L’integrazione traina l’innovazione

Le nuove sfide nella protezione circuitale

Il mercato della protezione circuitale è cresciuto di 2 miliardi di dollari negli ultimi 5 anni e si sta rapidamento avvicinando ai 6. È caratterizzato da tassi di crescita molto più alti di quelli degli altri dispositivi passivi. Lo sviluppo dei settori automotive, telecom e consumer aumenta infatti la necessità di componenti per la protezione circuitale. In campo telecom e consumer, la miniaturizzazione crescente e l’aumento della complessità e della densità di integrazione richiede soluzioni più efficaci per la protezione dalle sovracorrenti e dagli impulsi ad alta intensità (spike) di tensione, generati da fulmini o da scariche Esd, che possono compromettere il funzionamento delle apparecchiature connesse in rete o indurre sovratensioni attraverso le connessioni. Questi transitori possono essere indotti esternamente, come le Esd (Electro Static Discharge), gli Eft (Electrical Fast Transient) o i fulmini che raggiungono la scheda, oppure possono essere generati all’interno dell’applicazione stessa, ad esempio dalla commutazione di carichi induttivi. Una terza sorgente di transitori è data dal test dei prodotti per ottenere la conformità a determinate specifiche sulle Emi. Ciascun punto di interfaccia negli apparecchi elettronici, come i connettori, le interfacce utente, gli auricolari, i microfoni, le schede di memoria e le antenne, moltiplicano il rischio di danni immediati e latenti. Nell’elettronica automotive la protezione dai transitori e dalle sovracorrenti è di fondamentale importanza. Le automobili sono caratterizzate da un contenuto di elettronica sempre maggiore, il che impone requisiti sempre più stringenti sui sistemi di protezione dei circuiti. Gli ambienti automotive sono soggetti a forti transitori provocati da scariche elettrostatiche e dalla commutazione dei carichi induttivi. Le parti più critiche sono in particolare il modulo di controllo del motore, l’unità Abs, l’avantreno, l’abitacolo e la plancia portastrumenti. I veicoli ibridi genereranno una domanda di componenti per la protezione circuitale da 4 a 10 volte superiore rispetto a quanto richiesto dai veicoli tradizionali, per assicurare la coesistenza sicura e affidabile del motore a carburante con quello elettrico. I dispositivi per la protezione includono diodi per la soppressione di transitori o Tvs (Transient Voltage Suppression), varistori multistrato ceramici e soppressori di transitori polimerici, dispositivi Pptc (Polymer Positive Temperature Coefficient). Ciascuna di queste soluzioni ha vantaggi e svantaggi in termini di costo, tempi di risposta e ingombro.
I principali produttori di dispositivi di processori sono impegnati a offrire soluzioni complete per aiutare i propri clienti a migliorare la sicurezza, l’affidabilità e le prestazioni dei loro prodotti, riducendo l’occupazione di area su scheda grazie all’elevato grado di integrazione. È inoltre in corso un’intensa ricerca su nuovi package in fattori di forma ultra-ridotti e su nuovi materiali, che consentano di rispondere ai requisiti delle applicazioni a larga banda nelle telecomunicazioni e nell’elaborazione dei dati multimediali. Fra le tecnologie emergenti figurano i dispositivi polimerici per la protezione dalle Esd e i materiali in leghe a forma di memoria usati per la protezione dalle sovracorrenti.

Epcos - I filtri Emc SineFormer di Epcos, siglati B84143V*R290, operano a correnti pari a 95 A, 180 A e 320 A, tensioni di 760 V e frequenze di clock da 2,5 kHz. Sono ideali per applicazioni che fanno uso di motori elettrici come ad esempio i sistemi di condizionamento.

