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POWER
DC-DC CONVERTER
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- ELETTRONICA OGGI 465 - OTTOBRE 2017
utilizzato come dielettrico, è caratterizzato da una tolleranza
della capacità base pari a ±15% nell’intervallo di temperatu-
re compreso tra -55 e +125 °C. La capacità di un materiale
dielettrico come Y5V, invece, può subire una riduzione an-
che superiore all’80% a una temperatura di +85 °C. Il valore
della capacità di un condensatore ceramico può anche di-
minuire sensibilmente in condizioni di polarizzazione in DC
(DC bias) a causa delle caratteristiche intrinseche del ma-
teriale ceramico (BaTiO3) con il quale
è realizzato. Considerazioni del tutto
analoghe valgono anche per gli indut-
tori di potenza, le cui prestazioni dipen-
dono dal materiale del nucleo. Materiali
differenti sono caratterizzati da perdite
di diversa entità a differenti temperature, in funzione delle
condizioni del circuito. In ogni caso il guasto di un induttore
di potenza è un evento raro, a meno che non sia stato sovrac-
caricato in maniera eccessiva.
Un tool per valutare il comportamento
di un componente online
Murata mette a disposizione SimSurfing, un tool di simula-
zione basato su browser che può essere utilizzato dai pro-
gettisti per valutare gli effetti dei livelli di polarizzazione in
AC e in DC, della frequenza e della temperature per una
vasta gamma di condensatori e di induttori. Un’analisi di
questo tipo può fornire risultati interessanti.
Osservando ad esempio il grafico riportato in figura 1, re-
lativo alle caratteristiche di polarizzazione in continua, si
può vedere che un condensatore da 22 uF con dielettrico
X7R e tensione nominale di 25 VDC è caratterizzato da una
capacità di soli 7,75 uF in presenza di una tensione di po-
larizzazione in DC di 15V. Il grafico relativo all’aumento di
temperatura (Tem Rise) sempre riportato in figura 1 mostra
che i condensatori che gestiscono le correnti di ondulazio-
ne (ripple) possono essere interessati da fenomeni di incre-
menti della temperatura interna.
I progettisti di solito tengono in considerazione le caratte-
ristiche dipendenti dalla temperature dei dispositivi a se-
miconduttore usati nei loro design, calcolando le tempe-
rature di giunzione mediante modelli di resistenza termica
per assicurare che tali temperature rimangano inferiore a
valori compresi tra 150 e 175 °C. Le caratteristiche dei dio-
di Schottky, comunque, possono far sorgere un problema
nel corso del progetto di un convertitore DC-DC: le perdite
di questi componenti tendono infatti ad aumentare nel mo-
mento in cui cresce la temperatura. Ciò può dar luogo a
una dissipazione più elevata quando sono sottoposti a una
polarizzazione inversa, con conseguente guasto prematuro
del componente. In modo analogo, i circuiti di retroazione
dei convertitori DC-DC spesso utilizzano opto-isolatori che
possono essere fonte di problemi. I rapporti di trasferimen-
to della corrente degli opto-isolatori possono variare a cau-
sa dell’età dei componenti e dell’esposizione a temperature
elevate. La variazione delle caratteristiche di questi opto-
isolatori possono provocare instabilità e portare un guasto
prematuro del convertitore. L’impiego, da parte dei progetti-
sti, di MOSFET al posto dei diodi nelle configurazioni a ret-
tificazione sincrona, può contribuire a risolvere i problemi
legati all’uso dei diodi Schottky e ad aumentare l’efficienza.
Qualora risulti difficoltoso evitare l’uso
di un rettificatore Schottky, come ad
esempio nel caso del diodo di ricirco-
lo (freewheeling) ai capi del commuta-
tore sincrono di un convertitore buck,
è possibile reperire diodi Schottky e
opto-isolatori in grado di resistere a temperature di giun-
zione di 150 °C. L’utilizzo di questi componenti richiede
molta attenzione nella scelta degli altri componenti e nella
progettazione del circuito al fine di evitare la presenza di
punti caldi (hot spot) e garantire un funzionamento affida-
bile alle alte temperature. Come in ogni progetto, è necessa-
rio tenere in considerazione altre problematiche a livello di
sistema, come ad esempio il fatto che, in base agli standard
in vigore, le temperature di funzionamento massime per le
tipiche schede circuitali non devono superare i 130 °C.
La scelta dei componenti
L’esigenza di far funzionare i convertitori DC-DC a tempera-
ture di esercizio più elevate in modo da supportare cluster
sempre più “densi” di sistemi di elaborazione è divenuta via
via più pressante. Ciò significa che i progettisti di converti-
tori DC-DC non possono più limitarsi a considerare le spe-
cifiche dei dispositivi che i produttori garantiscono a una
temperatura di 25 °C se il loro obiettivo è realizzare prodotti
in grado di operare in maniera affidabile per lungo tempo
a temperature di esercizio più alte. Per realizzare conver-
titori in grado di soddisfare queste esigenze i progettisti
devono maturare conoscenze approfondite sulle caratte-
ristiche di ciascun componente e quindi sviluppare i loro
design prendendo come riferimento il livello di efficienza
giudicato più idoneo (sweet spot) all’interno dell’intervallo
di temperatura di funzionamento previsto. I progettisti de-
vono anche individuare i punti in cui dovrebbero essere
misurate le temperature dei componenti ed assicurarsi che
tali misure vengano effettuate all’interno di un ambiente di
funzionamento rappresentativo, in cui cioè flusso e tem-
peratura dell’aria rispecchino il più fedelmente possibile
quelli delle applicazioni in cui saranno effettivamente uti-
lizzati. Solamente dopo aver analizzato tutti questi aspetti,
un progettista di convertitori DC-DC ha tutti gli elementi per
realizzare un design robusto in grado di soddisfare in modo
affidabile e sul lungo periodo le sempre più complesse esi-
genze di sistemi di elaborazione sempre più “densi”.
Il problema collegato alla dissipazione
del calore prodotto da sistemi elettronici
tenderà sicuramente a divenire via via
più complesso