Microelettronica in 12 puntate – 12: Considerazioni sui regolatori di tensione

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Nonostante i crescenti livelli di integrazione dei semiconduttori e sistemi su chip per molte applicazioni prontamente disponibili, oltre alla crescente disponibilità di schede di sviluppo altamente presenti, si richiede ancora un PCB personalizzato. Anche per sviluppi “una tantum”, l’umile PCB svolge ancora un ruolo importante. Il circuito stampato è il punto in cui tutte le decisioni progettuali si incontrano e dove problemi imprevisti legati a prestazioni, potenza, l’integrità del segnale e rumore mismatching devono essere risolti.

Fig. 2 – Semplice schema riassuntivo delle caratteristiche termiche in un IC/PCB

I circuiti integrati di progettazione e circuiti stampati (di seguito come PCB) hanno avuto per anni una stretta relazione. Le criticità affrontate nella progettazione PCB ad alte e altissime frequenze sono applicabili alla progettazione IC. I concetti di SI (Signal Integrity) e EMS (Electro Magnetic Susceptibility) sono molto critici dal punto di vista funzionale del PCB, sono ugualmente critiche anche dal punto di vista IC. Un IC ben progettato può essere immune da problemi di integrità del segnale e rumore EMS, ma solo con un PCB abilmente progettato porterà ad un prodotto di successo.

La complessità nella progettazione di circuiti integrati moderni che utilizza la tecnologia nm (nanometri) è diventata estremamente complicata. Con l’allarmante aumento di utilizzo del numero di transistori e la crescente frequenza (necessità di sistemi ad alta velocità), la progettazione e la producibilità di circuiti integrati è diventato un lavoro molto impegnativo e ben pagato. Man mano che aumenta il numero di transistor, la frequenza e la tecnologia (sub micron), l’integrità del segnale e la conformità EMS rappresentano un compito molto difficile da realizzare.

Signal Integrity

Nel contesto di progettazione elettronica, l’analisi dell’integrità del segnale (SI) è un insieme di tecniche che garantiscono un perfetto PCB. Fornire questo livello di verifica prima della produzione è un requisito fondamentale per molti progettisti. Un circuito stampato mal progettato può avere un effetto devastante sul successo del vostro nuovo prodotto.

A basse velocità, la risposta in frequenza ha poca influenza sul segnale, a meno che il mezzo di trasmissione è particolarmente lungo. Tuttavia, al crescere della velocità, gli effetti ad alta frequenza prendono il sopravvento, e anche le linee più brevi possono soffrire di problemi come diafonia e riflessioni, ostacolando seriamente la risposta del segnale. In realtà, questi problemi possono essere superati con buona tecnica di progettazione e seguendo semplici indicazioni di layout.

Fig. 3 – PCB con thermal vias: (a) Schema, (b) Design, (c) Thermal path

Electro Magnetic Susceptibility

EMC è l’abbreviazione di compatibilità elettromagnetica (Fig. 1). Ciò significa interoperabilità, o la capacità di un dispositivo elettronico per operare in un ambiente elettrico, senza interferire con altri dispositivi elettronici (di emissione) e senza essere ostacolato da altri dispositivi nelle sue vicinanze (immunità). EMC è diviso in due aree principali: interferenza elettromagnetica (EMI ) e la suscettibilità elettromagnetica (EMS). Queste due zone sono ancora divise in due categorie di fenomeni: condotte e irradiate.

Test EMC comprendono misure di emissione generate su cavi entrata ed in uscita, l’emissione generata da campi elettrici che circondano il dispositivo, l’immunità nei confronti di diversi fenomeni di disturbo sui cavi in entrata ed in uscita, l’immunità contro i campi elettrici generati da altri dispositivi elettronici e trasmettitori radio, e l’immunità contro scariche elettrostatiche generate dall’intervento umano. Gli alimentatori, linee elettriche, attrezzature informatiche e componenti elettronici sono tutte potenziali fonti di interferenze elettromagnetiche (EMI) che possono influenzare le prestazioni dei componenti elettronici.

