Architettura avanzata per regolatori DC/DC Buck

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La progressiva diffusione di nuovi standard in materia di efficienza energetica e la costante evoluzione della capacità di elaborazione e dell’insieme di funzionalità dei prodotti di nuova generazione utilizzati quotidianamente da aziende e consumatori – DVR, set-top-box, modem, palmari industriali, riproduttori multimediali portatili e lettori di codici a barre – hanno modificato radicalmente le metodologie utilizzate nelle fasi di conversione, gestione e distribuzione dell’alimentazione.

In genere, i design di tali prodotti non sono mai stati influenzati da problematiche quali dissipazione di corrente in standby, tensioni di carico dinamiche e fattori forma sempre più compatti come accade, per esempio, nel settore dei palmari wireless. L’insorgere di queste problematiche che interessano le soluzioni per la gestione dell’alimentazione sta modificando le modalità di scelta dei regolatori di tensione utilizzati per alimentare circuiti Asic, chip DSP, circuiti SoC dotati di core, dispositivi digitali, memorie e componenti di I/O destinati a tali prodotti.

I progettisti sono interessati a sfruttare i vantaggi offerti da nuovi regolatori ad alta frequenza come i regolatori buck Fairchild FAN5354 (3 MHz), che utilizzano tecniche progettuali allo stato dell’arte per assicurare superiori livelli di efficienza in un’ampia gamma di tensioni di carico (1 mA-3 A) e una risposta ai transitori rispetto al carico particolarmente contenuta, oltre a consentire il ricorso a fattori di forma estremamente compatti grazie alla riduzione del numero e delle dimensioni dei componenti richiesti.

In genere, i progettisti di tali applicazioni hanno sempre rivolto l’attenzione a circuiti di regolazione a basso costo caratterizzati da frequenze di commutazione inferiori a 1 MHz e dalla presenza di componenti esterni per assicurare caratteristiche quali soft-start, stabilità, filtraggio e ottimizzazione della risposta ai transitori di carico. Fino a poco tempo fa applicazioni di questo tipo non erano particolarmente sensibili a problematiche quali l’assorbimento di corrente in standby o lo spazio occupato su scheda, e le prestazioni elettriche dinamiche non costituivano un fattore critico per soddisfare i requisiti di alimentazione del sistema. In effetti, molte applicazioni utilizzavano regolatori lineari scarsamente efficienti fino a valori di 3-5 A, in quanto l’assorbimento di corrente era limitato principalmente dalla gestione termica.

Una soluzione efficace
I produttori di regolatori di tensione avanzati come Fairchild propongono oggi soluzioni in grado di fornire una risposta efficace alle problematiche appena prese in considerazione, pur rispettando i limiti di errore e rumore totali mediante soluzioni architetturali alternative. Questi nuovi approcci superano le tradizionali limitazioni riguardanti i regolatori ad alta frequenza (emissioni EMI, perdite di commutazione e così via) assicurando una risposta ai transitori ottimizzata in un ampio spettro di tensioni operative.

Essi inoltre garantiscono contenimento di dimensioni e costi dei componenti, ottimizzazione del design dei circuiti integrati e compattezza del package, rendendo possibile l’implementazione di soluzioni caratterizzate da ingombri ridotti grazie all’uso di topologie di commutazione ad alta frequenza. Dal punto di vista applicativo, i prodotti consumer e industriali che richiedono in misura maggiore questi sofisticati regolatori DC-DC a commutazione devono affrontare problematiche del tipo qui di seguito riportato:

a) Standard relativi ai consumi (dinamici e in stand-by). Le normative riguardanti il consumo di corrente in standby in Europa e Nordamerica richiedono un valore medio inferiore a 1 W. Ciò impone ai progettisti di sistemi di alimentazione di identificare soluzioni in grado non soltanto di assicurare un’elevata efficienza a pieno carico, tipicamente superiore al 90%, ma anche in situazioni di carico in cui chip di elaborazione, circuiti di pilotaggio dei display, memoria e componenti I/O devono essere alimentati in modalità idle (per assicurare tempi rapidi di risposta alle richieste sia di particolari funzioni sia dell’utente) pur senza essere attivi. Questi requisiti richiedono l’uso di regolatori DC caratterizzati da un assorbimento di corrente significativamente inferiore alla tensione di carico in tutte le situazioni di carico ridotto.

