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POWER 10 - MARZO 2016
V
Digital power
di prestazioni raggiungendo alcuni limiti di natura fisica
difficili, ma non impossibili, da superare (Fig. 1).
Parallelamente all’evoluzione dei componenti, duran-
te la metà degli anni settanta, alcuni progettisti – tra cui
Trey Burns, NR Miller e Chris Henze – hanno iniziato a
iniziato a condurre ricerche sulla modalità da seguire per
digitalizzare la conversione di potenza. Nella community
degli specialisti della potenza, PESC (Power Electronics
Specialists Conference)1977 è considerato come il pun-
to di partenza dell’applicazione del controllo digitale
al dominio della potenza. A quei tempi la mancanza di
potenza di calcolo limitava la possibilità di sfruttare ap-
pieno le potenzialità della digitalizzazione. Fu solo verso
la fine degli anni ‘90 che, grazie alla disponibilità su va-
sta scala del DSP C2000 di Texas Instruments, l’indu-
stria della potenza “materializzare” le possibilità offerte
dall’elaborazione digitale in un sistema di potenza e in-
tegrare il controllo digitale in un gruppo di continuità.
Questa prima applicazione ha dimostrato le enormi possi-
bilità impressionanti offerte dalla digitalizzazione applicata
al dominio della potenza. Nel 2004, con l’introduzione di
PMBus, un protocollo di comunicazione comune per le
apparecchiature di potenza, questa industria è entrata in
una nuova era.
Nell’ultimo decennio, i produttori di componenti e di ali-
mentatori hanno introdotto un grandissimo numero di
prodotti basati sulla tecnologia di potenza digitale e, dai re-
golatori PoL (Point-of-Load) al data center questa tecnolo-
gia ha contribuito non solo a ridurre i consumi energetici
ma anche, a migliorare l’affidabilità e ridurre il costo totale
di possesso (TCO).
Alcuni esempi
DPFC
– Nelle applicazioni AC/DC, il fattore di potenza è
controllato in modo digitale (DPFC) per consentire un’ot-
timizzazione delle prestazioni in real time. I parametri
DPFC possono essere regolati in modo dinamico per pren-
dere in considerazione disturbi di linea, variazioni ambien-
tali, di carico e di altri parametri, ottimizzando la qualità
del fattore di potenza Oltre ad assicurare prestazioni ele-
vate per l’alimentatore, il DPFC può fornire informazioni
al sistema o segnalare lo stato di funzionamento al super-
visore che, nel caso di gestione remota, può risultare utile
per diagnosticare precocemente i problemi riducendo il
rischio di downtime.
DC/DC
- La sezione di switching dell’alimentatore può
trarre indubbi benefici dal controllo digitale grazie alla
possibilità di ottimizzare tempi morti (dead-time) e duty-
cycle e ridurre di conseguenza il consumo di energia nei
casi in cui il carico sia al di sotto di una certa soglia (dal
10% al 25% in funzione della potenza e dell’applicazione).
Il controllo digitale prevede un funzionamento assimilabi-
le a quello di tre o quattro differenti convertitori di potenza
ottimizzati in funzione del carico (basso – medio –alto). La
figura 2 riporta il confronto tra due convertitori DC / DC
con potenza simile. Il convertitore analogico è ottimizzato
in modo da fornire elevate prestazioni in condizioni di
massimo carico, ragion per cui le prestazioni diminuisco-
no per carichi di valore inferiore. Il convertitore che adot-
ta il controllo digitale, invece, prevede tre configurazioni
(all’interno del medesimo convertitore) che regolano i pa-
rametri di funzionamento in base alle condizioni di carico.
Tensione del bus
– Indipendentemente dal settore preso
in considerazione – ICT, industriale, trasporti, medicale,
della difesa – si utilizza comunemente una tensione di bus
intermedia. Per ragioni storiche, legate all’alimentazione
di hard disk, ventole e commutatori, il valore di 12V e lo
standard “de facto” adottato per default nella maggior par-
te delle applicazioni. Pur essendo un valore adatto per la
conversione a una tensione di 5V, una tensione di 12V risul-
ta meno idonea quando di devono alimentare gli odierni
processori, che richiedono tensioni inferiori a 1V, in quan-
do genera perdite inutili soprattutto in presenza di carichi
di valore ridotto.
Nel 2005, tutti coloro che si occupano dello sviluppo di
architetture di sistema hanno iniziato a prendere in consi-
derazione valori diversi di tensione, comprese tra 8 e 13V,
oltre alla possibilità di regolare la tensione del bus in base
alle condizioni di carico. In maniera empirica la tensione
di uscita del convertitore DC/DC era controllata median-
te un potenziometro elettronico; regolando la tensione
del bus in funzione di un segnale fornito da una sorgente
Fig. 2 - Confronto tra due convertitori DC/DC con po-
tenza simile. Il dispositivo di tipo analogico, ottimiz-
zato per garantire alte prestazioni con il carico mas-
simo, evidenzia una riduzione delle prestazioni per
carichi di valore inferiore