Va premesso, inanzitutto, che i circuiti in grado di soddisfare egregiamente certe particolari applicazioni sono diversi e ben noti, ma se vogliamo trovare la miglior soluzione in assoluto per un caso specifico, dobbiamo capire come dalla scelta della topologia possano dipendere alcuni parametri essenziali dell'alimentatore, come costo, dimensioni, prestazioni Emc ed efficienza. L'importanza di ciascuno di questi parametri varia a seconda della applicazione, e il compromesso operato tra di essi ha un effetto determinante sulla scelta della topologia. Ad esempio, una soluzione orientata al basso costo può essere sostanzialmente diversa da una che, invece, ponga come target la massima efficienza; al contrario, una che tende al raggiungimento della massima densità di potenza (e delle minime dimensioni) non necessariamente presenterà le perdite più basse. A questo proposito, nello sviluppo della nuova serie TDK-Lambda EFE di alimentatori AC-DC destinati ad applicazioni front-end embedded, è stata elaborata una metodica di progetto iterativa volta a individuare la migliore topologia possibile. Ad esempio, le chiavi di volta dello sviluppo dell'EFE300 sono state le dimensioni di 3x5 pollici compatibili con il formato 1U, la potenza continuativa di 300 W con corrente d'aria di raffreddamento di 2 m/s, quella di picco di 400 W per 10 secondi con un range di tensione da 90 a 264 Vac, e le emissioni Emc condotte di curva B (EN55011, EN55022). Un altro punto fermo è stata la progettazione effettuata sulla base di modalità già testate precedentemente da TDK-Lambda in termini di derating e spacing dei componenti, delle strategie di routing del Pcb, ecc. Queste "regole" di progettazione sono state impiegate con successo dagli ingegneri di TDK-Lambda durante lo sviluppo di prodotti precedenti e la loro rigida applicazione è un imperativo a non scendere a compromessi semplicemente per ottenere un ingombro inferiore. Inoltre, hanno un ruolo determinante nella creazione di un prodotto facilmente realizzabile e affidabile: è infatti sempre possibile strizzare un bel po' di componenti in poco spazio per ottenere un alimentatore ad alta densità, ma dobbiamo tener presente che componenti meccanicamente stressati e soggetti a sovrariscaldamento per mancanza di spazio portano inevitabilmente a un degrado di affidabilità.
Le caratteristiche delle varie topologie
Al fine di scegliere la più adatta è indispensabile prendere in esame le caratteristiche di ciascuna topologia, come elencato nella Tab. 1. Ognuna di esse viene analizzata in due stadi: dapprima in relazione all'affidabilità e alle modalità di switching; successivamente, in relazione alla complessità del circuito, alla performance Emc e ad altri fattori rilevanti dell'applicazione finale. A ogni parametro è stato attribuito un valore da 1 a 5 propedeutico alla valutazione complessiva di entrambi i livelli. In generale, si tende a preferire una topologia a commutazione soft e bassa circolazione di corrente. I punti chiave per i parametri in graduatoria sono:
• VA circolante - Indica l' ammontare dell' energia circolante che non contribuisce direttamente a fornire potenza al carico. Nel caso di tensioni alte di uscita questo parametro diventa meno importante per le più basse correnti in gioco sul lato secondario.
• Efficienza - Si sono privilegiate le topologie con correnti continue in uscita e rettificatori sincroni controllati attivamente, anche se, in generale, ciò porta a un punteggio inferiore in termini di complessità del circuito. Con i giusti componenti e con la corretta frequenza di switching, si possono ottenere circuiti molto efficienti e, quindi, si può considerare questo parametro più come la misura dello sforzo necessario per ottenere una alta efficienza.
I principali parametri relativi alla complessità del circuito, alle prestazioni Emc e ad altri fattori dell'applicazione sono:
• Uscite multiple - Un circuito pilotato in corrente senza induttanza in uscita è preferibile perchè semplifica il progetto meccanico.
• Uscite semiregolate - Laddove siano richieste diverse uscite (che si inseguono con una certa precisione), è preferibile un circuito pilotato in corrente con una bassa di/dt lato secondario.
• Dimensioni - In linea di massima, questo parametro dipende: dal numero di componenti nelle applicazioni low power; dall'efficienza e dalla distribuzione delle perdite tra i componenti nelle applicazioni high power.
