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POWER POINT OF LOAD SUPPLY 35 - ELETTRONICA OGGI 485 - APRILE 2020 di potenza assorbita. Per riepilogare la configurazione scelta, i progettisti di sistemi generano un diagramma ad “albero” (Fig. 1). Il fatto di posizionare i convertitori PoL in prossimità di dispositivi come gli FPGA pone alcuni problemi; un ti- pico FPGA come un componente della linea UltraScale di Xilinx prevede più di 1.000 connessioni BGA ed è circondato da componenti di supporto per le funzioni di I/O e da un dissipatore di calore per smaltire le de- cine di watt generati. In tale contesto lo spazio è pre- zioso e i PoL devono inserirsi dove possono. Lo spazio diventa ancora più prezioso in applicazioni con fattore di forma ridotto come le schede SoM FPGA e le sche- de PCIe, dove il posizionamento dell’alimentazione è più problematico. Un PoL ideale, quindi deve essere caratterizzato da un’elevata efficienza, non implicare la presenza di un dissipatore di calore e prevedere un profilo sufficientemente ridotto da permetterne il montaggio sul retro della scheda o addirittura come piggyback o sub-board sotto altri componenti. Na- turalmente, deve anche fornire una tensione precisa in condizioni statiche e dinamiche, avere il controllo sull’uscita per un eventuale shutdown e per il sequen- ziamento ed essere completamente protetto da corto- circuiti, sovratensioni, sottotensioni e sollecitazioni im- putabili a sovratemperatura. I moderni dispositivi PoL devono anche prevedere delle funzionalità di comu- nicazione, in genere su bus I2C con comandi PMBus, che permettano di impostare le caratteristiche interne o di apportare regolazioni “una tantum” (ad esempio le soglie di rilevamento guasti) e regolazioni dinamiche della tensione di uscita per le configurazioni a rispar- mio energetico. In genere, il bus permette anche di ge- stire la segnalazione delle condizioni del dispositivo PoL, ad esempio corrente di carico, temperatura e sta- to per il monitoraggio remoto. Topologia tipica di un PoL Lo schema di base di un convertitore PoL non isolato è immutato da molti anni (Fig. 2). Funzionalità come il raddrizzamento sincrono e la conversione multifase a potenze più elevate rappresentano lo standard, sebbe- ne vi siano alcune variazioni negli schemi di controllo che consentono di ottenere prestazioni dinamiche ot- timali. Gli elementi comuni sono però fissi: uno switch “high-side” Q1 e uno low-side, Q2. Questi si alternano per erogare corrente, per “caricare” l’induttanza L1 nel periodo di conduzione di Q1 e per scaricare la sua energia attraverso Q2 durante il periodo di inter- dizione di Q1. Un controller IC1 campiona l’uscita e pilota Q1 e Q2 con segnali complementari modulati a larghezza di impulso per ottenere la regolazione della tensione di uscita mediante l’effetto “mediato” di L1 e C2. IC1 monitora il tutto, reagisce alle condizioni ano- male e gestisce la comunicazione esterna. E Dimensionare i componenti e le condizioni operative in un convertitore PoL è frutto di compromessi; l’in- duttanza è normalmente l’elemento più grande e de- finisce le dimensioni complessive o l’ingombro. Se il convertitore commuta a frequenze più elevate, l’in- duttanza e il condensatore di uscita possono essere più piccoli. Tuttavia, come nel caso degli FPGA, una commutazione più rapida dei MOSFET Q1 e Q2 provo- ca una maggiore dissipazione di potenza, richieden- do un dispositivo più grande per dissipare il calore e mantenere l’innalzamento della temperatura entro i limiti prestabiliti. I progressi nella tecnologia MOSFET in termini di resistenza di conduzione e di velocità di commutazione hanno tuttavia permesso di migliora- re l’efficienza, consentendo di raggiungere frequenze nella gamma dei MHz. Implementazione di un PoL: il metodo tradizionale Gli elementi del PoL mostrati in figura 2 erano inizial- mente componenti discreti che i progettisti di sche- de di sistema potevano, in teoria, posizionare sulla motherboard. La progettazione di un PoL richiedeva comptenze specifiche: anche con le informazioni e le note applicative rese disponibili dal fornitore del con- troller PWM, quando il PoL viene combinato con altri componenti sulla scheda madre è molto difficile otte- nere prestazioni elettriche ottimali. Oltre a questo, sulla scheda madre viene “consumato” spazio prezioso. I fornitori di PoL modulari hanno nel tempo proposto soluzioni collaudate che offrono il vantaggio di avere un singolo componente già collaudato, risparmiando al cliente gli oneri generali di progettazione e qualifica, nonché di acquisizione, stoccaggio e posizionamen- to dei vari elementi discreti. I primi moduli offrivano pochi vantaggi in quanto occupavano lo stesso spa- zio di una soluzione discreta. Oltre a questo, venivano considerati costosi, specialmente in presenza di volu- mi di produzione elevati dove i costi fissi di una solu- zione discreta potevano essere ammortizzati. I moduli più recenti hanno visto l’integrazione dei componenti discreti in package più piccoli, con alcune configura- zioni di stratificazione verticale che offrono un reale risparmio di spazio. Le versioni SIP prevedono un in- gombro ridotto ma in genere richiedono saldature a Fig. 2 – Schema base di un PoL monofase