b) Sistemi video, display e dispositivi di networking e comunicazione ad alte prestazioni. A causa delle funzionalità avanzate offerte dai moderni dispositivi, alcuni blocchi di sistema che assorbono correnti di carico elevate operano a tensioni di 1-5 V_DC. Tra essi figurano circuiti integrati SoC ad alta densità, core di processori per sistemi video, display, DSP (Digital Signal Processor), dispositivi di accesso dinamico alla memoria e interfacce di comunicazione ad alte prestazioni come USB ad alta velocità e HDMI , oltre a quelle dei nuovi standard wireless (WiFi, LTE, WiMAX e così via).

Questi core sono basati su processi produttivi avanzati ad alta densità da 60/45nm che richiedono tensioni operative estremamente basse (fino a 0,8 V_DC) ma picchi e medie di correnti di carico elevate (1-5 A), unitamente a consumi di corrente estremamente dinamici (per esempio, il carico può variare tra 0-3 A in 1 µS). A causa delle basse tensioni operative, i requisiti complessivi in termini di errore ammissibile per un funzionamento corretto del sistema richiedono che il regolatore DC-DC sia in grado di assicurare un basso livello di errore combinato per quel che concerne deriva, ripple, regolazione di linea e risposta ai transitori di carico.

c) Fattori di forma dei prodotti consumer sempre più compatti e sottili. I fattori di forma sempre più compatti e sottili richiesti ai prodotti consumer ad alte prestazioni impongono ai progettisti di identificare soluzioni caratterizzate dall’uso del minimo numero di componenti e da dimensioni contenute a parità di prestazioni. Le topologie caratterizzate da frequenze elevate favoriscono la riduzione delle dimensioni dell’induttore, ma la capacità di filtraggio e le capacitanza di uscita più idonee dipendono dal tipo di architettura impiegato. Applicazioni quali set-top-box, hard disk, server thin-blade, schede di networking e apparecchiature medicali stanno adottando fattori forma sempre più compatti. Per affrontare in maniera efficace le problematiche appena descritte è possibile sfruttare i vantaggi offerti dalle nuove topologie di regolazione. Il dispositivo FAN53554 di Fairchild, per esempio, si propone come un’implementazione avanzata di queste metodologie progettuali che riguardano i regolatori.

Un esempio completo
Si esaminano ora i requisiti relativi a un dispositivo DVR/set-top-box ad alte prestazioni. La figura 1 riporta i fabbisogni di corrente tipici per il terminale di alimentazione a 5VDC da parte del sottosistema di conversione offline.

Fig. 1 – Requisiti di alimentazione a 5 V_DC dei blocchi di componenti principali in un tipico dispositivo STB/DVR

In relazione ai requisiti di alimentazione delineati nell’esempio illustrato in figura 1, il dispositivo FAN5354 soddisfa tutti e tre i parametri chiave del terminale di alimentazione grazie a una tensione di uscita regolabile a partire da 0,8V al 90% di V_IN (V_IN massima pari a 5,5 V). Il dispositivo è in grado anche di fornire una corrente di uscita continua di 3 A con un’efficienza superiore all’85% mantenendo un’efficienza superiore all’80% con tensioni di carico di soli 2 mA. Il grafico di figura 2 riporta l’andamento dell’efficienza rispetto alla tensione di carico con un valore V_OUT di 3,3 V.

