I vantaggi dei Power Block in applicazioni PoL a elevata corrente

L'approccio alla progettazione basato sui Power Block rappresenta la soluzione ideale per tutte le odierne applicazioni che richiedono potenze molto elevate – dagli Asic agli Fpga, alle architetture di elaborazione dati e Iba. In sintesi un Power Block si può definire un convertitore buck non isolato privo di controllore Pwm: esso integra Fet di potenza, il circuito di gate drive (per il pilotaggio del gate), condensatori di ingresso e uscita, induttore di uscita, sensore di temperatura e rete per il rilevamento della corrente. Per ottenere un convertitore PoL completo sono richiesti un controllore Pwm, la tensione per il pilotaggio del gate e alcuni condensatori di ingresso e di uscita aggiuntivi. Nelle applicazioni PoL (Point of load) e Vrm (Voltage regulator module) un approccio modulare o basata su Power Block assicura molteplici vantaggi rispetto sia a soluzioni realizzate tramite componenti discreti sia all'utilizzo di convertitori PoL completi. Rispetto alle soluzioni discrete, l'utilizzo dei Power Block contribuisce a semplificare il progetto del sistema di potenza. Essendo componenti già ready-made, i Power Block permette di ridurre sia i tempi sia i costi di realizzazione. Nella fase di sviluppo del packaging di questi Power Block sono state completamente risolte sia le problematiche relative al layout, sia quelle di natura termica e quelle legate alle prestazioni Emi. I Power Block, inoltre, sono stati progettati per soddisfare le norme, in termini di qualità e di affidabilità, dei più severi standard in vigore nell'industria informatica e delle telecomunicazioni. Essi sono stati progettati per soddisfare, se non addirittura superare, i requisiti delle normative IPC-9592B relativi al Dfr (Design for reliability) e hanno superato tutte le verifiche di compatibilità sia ambientale sia meccanica. Rispetto a un modulo PoL completo, i Power Block vantano una maggiore flessibilità. La possibilità di utilizzare differenti controllori con il medesimo Power Block consente di individuare il compromesso ottimale tra costi, dimensioni, funzionalità (come ad esempio l'interfaccia PMBus) e prestazioni. La possibilità di impiegare un controllore analogico o digitale garantisce la massima libertà di scelta per quel che riguarda caratteristiche e livelli di prestazioni. È possibile selezionare la frequenza di funzionamento oppure sincronizzare, se richiesto, il convertitore con sorgenti di clock (clock source) esistenti. I Power Block, inoltre, assicurano una maggiore efficienza rispetto alle soluzioni basate su circuiti integrati monolitici che, per garantire dimensioni ridotte, devono operare a frequenze più elevate, a scapito quindi dell’efficienza.

Densità di potenza
I Power Block consentono di ridurre l'occupazione di spazio a bordo della scheda rispetto sia alle soluzioni discrete sia ai moduli PoL integrati. Progettato in base a rigorosi criteri di ottimizzazione, il packaging dei Power Block prevede induttori posizionati al di sopra del Pcb, con i Fet e il circuito di pilotaggio montati al di sotto. L’intero package del Power Block occupa sulla scheda uno spazio non superiore a quello degli induttori stessi. Poiché il circuito di controllo utilizza soltanto componenti a basso profilo, esso può essere posizionato sul lato inferiore della scheda Pcb per ridurre ulteriormente l'ingombro. Grazie a questi accorgimenti il layout è molto compatto e garantisce maggiore densità di corrente e di potenza rispetto a quelle ottenibili con moduli integrati o soluzioni con componenti discreti. La Fig. 1 riporta una demo board per uno dei controllori Pwm digitali a due fasi utilizzato nei test di qualificazione di un Power Block da 45A. In questo progetto, l'ingombro sulla parte superiore della scheda Pcb è pari a 26 x 25,6 mm equivalente a 665 mm2, compresi i condensatori di I/O. Sul lato interiore della scheda il circuito di controllo occupa uno spazio pari a circa la metà. In questo modo è possibile ottenere una densità di potenza di circa il 30% superiore rispetto a quella del miglior modulo integrato al momento disponibile. Questo risultato è destinato a migliorare ulteriormente perché Murata Power Solutions sta sviluppando versioni a 60, 80 e oltre 100 A di questo prodotto con l'obiettivo di aumentare la densità di potenza/corrente in ogni nuovo progetto.

