L’alimentazione diventa digitale

DIGITAL POWER –

I regolatori digitali a commutazione si stanno affermando progressivamente. Questo articolo descrive come funzionano i componenti di Intersil Zilker Labs e dove ha senso usarli.

Le esigenze crescenti dei circuiti elettronici moderni rendono lo sviluppo dei sistemi di alimentazione sempre più lungo e dispendioso. I circuiti moderni con IC complessi, come microcontrollori, Dsp, Fpga, memorie, ecc. richiedono in genere più tensioni di alimentazione. Spesso ogni componente necessita anche di una alimentazione particolare dedicata. Nella maggior parte dei casi, queste tensioni devono essere attivate e disattivate secondo un ordine prestabilito. Alcuni microcontrollori consentono di ridurre la tensione di alimentazione in modalità di standby. In caso di errore, è necessario assicurare che i circuiti guasti vengano disattivati, anche se diverse parti del circuito si trovano ancora sotto tensione. Per poter soddisfare meglio e in modo completo i requisiti sempre più complessi degli attuali alimentatori, qualche anno fa Intersil ha acquisito l’azienda Zilker Labs, i cui IC controllori Digital Power sono prodotti in serie e sono stati introdotti sul mercato. In questo modo, è oggi disponibile un ampio spettro di controllori Digital Power e di altri componenti ad alte prestazioni, che operano con i Fet esterni (ZL6100, ZL6105, ZL2008), oltre a componenti con Fet interni per correnti fino a 6 A (ZL2106, ZL2105). Gli IC Digital Power di Intersil sono configurabili impostando un registro, di modo che non è necessario alcuna configurazione circuitale esterna supplementare. Ciò rende il regolatore a commutazione digitale competitivo nel prezzo, e attraverso la riduzione del numero dei componenti anche l’affidabilità dell’intero circuito risulta aumentata.

L’importanza della programmazione
Una funzione programmabile importante è la sequenziazione. In tale funzione, le singole tensioni di alimentazione possono essere attivate e in seguito disattivate secondo un particolare ordine. Diversamente da un regolatore a commutazione analogico, qui la sequenza di accensione e di spegnimento è impostata. I controllori Zilker Labs di Intersil dispongono di un bus dedicato, detto Ddc-Bus, al quale è possibile inviare lo stato in cui si trovano rispettivamente gli altri blocchi di questo bus. Attraverso la sequenziazione, lo sviluppatore imposta le sequenze di operazioni, in base alla quale sono attivati i singoli regolatori a commutazione, oltre alla velocità di rampa delle singole tensioni di uscita. Rispetto ai regolatori analogici, i controllori di alimentazione digitali possono essere programmati attraverso il PMBus (Power Management Bus, un protocollo standardizzato che gira su interfaccia I2C). Ciò è particolarmente interessante per i produttori di moduli di regolatori a commutazione, dato che un modulo può essere riconfigurato senza intervenire sull'hardware. Rispetto ai regolatori a commutazione, il convertitore analogico integrato rende più semplice il monitoraggio di parametri, come la tensione, l'intensità di corrente, ecc. Per queste funzioni di controllo sarebbero altrimenti necessari ulteriori sviluppi hardware, oltre al costo per i componenti aggiuntivi. Attraverso il già menzionato PMBus, è possibile richiamare i valori misurati durante il normale funzionamento per la tensione in ingresso e in uscita, la corrente di carico, la temperatura, la frequenza di commutazione e il duty cycle. Ai fini del monitoraggio, nei regolatori a commutazione digitali di Intersil Zilker Labs sono integrate due ulteriori funzioni: l'interrupt e la funzione di snapshot. In caso di guasto, ad esempio quando viene rilevata una sovracorrente o una sovratensione, il controllore attiva un interrupt. Lo sviluppatore può configurare il modo in cui il controllore reagisce a ciascun singolo caso di guasto. Inoltre, il guasto è visibile dall'esterno attraverso il PMBus. Le possibilità di segnalazione con avvisi di allerta vanno anche oltre. È così possibile impostare ad esempio due valori diversi per le sovratensioni. Quando si raggiunge il limite inferiore di tensione, viene emesso un segnale di avviso, quando invece si raggiunge il limite superiore di tensione, il controllore avvia le misure precedentemente impostate. Se un guasto porta allo spegnimento del regolatore a commutazione, la funzione di snapshot salva i parametri più importanti nella memoria Flash interna. Questi dati possono essere letti per l'analisi degli errori. Per correnti elevate, è possibile attivare più regolatori digitali a commutazione in parallelo. In tal caso è im portante che i regolatori a commutazione operino in sincronia con lo stesso segnale di clock. I singoli controllori scambiano informazioni uno con l'altro attraverso il già menzionato Ddc-bus, su quale controllore fornisce corrente e su quanta ne fornisce, per assicurare che la corrente di carico venga ripartita in modo bilanciato. Attraverso il PMBus è possibile programmare lo spostamento di fase del regolatore attivato in parallelo. Sono ovviamente regolabili anche lo spegnimento automatico delle singole fasi in caso di corrente di carico bassa e il successivo azionamento con l'aumento della corrente di carico.