Le interferenze possono essere “condotte” da un componente all’altro tramite percorsi elettrici in un unico sistema o essere “trasmesse” attraverso onde radio. I dispositivi che hanno bisogno di comunicare tramite radiofrequenza emettono segnali elettromagnetici che possono interferire con altre apparecchiature, ma anche i dispositivi che non sono progettati per emettere segnali elettromagnetici possono contribuire involontariamente al rumore EMI.

Le norme definiscono dei limiti di emissioni prodotte da alcune classi di dispositivi, ma questo non garantisce che i componenti elettronici non saranno danneggiati da EMI da prodotti di consumo. Quasi tutti i dispositivi elettronici sono in grado di generare EMI, ed è importante prendere in considerazione l’esposizione EMI come parte della progettazione di circuiti a causa del danno che può fare per i componenti elettronici utilizzati in fase di progetto.

Il rumore di fase e la fase jitter di oscillatori possono aumentare sostanzialmente la presenza di fonti esterne di EMI. Valutando la suscettibilità elettromagnetica (EMS) di vari oscillatori, possiamo determinare i fattori che contribuiscono allo EMS e a capire come ridurre al minimo gli effetti negativi della EMI sulle prestazioni del clock.

Thermal design

Per ragioni di affidabilità, i circuiti integrati di gestione della potenza sensibile sono sempre più chiamati a osservare la gestione termica. Tutti semiconduttori hanno un certo limite di sicurezza superiore specificato per temperatura di giunzione (T_J), di solito dell’ordine di 150 °C (175 °C a volte). La temperatura massima di giunzione è una limitazione che non deve essere superata (Fig. 2). Il simbolo θ è generalmente utilizzato per indicare la resistenza termica espressa in unità di °C/watt (°C/W). In generale, un dispositivo con una resistenza termica θ uguale a 100 °C/W esporrà un differenziale di temperatura di 100 °C per una dissipazione di potenza di 1W, misurata tra due punti di riferimento.

La ragione principale per i malfunzionamenti di sistemi elettrici oltre a polvere, vibrazioni e umidità è di gran lunga l’impatto della temperatura. Quindi, un concetto di gestione termica efficiente sul PCB è di fondamentale importanza per l’affidabilità dei sistemi elettronici di potenza.
Come esempio prendiamo le applicazioni LED ad alta potenza, che probabilmente dovranno dominare nei prossimi anni l’illuminazione residenziale e commerciale, di segnalazione e fari del veicolo a causa di efficienza e una lunga durata. I LED che vanno da 500 milliwatt a un massimo di 10 watt in un unico package, sono diventati standard e i ricercatori si aspettano ancora una più elevata potenza in futuro.

La gestione termica (Fig. 3) è di importanza critica per i LED ad alta potenza. Più del 60% della potenza elettrica viene convertita in calore che può provocare dei malfunzionamenti sulla giunzione dei chip LED, riducendo l’efficienza complessiva. Così, la gestione termica ad alta potenza è un settore cruciale della ricerca e dello sviluppo. In generale, una rimozione del calore efficace può essere basata sia su un breve percorso di conduzione di calore, sia ad un dissipatore attraverso il PCB (es vias termici) oppure da un conduttore che agisce come strato spreader laterale di calore (pad termici estesi) o una combinazione di entrambi.

Approcci in rame garantiscono un ottimo effetto termico laterale di diffusione grazie all’eccellente conduttività termica e sono molto ben utilizzati per ridurre i punti caldi.
IMS (Insulated Metallic Substrate) rappresenta una tecnica ampiamente diffusa per le questioni termiche in sistemi elettronici. Un IMS è costituito da un materiale metallico di base (per lo più in alluminio o rame) con uno spessore di da circa 0,5 mm a 3,0 mm. Sul materiale base metallico c’è uno strato dielettrico sottile (circa 30 micron – 150 micron) con una elevata conducibilità termica (0,5 – 8,0W/mK) rispetto al FR4 (ca. 0,3W/mK).

Maurizio Di Paolo Emilio

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