Fig. 2 – Efficienza rispetto a tensione di carico I_LOAD con V_OUT = 3,3 V

L’efficienza con carico ridotto è ottenuta attraverso il ricorso alla transizione automatica dalla modalità PWM (Pulse-Width-Modulation) a correnti di carico elevate (tipicamente superiori a 600mA) alla modalità PFM (Pulse-Frequency-Modulation) nelle situazioni di carico ridotto caratterizzate da valori tipici di corrente di riposo di 270 µA. È possibile altresì controllare il pin MODE del dispositivo in modo da forzare il funzionamento nella modalità PWM (con conseguente degrado dell’efficienza con carico ridotto, come illustrato dalla curva tratteggiata in Fig. 2) oppure effettuare la sincronizzazione con un segnale PWM esterno sul pin MODE. Per evitare problemi riguardanti il rumore udibile, la frequenza PFM minima è limitata a 26kHz al fine di mantenere lo spettro in modalità PFM al di fuori della gamma di frequenza udibile.

L’architettura permette anche di regolare la frequenza in modalità PWM a 3 MHz +/-10%. La possibilità di controllare questi parametri fornisce ai progettisti informazioni complete riguardo le componenti di frequenza previste dello spettro di uscita, unitamente al vantaggio derivante dal fatto che le componenti alla frequenza di 3 MHz sono più facili da filtrare a livello della rete di uscita. Gli altri aspetti che la metodologia progettuale dell’alimentazione deve necessariamente considerare riguardano il rispetto del valore V_OUT complessivo e del budget di errore per l’alimentazione regolata. Un tipico budget complessivo assomma al 5% del valore V_OUT desiderato nelle condizioni operative normali. Il budget di errore complessivo è rappresentato dalla somma delle componenti seguenti:

a) Sovra-temperatura nella tensione di uscita DC – per la maggioranza dei regolatori questa componente è dell’1,5% massimo delle condizioni di sovra-temperatura.
b) Regolazione di linea/carico – la maggior parte dei regolatori disponibili in commercio è caratterizzato da una regolazione di linea/carico inferiore allo 0,5%.
c) Tensione di ondulazione – Il parametro VRIPPLE è generalmente collegato alla frequenza di commutazione e alle tensioni parassite delle componenti passive. L’architettura del dispositivo FAN5353 assicura prestazioni che non dipendono dal valore ESR (Equivalent Serie Resistance) del condensatore di uscita, permettendo l’uso di condensatori di tipo ceramico. In condizioni di carico ridotto il dispositivo FAN5354 opera in modalità PFM DCM (Discontinuous Current Mode), che produce bassi valori di ripple all’uscita rispetto alle altre architetture PFM. Grazie a questa architettura è possibile minimizzare l’impatto dell’ondulazione sul budget di errore complessivo. A titolo di esempio, con un valore di uscita di 1,2 V con V_IN di 5 V e carico di 3 A, la tensione di ripple tipica è di 15 mV o l’1,2%, come illustrato in figura 3.

Fig. 3 – Ripple della tensione di uscita rispetto alla corrente di carico

Risposta ai transitori – Poiché la maggior parte dei regolatori è configurata od ottimizzata per i parametri cui si è appena fatto riferimento, l’unica variabile rimanente per rispettare il budget di errore complessivo è relativa alla risposta ai transitori in presenza di una variazione a gradino del carico. Sotto questo aspetto l’architettura del dispositivo FAN5354 offre vantaggi particolarmente significativi rispetto alle soluzioni tradizionali. Prestazioni di questo tipo sono ottenute con una capacità di uscita molto bassa (due condensatori ceramici in contenitore 0805 da 10 uF): ciò permette di rispettare le specifiche stabilite senza ricorrere all’aggiunta di capacità aggiuntive al fine di migliorare la risposta transiente. Come si può rilevare dal grafico di figura 4, una variazione transitoria a gradino del carico pari a 1,5 A, il dispositivo FAN5354 produce soltanto un errore di V_OUT di 30mV prima dell’intervento del regolatore. Ciò rappresenta il 2,5% di errore e permette di ottenere l’accuratezza V_OUT richiesta con valore V_OUT s di 1-1,8 V.