• Complessità - Una topologia che limita naturalmente la corrente, non pone stringenti requisiti di timing sul controller e ha rettificatori sincroni auto pilotati, riscuote un migliore punteggio per il circuito di potenza. Se invece si considera la complessità del circuito, il miglior punteggio andrà a quelle topologie che devono rispondere solamente ai requisiti del low-side drive e necessitano di un singolo semplice controller.
Il parametro complessità è inevitabilmente collegato al costo: in genere, più sono i componenti e più la struttura è complessa, più alti saranno i costi di produzione. Anche il costo dei singoli componenti sarà più alto, per due ragioni: prima di tutto, essendo le topologie più complesse meno diffuse, i controller ad esse dedicati sono venduti in volumi inferiori, usano die di maggiori dimensioni, o un case con un maggior numero di pin. In secondo luogo perché, specialmente a livelli di potenza più bassi, questa topologia richiede un numero superiore di dispositivi e tenderà ad usare die di piccole dimensioni, facendo così lievitare l'incidenza del costo dei package.
• Emc - Il punteggio più alto va a topologie con commutazione sul punto di zero (Zero Voltage Switching) lato primario, perché ciò comporta generalmente una emissione condotta Emc più bassa.
• Ampio range di regolazione - Le topologie con commutazione sul punto di zero spesso si giovano delle correnti magnetizzanti del trasformatore. Se la tensione di uscita deve essere regolabile entro un ampio range, varierà anche la corrente magnetizzante e così anche la emissione Emc, assieme all'efficienza e allo stress dei componenti. Molte topologie soft-switching quindi dovranno operare con un range ridotto di tensione d'uscita se messe a confronto con topologie hard-switching pulse-width modulated.
Le scelte ottimali
I punteggi sono pesati dove i fattori preminenti in un prodotto ad alta densità (dimensioni ed efficienza) hanno maggior rilevanza della complessità (il controllo digitale, ad esempio, rende l'uso di circuiti con algoritmi di controllo complessi una scelta di progetto accettabile). Il parametro RFI acquista un maggior peso se le prestazioni entro la curva B sono un obiettivo di progetto. Dopo l'applicazione delle suddette pesature, si ottengono i punteggi in cui quattro tipologie hanno raggiunto valori paragonabili. La bassa corrente di ripple nel filtro di uscita della topologia NV la rende la scelta giusta per il livello di potenza e di dimensioni in oggetto. In un formato di 5x3 pollici il numero dei condensatori di filtro in uscita è limitato dai vincoli dimensionali del Pcb e può portare a condensatori elettrolitici che lavorano ad alte correnti di ripple, con la conseguenza di aumentare la produzione di calore e accorciare la vita del prodotto. Dal momento che la frequenza opertiva della topologia NV è relativamente alta, possono essere invece utilizzati pochi condensatori ceramici, ottenendo così una maggior compattezza del filtro di uscita con un incremento di durata. Il mercato industriale al quale si rivolge TDK-Lambda richiede costantemente alimentatori le cui caratteristiche possano essere modificate in funzione della applicazione finale, come valori di tensone non standard erisposta di loop modificata, che, grazie alle tecnologie di controllo digitale, possono essere facilmente ottenibili. Al contempo, i problemi relativi agli algoritmi complessi di un convertitore risonante possono essere alleviati grazie alla possibilità di implementare digitalmente qualsiasi algoritmo di controllo. La serie EFE è stata perciò progettata affidando a un microcontrollore a 8 bit la gestione del convertitore risonante e delle altre funzioni di macchina. Sebbene siano disponibili prodotti di livello paragonabile che usano LLC e conversione DC-DC con preregolatore, le regole di progetto ad alta affidabilità utilizzate in TDK-Lambda non ammettono l'implementazione di queste topologie nel formato 5x3 pollici, per la scarsa spaziatura tra i componenti. La scelta della topologia più appropriata è di fondamentale importanza per il successo del prodotto e richiede una profonda conoscenza di tutte le possibili alternative. La scelta corretta è quella che ha i presupposti per dar vita a un prodotto ottimizzato in termini di costo, prestazioni e affidabilità. Si può quindi concludere che, specialmente nel caso di alimentatori ad alta densità come la serie EFE di TDK-Lambda, strizzare una tipologia non appropriata nello spazio disponibile è una forzatura che può danneggiare gravemente il portafoglio!
