Oggi, i requisiti di alimentazione di sistemi pongono delle sfide non indifferenti, perché i progettisti devono superare problemi quali tensioni di alimentazione multiple, sequenziamento della tensione, correnti di carico transitorie elevate e calore eccessivo. Invece di affrontare questi problemi occupandosi dell’alimentazione del sistema, è preferibile introdurre misure a livello di PCB (scheda a circuiti stampati), il che significa che serve un qualche tipo di convertitore nel punto di carico (PoL). Gli alimentatori PoL miniaturizzati riscuotono il favore di gran parte dei progettisti che devono rispondere alla richiesta del mercato di sistemi più piccoli e più efficienti. Tuttavia, poiché non tutti i convertitori PoL sono uguali, prima di prendere decisioni di sourcing occorre tener conto di diversi fattori.
Negli ultimi anni, nel settore dell’elettronica hanno preso piede diverse tendenze chiave, tra cui l’abbandono progressivo dei sistemi di alimentazione centralizzati e persino delle architetture di alimentazione decentralizzate o distribuite (DPA). Ultimamente, le preferenze vanno alle architetture con bus intermedio (IBA), in cui un convertitore c.c./c.c. front-end isolato alimenta convertitori c.c./c.c. più piccoli non isolati (noti come convertitori nel punto di carico, PoL) posti vicino ai carichi che devono alimentare (Figura 1).
Figura 1: I convertitori PoL come questo PMU8318 di Flex Power Modules sono un’alternativa ai sistemi di alimentazione centralizzati. (Immagine per gentile concessione di Flex Power Modules)
In relazione alla diffusione dei convertitori PoL, sono emerse diverse altre esigenze, tra cui livelli di prestazioni sempre più elevati, costi ridotti e miniaturizzazione dei sistemi/componenti. I dispositivi elettronici più recenti sono non solo più veloci e più intelligenti, ma anche molto più piccoli, più leggeri, più potenti e più efficienti rispetto ai prodotti della generazione precedente.
Tutto ciò ha conseguenze enormi per la progettazione degli alimentatori. In primo luogo, ogni millimetro quadrato di spazio sulla PCB è prezioso, quindi più piccolo è il convertitore, meglio è. Ma c’è anche un altro aspetto di cui tener conto. Gli alimentatori PoL risolvono la sfida della domanda di corrente di picco elevata e di bassi margini di rumore richiesti dai semiconduttori ad alte prestazioni come i microcontroller o gli ASIC, principalmente in conseguenza del fatto che sono posizionati vicino al loro punto di utilizzo. Purtroppo, molti progettisti finiscono per pensare solo all’ultimo minuto all’alimentazione elettrica, perché devono lavorare con tempi di sviluppo molto serrati e schede complesse. Di conseguenza, spesso lo spazio della PCB viene sacrificato, lasciando solo quanto basta per un dispositivo miniaturizzato.
Un altro fattore di cui tener conto è la versatilità. Ad esempio, è consigliabile valutare se un convertitore PoL è idoneo sia per ASIC che per FPGA. Anche se la maggior parte degli alimentatori PoL ottimizzati sono delle soluzioni analogiche (non digitali) semplici, è importante che siano idonei per gli FPGA perché i progettisti se ne servono sempre più spesso per una grande varietà di applicazioni.
Gli FPGA offrono molti vantaggi rispetto agli ASIC personalizzati: costano meno, sono disponibili in un’ampia gamma di dimensioni e danno la possibilità di riconfigurare i circuiti. Tuttavia, per quanto questi vantaggi siano molto interessanti, rimane un problema. Ogni FPGA richiederà più alimentazioni di tensione c.c. Spesso serviranno quattro, sei o più rail c.c., alcuni a correnti relativamente elevate per il core, ma molti a correnti molto più basse. Ecco perché è opportuno scegliere accuratamente i convertitori PoL, tenendo conto in particolare che gli FPGA (e gli ASIC) di ultima generazione sono sempre più sofisticati ed esigenti. In altre parole, non si possono sacrificare prestazioni, efficienza, qualità e flessibilità in nome della miniaturizzazione.
Tuttavia, dato il problema dello spazio sulla PCB non si può trascurare l’importanza delle dimensioni. I piccoli convertitori PoL sono spesso a profilo ribassato e abbastanza leggeri da poter essere utilizzati sul lato inferiore di una PCB, il che permette di risparmiare più spazio e aumentare la flessibilità di progettazione. Il vantaggio risulta evidente se si confronta questo risparmio di spazio con gli alimentatori PoL più grandi/più pesanti/più alti o con singoli convertitori isolati che possono essere montati solo su un lato della scheda.