Prestazioni termiche
Un convertitore di potenza progettato in modo adeguato deve garantire che nessun componente superi la propria temperature nominale e che l'intero sistema sia mantenuto alla temperature più bassa possibile per garantire la massima affidabilità. Gli elementi che contribuiscono in maggior misura alla generazione del calore sono i Fet di commutazione e l'induttore di potenza. Altri componenti, come ad esempio Pwm, condensatori ad alto Esr e driver di Fet integrati, potrebbero non contribuire in maniera significativa alle perdite termiche totali (heat loss) ma, a causa del loro package, potrebbero essere soggetti ad aumenti significativi della temperatura interna. Un progetto ottimizzato in termini di gestione termica prevede l'adozione di tecniche che prendono in esame il piazzamento strategico dei componenti sulla scheda Pcb, la quantità di rame e il numero di layers della scheda Pcb, l'uso di vias per trasferire il calore lontano dai dispositivi. In linea generale, un package compatto rappresenta un ostacolo per la gestione termica: a questo proposito non va dimenticato che le considerazioni di natura termica di solito definiscono i limiti delle dimensioni degli attuali convertitori di potenza. Nel caso dei Power Block, queste problematiche di progetto sono state completamente risolte: il packaging è stato attentamente progettato, collaudato e verificato sull'intero range di condizioni operative al fine di soddisfare le linee guida relative al derating (in pratica alla diminuzione delle prestazioni) dei componenti previste da IPC-9592. Rispetto all'uso di componenti discreti, l'adozione di questo approccio si traduce in un notevole risparmio per quel che concerne tempi di sviluppo e costi. Ad esempio è possibile confrontare le prestazioni termiche di un modulo "industry standard" da 50A con un Power Block da 45 A di Murata Power Solutions. La densità di potenza di quest'ultimo è più elevata perché i componenti possono essere montati sul retro della scheda Pcb come discusso in precedenza, mentre un package di tipo Sip, essendo di tipo through-hole, non contempla questa opzione. Un package Sip, inoltre, richiede uno scambiatore di calore integrato per garantire un raffreddamento più efficace, a differenza del Power Block preso in considerazione che non necessita di questo componente aggiuntivo. Le curve di derating del modulo Sip, riportate in Fig. 3, evidenziano che anche con un flusso d'aria pari a 500 lfm si manifestano fenomeni di derating che riducono la corrente di uscita a circa 45 A a 70°C. Il Power Block, per contro, non dà luogo ad alcun fenomeno di derating sull'intero intervallo di temperatura con un flusso d'aria di soli 200 lfm per tensioni di uscita comprese tra 800 mV e 1,8 V. Nel Power Block da 45A si manifesta un derating fino a 35 A con tensioni di uscita compresa tra 2,5 e 3,3 V, dato questo compatibile con il derating del modulo Sip da 50 A a 1,8 V a parità di velocità del flusso d'aria.

Nuovi concetti nel campo della potenza
Mentre il Power Block da 45A è già disponibile, Murata Power Solutions è attivamente impegnata nello sviluppo di analoghi moduli con correnti più elevate. I Power Block da 60 A è una soluzione a due fasi che utilizza un doppio induttore avvolto su un singolo core. Questa configurazione, oltre a garantire risparmi in termini di occupazione di spazio e di costi, consente l'interfacciamento diretto tra uno scambiatore di calore e i Fet. Questo modello da 60 A, che ha il medesimo footprint e la stessa configurazione dei pin del Power Block da 45 A, garantisce rispetto a quest'ultimo un incremento del 33% in termini di densità di corrente e di potenza. Il modulo da 80A a due fasi è caratterizzato da un footprint identico a quello delle versioni a 45 e 60 A e da un incremento di densità di corrente e di potenza del 78% rispetto al modello da 45 A.

Applicazioni Vrm
L'unità da 120A è una soluzione a quattro fasi contraddistinta da un footprint leggermente superiore rispetto a quello degli altri moduli, pari a 0.5” x 1.2”. Si tratta di un concetto particolarmente interessante per applicazioni Vrm (Voltage Regulator Module) multi-fase. Attualmente sono disponibili Power Block in configurazione a singola e a doppia fase: il modello a due fasi è dotato di due uscite indipendenti che possono essere fatte funzionare singolarmente. In alternativa le due fasi possono essere intercalate (interleaved), raddoppiando i livelli di corrente e di potenza e garantendo una minore ondulazione (ripple) dell'uscita e una migliore risposta ai fenomeni transitori. Facendo funzionare in parallelo più Power Block utilizzando controllori multi-fase è possibile ottenere correnti di valori pari a 90, 135, 180 A o anche superiori. Configurazioni di questo tipo si propongono come una soluzione Vrm scalabile ospitata in un package più flessibile rispetto ai tradizionali Vrm "industry standard". Un modulo a quattro fasi che eroga una corrente di 80 A e caratterizzato da un footprint di soli 0,6 in2 rappresenta una valida alternativa alle soluzioni Vrm tradizionali. Due Power Block da 80 A a quattro fasi può erogare una corrente di 160 A in un footprint di soli 1,2 in2. Questo, che attualmente solo un concetto, è perfettamente realizzabile con opportune personalizzazioni dei Power Block.

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