Littelfuse - I termistori Pptc Polyfuse della serie 0603L di Littelfuse, sono caratterizzati da dimensioni miniaturizzate e sono in grado di supportare fino a 40 A di corrente massima di guasto e di soddisfare gli standard Tuv e Ul per la protezione affidabile dalle sovracorrenti nei dispostivi elettronici consumer miniaturizzati. I dispositivi sono disponibili per valori operativi di corrente e di tensione di 0,10A/15Vdc, 0,20A/9Vdc, 0,25A/9Vdc e 0,35A/6Vdc

Panasonic - I nuovi soppressori di Esd di Panasonic sono ideali per le linee di segnale ad alta velocità, come le linee dati Hdmi, SATA, Ieee1394, Usb, i circuiti per antenne e i moduli RF. Offrono capacità da 0,05 pF in un case di tipo 0402 e da 0,10 pF in un package 0603 e supportano una tensione di picco massima di 500 V e una tensione operativa massima di 15 V.

STMicroelectronics – Sono offerti da ST i dispositivi di protezione USBULC6-2M6, in grado di soddisfare i requisiti Esd in applicazioni Usb ad alta velocità. I dispositivi sono disponibili in un package QFN-6 ultra-miniaturizzato. Con una capacità massima da 0,85 pF a 240 MHz minimizzano la distorsione e sono ideali per applicazioni quali telefoni cellulari, Pc portatili, personal media player e altri apparecchi portatili consumer ad alta velocità che richiedono la protezione dalle Esd secondo lo standard IEC61000-4-2. Per le stesse applicazioni ST ha annunciato i nuovi dispositivi EMIF01-1003M3 e EMIF02-1003M6, che combinano le funzioni di filtraggio Emi e di protezione alle Esd fino a 15 kV in un package ultra-compatto, in grado di ridurre l’occupazione su scheda anche del 55%, eliminando la necessità di un filtro separato per preservare l’integrità dei segnali ad alte velocità operative.

L’innovazione nei condensatori

I condensatori devono assicurare la corretta erogazione dell’alimentazione dalla continua fino all’ordine delle centinaia di MHz o dei GHz. Ad esempio, i microprocessori richiedono un grande numero di condensatori per regolare l’alimentazione e per fornire prestazioni spinte in termini di affidabilità e di risposta ai transitori. Le frequenze di clock dei sistemi stanno aumentando, mentre le tensioni operative diminuiscono sempre più. Di conseguenza le correnti che i dispositivi devono supportare durante le commutazioni sono più elevate. Per far fronte a ciò, i progetti elettronici devono fare uso di condensatori per la riduzione del rumore in grado di immagazzinare le cariche fra un ciclo di clock e l’altro e di fornire l’energia durante le commutazioni. L’efficienza dei condensatori dipende dalla loro Esr (Equivalent Series Resistance). Il mercato dei condensatori a bassa Esr è infatti caratterizzato dai tassi di crescita più alti. Attualmente sono disponibili condensatori con una Esr inferiore ai 10 mOhm e l’obiettivo è di arrivare al di sotto del mOhm. All’aumentare delle frequenze dei dispositivi attivi nei sistemi elettronici, anche l’induttanza dei condensatori sta diventando un parametro da ottimizzare. Sono inoltre richieste capacità sempre maggiori in package miniaturizzati. Fino a non molto tempo fa, i condensatori al tantalio solidi erano usati in applicazioni che richiedevano valori di capacità elevati, tipicamente dell’ordine del microfarad. L’elevata stabilità e l’affidabilità rendono i condensatori al tantalio adatti per applicazioni ad alte prestazioni, ad esempio in campo militare, aerospaziale e medicale. I condensatori ceramici multistrato erano la soluzione preferita nei campi di impiego in cui erano richieste capacità comprese fra il picofarad e il microfarad. Tuttavia, i progressi compiuti sulle tecnologie di processo e sui materiali ceramici, polimerici e metallici anche facendo ricorso alle nanotecnologie, hanno messo queste tecnologie in competizione, moltiplicando le possibilità di scelta a disposizione del progettista.
I microprocessori di ultima generazione ad alta frequenza richiedono condensatori al tantalio ad alte prestazioni e ad induttanza equivalente serie molto bassa. Questi ultimi devono fornire al contempo valori elevati di capacità, evitando l’uso di più condensatori. L’induttanza equivalente serie è generalmente inferiore rispetto a quella dei condensatori Mlcc (Multi-Layer Ceramic Capacitor). I condensatori polimerici al tantalio e i condensatori polimerici e alluminio a strati sono comunemente usati in queste applicazioni perché offrono una Esr ridotta e un basso profilo associati a valori relativamente alti di capacità e di efficienza volumetrica.

