possibilità di collaudare il codice destinato a gestire il chip anche prima di realizzare i prototipi in silicio, utilizzando un Fpga. Va detto che, dall'esterno, un Pmic realizzato con tecniche di digital power può essere del tutto indistinguibile da un dispositivo realizzato con le tradizionali tecniche analogiche; a volte le due soluzioni convivono nella medesima famiglia di prodotti. L'uso di tecniche digitali nell'anello di retroazione apre la strada a molte nuove funzionalità nel secondo aspetto del digital power, cioè l'interazione tra il Pmic e il resto del sistema. Tramite un bus come PMBus (Power Management Bus, un protocollo di proprietà del System Management Interface Forum) diviene infatti possibile programmare in qualunque momento tutti i parametri di funzionamento del Pmic, dal valore della tensione erogata fino alle sequenze di accensione (sequencing) nei sistemi che impiegano più tensioni diverse (multi-rail). Un aspetto delle possibilità offerte dal digital power è l'ottimizzazione dell'efficienza anche a livello di intera scheda, nel caso delle schede che utilizzano regolatori PoL per alimentare i singoli chip. Per questo tipo di sistemi, infatti, la soluzione normalmente adottata (detta Intermediate Bus Architecture) prevede una prima conversione da 48 volt a 12 volt e quindi la distribuzione di questa tensione intermedia a tutti i regolatori PoL per mezzo di un apposito bus. L'uso di una tensione intermedia fissa, però, comporta un calo dell'efficienza di conversione dei regolatori PoL in condizioni di carico leggero. Oggi, grazie al digital power, è possibile ridurre la tensione intermedia per adattarla alle variazioni del carico, migliorando così l'efficienza dei regolatori PoL in tutte le condizioni di carico. Questa nuova soluzione è denominata Dynamic Bus Architecture (DBA).

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