Maggiori prestazioni con i moduli Dc-Dc converter

Se nel progetto di un nuovo prodotto è prevista la presenza di un processore, ne progettereste uno impegnandovi successivamente a reperire sulla scheda lo spazio necessario per due miliardi di transistor? Acquistereste un resistore da 100 mW ospitato in un package SOIC-8? Si tratta di esempi abbastanza futili che illustrano casi estremi in cui la decisione di acquistare un modulo o implementare una funzione con componenti discreti non presenta difficoltà di sorta. Nel caso dei convertitori Dc/Dc, invece, la decisione è spesso abbastanza difficile a causa della combinazione di fattori da tenere in considerazione quali dimensioni, dissipazione, isolamento, compatibilità elettromagnetica e prestazioni elettriche. Nel caso di elevati livelli di potenza, vi sono parecchie argomentazioni a favore dell'acquisto: i convertitori di bus per applicazioni Dpa (Distributed Power Architecture) disponibili in un formato 1/4 brick che utilizza un Pcb a 14 strati di tipo “heavy copper” possono erogare in uscita una potenza di 600 W. Una soluzione di questo tipo in grado di fornire le medesime prestazioni sarebbe senza dubbio difficile da implementare in maniera discreta in una motherboard. Nel caso di potenze decisamente inferiori (dell’ordine di 1 W) è invece disponibile una molteplicità di convertitori isolati molto semplici che sono utilizzati in generale per alimentare interfacce dati isolate oppure generare tensioni “spot” per circuiti analogici, come ad esempio una tensione di -5V per un rail di un amplificatore operazionale.

Soluzioni a confronto

Oggi questi convertitori possono essere acquistati sotto forma di moduli – di tipo a montaggio superficiale o through-hole – da un produttore affidabile a un prezzo di circa 2 dollari. In ogni caso, molti utilizzatori ritengono di essere in grado di progettare e implementare il convertitore “in casa” a partire dai concetti teorici di base e dalle note applicative dei dispositivi a un costo inferiore. Il confronto tra il costo del modulo acquistato e il costo dei componenti necessari per sviluppare un progetto di tipo discreto non è affatto semplice. Prendendo come esempio un convertitore isolato da 1W che può essere realizzato con 10 componenti discreti, è necessario tenere in considerazione altri fattori di costo diretti tra cui: il costo del placement e ispezione di 10 componenti (contro un solo modulo); le spese generali di acquisto di 10 componenti, inclusi componenti magnetici specifici, da un certo numero di fornitori (contro la possibilità di interagire solamente con il produttore del modulo) e i costi legati alle operazioni di manipolazione/ispezione/stoccaggio/prelievo per magari otto tipologie di componenti, inclusi quelli magnetici (contro la possibilità di effettuare tutte queste operazioni per un unico modulo). Inoltre è necessario includere i costi legati al collaudo delle funzionalità e dell’isolamento. Senza dimenticare, ovviamente, di prendere in considerazione i costi aggiuntivi indiretti. Tra questi si possono annoverare quello dell'area occupata sulla scheda – è molto improbabile che un progetto realizzato mediante componenti discreti risulti più piccolo rispetto a un modulo a montaggio superficiale che integra i componenti magnetici e può quindi essere caratterizzato da un profilo molto basso - e quelli legati al progetto del circuito di potenza specialistico, alla qualificazione del prodotto e gli oneri accessori. Vi sono anche altri costi indiretti come ad esempio quelli legati al progetto della scheda Pcb, al supporto del progetto stesso, alle ispezioni e alle certificazioni (nel caso sia prevista l'approvazione da parte di un Ente normatore), oltre ai costi associati al monitoraggio, alla QA (Quality Assurance) e al controllo di più fornitori. Nel caso il trasformatore e gli altri componenti magnetici siano anch’essi progettati e realizzati "in house" le considerazione fatte finora sono valide per tutti quei dispositivi che prevedono più tipologie di fili e di diametri e diversi tipi di isolamento, componenti e nuclei. Il trasformatore nell'esempio preso in considerazione avrà tipicamente un minimo di sei avvolgimenti con fili di diametro fino a 0,07 mm avvolti su un core di 4 mm di diametro e richiederà competenze specialistiche e apparecchiature "ad hoc" per effettuare l'avvolgimento. Se disponibili, i componenti magnetici devono essere acquistati e potrebbero costare quando l’intero modulo Dc-Dc. Il progetto del circuito e delle componenti magnetiche non è banale forse proprio a causa del minimo numero di componenti richiesto. L'esempio preso in considerazione in questo articolo, ovvero il convertitore da 1 W, è un circuito di tipo push pull auto-oscillante il cui funzionamento dipende da una scelta accurata dei guadagni dei transistor e della polarizzazione, oltre che dalla saturazione ciclica calcolata del nucleo di ferrite del trasformatore che opera al di fuori dei parametri riportati nei data sheet. Per poter essere utilizzato, il progetto completo deve essere caratterizzato da un'elevata efficienza con bassi livelli di rumore sugli ingressi e sulle uscite e garantire un isolamento affidabile e un'uscita accurata sull'intero range di carico, oltre a un certo livello di protezione contro fenomeni di overload. Si tratta di un traguardo impegnativo da raggiungere con soli 10 componenti discreti. Anche se si tratta di un semplice convertitore, sono necessarie parecchie settimane per la progettazione, la documentazione e la qualificazione per tutte le condizioni ambientali e di funzionamento potenziali. Nel caso il convertitore formi una sorta di barriera di sicurezza, il costo e il tempo necessari per ottenere le valutazioni da parte di un Ente di certificazione si possono stimare nell'ordine di migliaia di dollari e di diversi mesi, a causa della necessità di continue ispezioni e ri-certificazioni. Tutti questi costi, gli oneri e i ritardi associati devono essere confrontati non solo con la semplicità di acquisto di un modulo affidabile e collaudato, ma anche con i notevoli risparmi in termini di costo, rappresentato dal valore del tempo che potrebbe essere impiegato più utilmente concentrandosi sul "core business" dell'azienda e con la possibilità di ridurre il "time-to-market", con i vantaggi che ciò comporta a livello di opportunità di vendita. Ci potrebbe essere un volume (ovvero un numero di pezzi) oltre il quale una società potrebbe permettersi di trasformarsi in un produttore di convertitori Dc-Dc, mantenere la progettazione "in house" e ammortizzare i costi di progetto. In ogni caso, i nuovi moduli convertitori da 1 W introdotti sul mercato hanno contribuito a far spostare il punto di crossover (ovvero il punto oltre il quale diventa conveniente produrre “in house” i convertitori). A un costo decisamente più basso rispetto a quello dei prodotti equivalenti delle precedenti generazioni e a fronte di prestazioni decisamente migliori, la differenza tra acquistare o realizzare un convertitore può ridursi a soli pochi centesimi, con uno spostamento del punto di crossover di un fattore pari almeno a cinque.