AVX - La famiglia di condensatori al tantalio della serie TLJ di Avx comprende dispositivi che offrono un rapporto superiore fra capacità e tensione supportata, caratterizzati da un’affidabilità elevata e che fanno uso di un anodo al biossido di magnesio ad alta stabilità. Offrono una capacità di 33 µF a 10 V con un ingombro pari a 1206 e un’altezza al di sotto del mm. La versione da 33 µF è alloggiata in un package di dimensioni K ed è ideale per i circuiti di alimentazione da 4,5 - 5,5 V degli apparecchi portatili alimentati a batterie con forti vincoli di spazio. AVX ha ampliato anche la famiglia TPM di condensatori al tantalio multianodo per includere i formati di package D e Y a basso profilo (appena 2 mm). Sono ideali per applicazioni nelle telecomunicazioni, in ambito militare e aerosopaziale, nelle apparecchiature di rete e nei server. Offrono valori molto ridotti di Esl e Esr in un package miniaturizzato. La forma simmetrica riduce l’Esl a 1 nH, la metà del valore tipico di un package D standard; questo consente di usare i componenti in applicazioni con una frequenza di risonanza superiore a 500 KHz, assicurando un filtraggio più efficiente nei convertitori di potenza DC/DC. La società ha anche aggiunto alla famiglia di condensatori al tantalio multianodo un componente con una capacità di 2200 µF a 2,5V, una Esr di appena 18 mOhm, ideale per i processori di ultima generazione, che consente di dimezzare il numero di componenti necessari.

Kemet - Il portafoglio di condensatori ceramici a inserzione di kemet si è ampliato con l’aggiunta di nuovi valori di capacità e di tensione per ogni formato di contenitore delle linee di prodotto di tipo assiale (Aximax) e radiale (Goldmax) in dielettrico X7R. I componenti radiali a inserzione (serie C3xx) sono ora disponibili con valori di capacità fino a 10 µF, mentre i componenti assiali a inserzione (serie C4xx) sono offerti con valori fino a 4,7 µF. Entrambe le tecnologie sono disponibili con tensioni nominali di 25 V o 250 V. Kemet mette a inoltre a disposizione nuovi condensatori con dielettrico X7R qualificati per applicazioni spaziali e militari ad elevata affidabilità, conformi ai requisiti degli standard MIL-PRF-55365 e MIL-STD-1580. Supportano tensioni da 50 Vdc fino a 500 Vdc e offrono valori di capacità fino a 47 µF. Kemet ha anche ampliato l’offerta di condensatori ceramici multistrato con contenitori EIA 1812 e EIA 1210. La gamma di condensatori comprende ora dispositivi da 4.7 µF a 50 V e da 6 µF e 10 µF a 25 V. Entrambe le famiglie sono offerte con un dielettrico X7R e presentano un intervallo di temperature di funzionamento compreso tra –55 ºC e +125 ºC. La variazione di capacità in assenza di polarizzazione è limitata a ±15% su tutto l'intervallo. Sono ideali in applicazioni come filtri di ingresso o uscita, convertitori DC-DC, circuiti di alimentazione e moduli Lcd.

Epcos - I condensatori della serie B3292*E/F di Epcos consentono di progettare filtri per Emi con un singolo condensatore da 45 μF, riducendo notevolmente l’occupazione di spazio su Pcb e le induttanze parassite e migliorando la soppressione del rumore. I componenti sono ideali per i convertitori di potenza che richiedono la soppressione efficiente delle frequenze armoniche.

Nec Tokin - La giapponese Nec Tokin ha sviluppato una versione miniaturizzata dei propri supercondensatori (a doppio strato) a basso profilo e bassa Esr, per estendere la durata delle batterie nelle applicazioni portatili, come i cellulari e i Pc portatili. I componenti hanno una capacità nominale massima di 0,047 farad e presentano dimensioni inferiori anche del 71% rispetto ai supercondensatori di generazione precedente.