Funzioni all’avanguardia
I componenti di Intersil Zilker Labs presentano ulteriori peculiarità. Si tratta dei regolatori buck sincroni. È quindi importante determinare il tempo di off ottimale per entrambi i Fet in uscita. I componenti di Intersil Zilker Labs monitorano la tensione sui Fet inferiori e consentono così un'ottimizzazione automatica del tempo di off.
Nell'ultimo IC controllore introdotto, il componente ZL6105, è implementata una funzione per la compensazione automatica del circuito digitale di controllo. Ogni circuito di controllo richiede un elemento di compensazione per operare in modo stabile. Più parametri sono modificabili, più è difficile dimensionare questo circuito di compensazione. In presenza di fluttuazioni della tensione di ingresso, che devono essere compensate, si ha che, ad esempio, la resistenza DC della bobina cresce, con una maggiore produzione di calore per l'aumento del carico di corrente. I condensatori in uscita perdono nel tempo la capacità e così via. Il componente ZL6105 offre la possibilità di trovare automaticamente la compensazione ottimale - ad ogni accensione, regolarmente a intervalli di tempo determinati o un'unica volta durante lo sviluppo o durante il collaudo finale della scheda. Per aumentare l'efficienza, gli IC Power Controller offrono la possibilità di adeguare in modo adattativo della frequenza di commutazione e una cosiddetta "emulazione diodo". Quest'ultima viene attivata solo se fluiscono correnti di carico di modesta entità. Il Mosfet di potenza inferiore si comporta quindi come un diodo. La direzione della corrente ruota intorno alla bobina, il Mosfet è spento e perciò non può più fluire alcuna corrente di carico dal condensatore sul Mosfet di carico verso massa. Lo sviluppo di un alimentatore con convertitori a commutazione controllati digitalmente si discosta solo in parte dallo sviluppo dei convertitori controllati in modo analogico. Non cambia nulla nella scelta della bobina, dei condensatori e dei Mosfet in uscita. Per contro, per impostare la tensione di uscita, la soglia per la sovratensione e per la sottotensione, ecc. attraverso la circuiteria esterna dell'IC controllore, la configurazione è effettuata ora attraverso il PMBus. In questo caso, il lavoro degli sviluppatori è semplificato da opportuni programmi per Pc. Il software di Intersil Zilker Labs permette di configurare i componenti direttamente in un'applicazione finale. A questo scopo sono necessari tre contatti: il segnale di clock e il segnale dati del PMBus e la massa. I regolatori digitali a commutazione, come gli IC controllori di Intersil Zilker Labs, si prestano per tutte le applicazioni, in cui devono essere realizzati dei sistemi di alimentazione complessi. Più sono complessi, più entrano in gioco le prestazioni di questi Power Controller digitali, perché eliminano in gran parte la necessità di un ciruito esterno, grazie al grande numero di funzioni integrate. Applicazioni tipiche sono ad esempio i sistemi di comunicazione dati e i sistemi di elaborazione dei segnali. Un'altra caratteristica interessante è data dal modulo di conversione Dc della tensione: tutti i Power Controller digitali sono dotati del PMBus standardizzato. Attraverso questo bus, è quindi possibile configurare opportunamente le rispettive funzioni all'interno dei moduli. Questo riduce i costi, dato che lo stesso modulo si presta per un grande numero di applicazioni potenziali, per le quali in precedenza dovevano essere sviluppati, prodotti e testati dei moduli dedicati.

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