Un esempio concreto

Un esempio concreto contribuirà a chiarire meglio questo concetto. Si faccia l'ipotesi che il tempo necessario per realizzare un progetto mediante componenti discreti sia pari a 8 settimane/uomo. In questo conteggio sono inclusi i tempi richiesti dal progettista, dai tecnici di supporto, dall'ufficio progetti, dagli specialisti che si occupano della produzione, della componentistica, delle fasi di qualificazione, delle problematiche Emc, della gestione e così via. Se il costo medio del personale di questo staff è di 50 dollari all'ora, il costo "una tantum" si aggira intorno ai 15.500 dollari. Se a questa cifra si aggiungono i costi per i materiali per la prototipazione, le attrezzature, gli enti esterni e i materiali "usa e getta" si può arrivare a un costo complessivo che si aggira intorno ai 20.000 dollari. Se il costo diretto di un progetto a discreti è pari a 1 dollaro, comprensivo della Bom e di tutti i costi connessi – piazzamento, approvvigionamento dei componenti, manipolazione, collaudo e supporto alla progettazione – si ottiene un guadagno rispetto all'acquisto di un convertitore Dc-Dc del costo di 2 dollari una volta superata la soglia di 20.000 unità prodotte. Se il prezzo di acquisto di un convertitore Dc-Dc scende a 1,30 dollari, per ottenere un guadagno con un'implementazione a discreti è necessario produrre circa 70.000 unità. Un incremento imprevisto di soli 15 centesimi di un progetto con componenti discreti comporterebbe un raddoppio della quantità di convertitori che sarebbe necessario produrre. Tutto ciò senza tener contro del costo opportunità, della diminuzione del time to market e della comodità di poter utilizzare un modulo di tipo "fit and forget" già collaudato e garantito.

La giusta alternativa

I prodotti a basso costo introdotti di recente sul mercato garantiscono inoltre significativi miglioramenti a livello di prestazioni rispetto ai modelli delle precedenti generazioni. Un esempio è rappresentato dai convertitori della serie NXE di Murata che integrano il trasformatore nel substrato, garantendo ripetibilità di prestazioni e un profilo più ridotto rispetto alle alternative di tipo discreto. Ospitati in un package iLGA proprietario, questi dispositivi sono compatibili a livello di piedinatura con il footprint "industry standard" dei convertitori da 1 W, consentendo agli utilizzatori di moduli convertitori Dc-Dc di aggiornare senza problemi i loro prodotti e sfruttare i benefici legati all'uso dei nuovi convertitori. Grazie a questi moduli di ultima generazione la decisione se acquistare o realizzare “in house” convertitori di bassa potenza è divenuta più semplice e si sta rapidamente avvicinando il giorno in cui gli utilizzatori non avranno più convenienza a progettare convertitori Dc-Dc mediante componenti discreti, così come è accaduto per gli amplificatori operazionali o le porte logiche.

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