Rohm – È proposta da Rohm la serie TCTU di condensatori al tantalio ultra-compatti e ultra sottili, di dimensioni 1005, con un ingombro più piccolo del 60% rispetto ai condensatori TCM in formato 1608. I componenti offrono valori elevati di capacità, compresi fra 2,2 e 10 μF e sono ideali per l’accoppiamento e la riduzione del rumore nei circuiti audio.

Samsung - Samsung Electro-Mechanics ha siglato un accordo con la californiana X2Y Attenuators per produrre condensatori di by-pass che incorporano la tecnologia brevettata X2Y con un’induttanza pari a un decimo rispetto a quella dei condensatori convenzionali, in grado di sostituire fino 8 componenti passivi. Questo rende la tecnologia ideale per la soppressione efficiente delle Emi e per mantenere l’integrità dei segnali di dispositivi come Cpu, Asic e Fpga di ultima generazione.

TDK – Sono stati annunciati da TDK i primi condensatori ceramici multistrato che danno la possibilità di impostare la resistenza equivalente serie e di stabilire il valore di Esr all'interno di un intervallo specifico per controllare l’impedenza del circuito in circuiti di disaccoppiamento e smoothing (eliminazione di brusche variazioni e di rumore). I componenti consentono di minimizzare le variazioni di impedenza tra gli elementi di un circuito per un’ampia gamma di frequenze operative senza dover ricorrere a componenti aggiuntivi. I nuovi condensatori sono adatti per applicazioni che richiedono un’alimentazione di elevata qualità, come le stazioni base per le comunicazioni e per i Pc di fascia alta, e nei casi in cui è necessario ridurre il numero di componenti e minimizzare l’area. Sono disponibili in formato 1608 e 2012; le versioni 1608 sono caratterizzate da valori massimi di capacità fino a 1 μF con valori di Esr impostabili da 10 a 1.200 mOhm mentre quelle in formato 2012 presentano valori di capacità fino a 10 μF, con valori di Esr impostabili da 10 a 500 mOhm.

Vishay - I condensatori al tantalio di tipo wet della serie HE3 di Vishay Intertechnology, basati sulla collaudata tecnologia SuperTan a catodo ibrido, sono ottimizzati per le prestazioni e per l’affidabilità, forniscono una capacità compresa fra 3300 e 72000 µF, un’elevata capacità per unità di volume e una Esr di appena 0,035 Ohm a 25°C e a 1 kHz

Condensatori ed energie rinnovabili

Le applicazioni emergenti nella generazione di energia rinnovabile impongono requisiti estremi in termini di prestazioni e di robustezza. I generatori eolici ad esempio fanno ampio uso di condensatori e ultracondensatori ad alte prestazioni. Gli ultracondensatori sono usati per il controllo della velocità delle pale dei generatori eolici. Questi componenti assicurano l’immagazzinamento dell’energia nei casi in cui non è possibile azionare le pale, ad esempio in condizioni di vento troppo forte. In misura inferiore, possono servire per assorbire le gli urti filtrando l’energia prodotta dalle turbine. Condensatori di valore inferiore in grado di supportare alti livelli di tensione sono usati nelle nuove turbine con generatori a induzione e sincroni. Queste ultime fanno uso di convertitori AC-DC basati su switch Igbt che richiedono condensatori ad alta tensione per il filtraggio in continua e il disaccoppiamento.

Maxwell Technologies fornisce supercondensatori da 350 F a celle D per controllare la velocità delle pale. La società offre anche dei dispositivi da 2600 F combinati in banchi di grandi dimensioni. Per il filtraggio DC, AVX, fornisce condensatori ad olio con valori fino a 40 mF e tensioni fino a 6 kV. La società realizza anche condensatori di potenza a film con resina con capacità fino a 27 mF e tensioni che si avvicinano ai 2000 V. Per il disaccoppiamento degli Igbt, i condensatori metallici al polipropilene di AVX offrono capacità fino a 3 μF a tensioni di 3 kV.