Fig. 4 – Risposta transiente – I_load=100 mA a 1,5 A e 100 mA, 5 µs/div

Riepilogando l’analisi dell’error budget complessivo per l’esempio in questione, risulta evidente l’impatto sulla risposta al transiente di carico che l’utilizzo del dispositivo FAN5354 ha nel rispettare la soglia di error budget complessivo del 5% con un margine del 15% circa, a fronte delle forti limitazioni che caratterizzano le soluzioni convenzionali, in particolare alle basse tensioni di uscita.

Fig. 5 – Riepilogo dell’analisi dell’error budget relativa al dispositivo FAN5354 rispetto alle soluzioni convenzionali

Al di là dei parametri prestazionali critici visti in precedenza, oggigiorno viene posta maggiore attenzione anche allo spazio occupato sulla scheda. Come già sottolineato, l’approccio architetturale adottato dalla soluzione da 3 MHz FAN5354 permette di soddisfare le specifiche richieste utilizzando unicamente due condensatori di uscita ceramici di costo contenuto, disponibili da molteplici fornitori di componenti passivi, con valori di capacità inferiori rispetto a quelli utilizzati tradizionalmente.

A ciò si aggiunge a un valore di induttanza significativamente più contenuto (470nH) rispetto alle soluzioni di commutazione di legacy con frequenze comprese fra 300 kHz e 1 MHz, che utilizzano induttori nella gamma di valori di 10-33uH. Il dispositivo FAN5354 è ospitato in un package a montaggio superficiale MLP compatto di dimensioni pari a 3,5 x 3 mm, ampiamente utilizzato in questo tipo di applicazioni in virtù delle sue eccellenti caratteristiche elettriche e termiche, che consentono al dispositivo di fornire correnti significative in un’ampia gamma di condizioni operative. Infine, il dispositivo prevede un circuito per il soft start (avviamento graduale), mentre il circuito di compensazione interno non richiede la presenza di componenti esterni dedicate. Tutto ciò si traduce in un induttore di dimensioni più contenute, un valore C_OUT più basso, componenti passivi esterni ridotte al minimo e package avanzato, in altre parole in un ottimizzato che occupa meno di 65mm² di spazio su scheda.

Fig. 6 – Layout su scheda ottimizzato con ingombro inferiore a 65 mm² mediante un induttore da 5×5 mm

L’elenco dei componenti esterni consigliate comprende:

Alla luce della problematiche che i mercati di sbocco devono affrontare per rispettare i nuovi standard di risparmio energetico che interessano molteplici aspetti dei consumi e della contemporanea necessità di fornire potenza a chipset ad alte prestazioni che devono garantire funzionalità video e di elaborazione digitale avanzate all’interno di package di dimensioni sempre più contenute per consentire la realizzazione di soluzioni sempre più compatte e sottili, queste nuove tecnologie per regolatori appaino quanto mai opportune.

Le caratteristiche del regolatore DC/DC buck a commutazione FAN5354 sviluppato da Fairchild permette di sottolineare vantaggi delle scelte e delle ottimizzazioni fatte allo scopo di pervenire allo sviluppo di un regolatore il più rispondente possibile alle esigenze evidenziate. La costante evoluzione di questa metodologia permetterà sicuramente di compiere ulteriori progressi a beneficio dei futuri prodotti destinati ai merc
ati consumer e industriale.

Per maggiori informazioni è possibile consultare il datasheet e le informazioni progettuali disponibili ai seguenti indirizzi:

www.fairchildsemi.com/pf/FA/FAN5354

www.fairchildsemi.com/pf/FA/FAN5353.html

Chris Winkler, marketing director, Fairchild Semiconductor

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