Resistori: cresce il livello di integrazione

I resistori controllano la tensione nei circuiti e sono usati per regolare la tensione sui dispositivi elettronici, se questa diventa troppo alta, tale da danneggiarli. I produttori di resistori hanno introdotto di recente soluzioni caratterizzate da livelli sempre più spinti di integrazione.

TT electronics – Società del gruppo TT electronics, BI Technologies offre una rete di resistori realizzati su substrati sia di silicio (Serie S), a basso costo, sia ceramici (Model 660), caratterizzati da perdite inferiori per parassiti. Le reti di resistori Serie S variano da 1 a 100 Kohm, mentre i resistori Model660 hanno resistenze fra 1 e 30 Kohm, con tolleranze di ± 0,05%. Presentano coefficienti di temperatura di ± 5ppm/°C e operano in un intervallo temperature compreso fra -55 e +125°C.
Anche Welwyn, altra divisione di TT electronics, ha ampliato la propria offerta di resistori a film sottile PCF di precisione, ora disponibili in otto formati di package: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 2010 e 2512, con tensioni massime operative comprese fra 25 V e 150 V, livelli di potenza massimi di 500 mW, tolleranze dello 0,01%, un coefficiente di temperatura di 5ppm/°C e valori di resistenza compresi fino a 2 MegaOhm. Queste caratteristiche rendono i componenti ideali per i progetti di convertitori DC-DC ad alta densità in applicazioni nella strumentazione, nel controllo dei processi, nelle apparecchiature medicali, nei computer, nelle telecomunicazioni e negli alimentatori.

Induttori ad alte prestazioni

L’innovazione degli induttori è finalizzata a offrire soluzioni con valori di induttanza superiori in package sempre più miniaturizzati e in grado di supportare livelli di potenza maggiori.

TT electronics - BI Technologies ha sviluppato una serie di induttori di potenza DCR a montaggio superficiale, della serie HM69T, che misura appena 7,4 × 7,2 mm, con un’altezza di appena 5 mm. I componenti sono caratterizzati da una tolleranza di ±3% e da un package economico, e sono ideali per le applicazioni in grossi volumi con vincoli di spazio, come i regolatori di tensione e circuiti per la gestione dell’alimentazione per le Cpu. Offrono valori di induttanza di 90, 100 e 150nH, con valori di corrente in continua di 57, 52 e 27 A.

Murata – È messa a disposizione da Murata una nuova tecnica di microfabbricazione per componenti avvolti ultra-miniaturizzati in formato 0201 da 0,6×0,3×0,3 mm ideale per i circuiti ad alta frequenza usati nei terminali mobili e nei cellulari di ultima generazione. Grazie al Q molto elevato, la tecnologia consente di ottenere induttanze comprese fra 68 e 120nH.

Taiyo Yuden - La nuova serie BRC1608 di induttori di potenza di Taiyo Yuden è disponibile in un case di tipo 0603, che misura appena 1,6 × 0,8 × 0,8 mm. I componenti presentano una resistenza ridotta (da 0,06 a 0,55 Ohm), un’induttanza elevata da 0,2 a 2,2 µH e supportano alti livelli di corrente (da 0,98 a 0,28 A). L’ingombro ridotto, pari al 70% in meno rispetto ai componenti di generazione precendente, consente di realizzare convertitori DC-DC più compatti in applicazioni quali fotocamere digitali, cellulari, lettori MP3 e apparecchi alimentati a batterie.

I componenti passivi di prossima generazione

La ricerca nel campo dei passivi, oltre alla realizzazione di componenti sempre più miniaturizzati e ad alte prestazioni, riguarda anche l’integrazione dei dispositivi in soluzioni Asip (Application Specific Integrated Passive), riducendo in questo modo i costi e l’occupazione di spazio; la realizzazione di nuovi tipi di componenti e la sostituzione dei componenti passivi con dispositivi analogici realizzati in un processo Cmos o compatibile con quest’ultimo. L’integrazione di elementi passivi è di importanza fondamentale specialmente nelle applicazioni complesse e con forti vincoli di spazio che richiedono un grande numero di componenti passivi come resistenze, condensatori e induttanze per funzioni di protezione e di filtraggio.

Hewlett Packard - Presso i laboratori di ricerca di HP è stato messo a punto il memristor, un nuovo tipo di componente passivo con caratteristiche ben distinte da condensatori, induttori e resistori. Il dispositivo, realizzato in biossido di titanio a film sottile, è dotato di isteresi, ed è in grado di variare la propria resistenza in relazione alla corrente che lo attraversa. In questo modo consente di migliorare le prestazioni nella realizzazione di switch ultra-miniaturizzati e ad alta densità e velocità.

Mobius Microsystems - Giovane start-up sorta nella Silicon Valley, Mobius Microsystems ha sviluppato una tecnologia in grado di generare frequenze senza richiedere quarzi, offrendo di conseguenza una notevole riduzione dello spazio e le possibilità di integrare i componenti. La tecnologia Cho (Cmos Harmonic Oscillator) è basata sul processo Cmos e fa uso di una tecnica a spettro esteso, in grado di ridurre notevolmente i consumi rispetto ai Pll. La soluzione è inoltre più affidabile rispetto alle soluzioni tradizionali, dato che non ha parti meccaniche in movimento, come nel caso di soluzioni di temporizzazione basate su quarzi o su oscillatori Mems. La tecnologia è stata presentata in occasione dell’ultima edizione dell’Isscc di San Francisco, ed è stata integrata nei prodotti della serie MM8xx. È ideale per applicazioni quali display flessibili, hard disk, apparecchi elettronici di prossima generazione con interfaccia Usb, in cui occorrono riferimenti di frequenza stabili e affidabili.

PulseCore – È proposta da PulseCore una soluzione innovativa per la protezione dalle Emi che sostituisce i tradizionali componenti passivi con dispositivi attivi analogici. La società ha annunciato una soluzione drop-in, con interfaccia Usb 2.0, per la riduzione delle Emi nei circuiti integrati, che non impatta sulle prestazioni del sistema (ad esempio alterando la pendenza dei fronti dei segnali o introducendo ritardi), e non comporta l’uso di un grande numero di componenti passivi, choke, schermi, condensatori e induttori. La soluzione fa uso della tecnica a spettro esteso, usata anche nei circuiti integrati per la temporizzazione. Offre risultati prevedibili e controllabili e può essere usata per una varietà di applicazioni, soprattutto in campo consumer.

Silicon Laboratories - Specializzata in componenti analogici e a segnale misto ad alte prestazioni, Silicon Lab ha appena ampliato il proprio portafoglio di clock di precisione riconfigurabili Si5319, in grado di generare qualsiasi frequenza compresa fra 2 kHz e 945 MHz e alcune frequenze fino a 1,4 GHz, a partire da un quarzo o da un qualsiasi clock in ingresso, con un jitter di appena 0,3 picosecondi. I componenti, caratterizzati da una notevole flessibilità, sono ideali per la sintesi e la moltiplicazione del clock e la soppressione del jitter in applicazioni che richiedono soluzioni di temporizzazione ad alte prestazioni, come le schede di linea Sonet/Sdh/Otn, i router Ethernet, le apparecchiature di test di misura e per la trasmissione video. I componenti sono basati sulla tecnologia brevettata Dspll, che prevede l’uso di un Pll altamente integrato per eliminare la necessità di oscillatori al quarzo esterni e di filtri.

STMicroelectronics – Introdotta da ST nel 2005 la famiglia di dispositivi Ipad (Integrated Passive and Active Devices) permette di integrare a costi contenuti condensatori a film sottile con una densità superiore a 30 nF/mm², con un incremento di un fattore 50 rispetto ad altre tecnologie che impiegano materiali come gli ossidi o i nitruri di silicio o tantalio. La nuova tecnologia è basata su materiali composti Perovskiti Pzt, che contengono piombo, zirconio, titanio e ossigeno. Essi hanno una costante dielettrica che, in base al tipo di materiale, raggiunge il valore di 900, circa il doppio del biossido di silicio. Un componente Ipad può sostituire oltre 30 componenti discreti in un solo chip compatibile con la tecnologia di package Flip-Chip e con le tecniche per il montaggio System in Package.