Inoltre, i convertitori PoL miniaturizzati possono essere posizionati molto più vicino ai loro carichi, il che comporta ancora una volta una serie di vantaggi fondamentali. A titolo di esempio, le perdite di distribuzione c.c./c.c. saranno ridotte al minimo e i problemi della sensibilità al rumore e delle emissioni EMI saranno superati. Inoltre, si possono ridurre le induttanze parassite, attivando una risposta più rapida ai transitori.
L’impiego di più convertitori PoL renderà inoltre molto più facile fornire le varie alimentazioni di tensione richieste in genere dai componenti ad alta specifica delle PCB odierne.
Un’ulteriore area da valutare attentamente è quella delle prestazioni termiche. Via via che i componenti di potenza si fanno più piccoli e più densamente popolati, aumenta la possibilità di un maggiore trasferimento di calore. Tuttavia, come è ormai assodato, è indispensabile contenere il più possibile la dissipazione di potenza, e quindi lo sviluppo di calore, se si vogliono evitare aumenti di temperatura e potenziali inaffidabilità, così come un aumento dei costi per lo smaltimento di eventuali eccessi di calore. Il consiglio migliore, quindi, è quello di leggere attentamente la scheda tecnica del convertitore PoL, soprattutto la parte relativa ai dati delle prestazioni termiche e dell’efficienza. Le informazioni sulle prestazioni termiche spesso vengono fornite sotto forma di “curva di riduzione delle prestazioni”, che illustra come la potenza massima di un convertitore dipenda dalla temperatura ambiente e dalle condizioni di raffreddamento (Figura 2).
Figura 2: La curva di riduzione delle prestazioni (setpoint 12 VIN, 1 VOUT, 6 A) di PMU8318 mostra che la corrente rimane stabile a 6 A senza flusso d’aria finché la temperatura non arriva a +105 °C. (Immagine per gentile concessione di Flex Power Modules)
I dati sull’efficienza del prodotto si trovano anche in una “curva di efficienza” corrispondente nella scheda tecnica e devono essere esaminati in modo approfondito (Figura 3).
Figura 3: Quando si sceglie un PoL, occorre tener conto anche della curva di efficienza. Qui vengono mostrate le caratteristiche tipiche di efficienza di PMU8318 (12 VIN, VOUT multipli e livelli di frequenza di commutazione, 6 A max). (Immagine per gentile concessione di Flex Power Modules)
Ai progettisti di sistemi si raccomanda inoltre di cercare ulteriori funzionalità che possano aumentare le prestazioni. Ad esempio, alcuni regolatori includono una funzione di ottimizzazione dell’anello che consente di ottimizzare la risposta ai transitori per carichi capacitivi diversi, aumentando così la flessibilità nella progettazione del sistema. Alcune soluzioni PoL forniscono anche una funzione di avvio graduale configurabile o di inseguimento, che semplifica e rende più flessibile la progettazione di sequenze temporali.
Per riassumere, i convertitori c.c./c.c. miniaturizzati sono idonei per un’ampia gamma di applicazioni su schede dove lo spazio è limitato. Questi regolatori sono compatti ed economici e offrono molti vantaggi di carattere generale, come cicli di sviluppo più brevi, qualificazione più agevole, flessibilità di posizionamento nel progetto, livelli di qualità più elevati e minori costi di sviluppo.
Per andare incontro alla continua richiesta di regolatori PoL miniaturizzati, Flex Power Modules vende la sua famiglia di prodotti compatti tramite Digi-Key. Questa famiglia offre un eccellente rapporto prezzo/prestazioni in un contenitore piccolo, a profilo ribassato e ricco di funzionalità. L’efficienza arriva in genere a ben il 95,3% e anche le prestazioni termiche sono eccellenti, in parte perché il design dell’LGA permette di trasferire il calore alla PCB host.
Questi convertitori PoL PMU8000 miniaturizzati, inseriti in un fattore di forma standard, possono essere applicati sul lato superiore o inferiore della scheda, il che ne fa una soluzione estremamente flessibile per i progettisti. Con lo stesso ingombro, questi dispositivi coprono correnti di 4, 6 e 8 A, assicurando una flessibilità ancora maggiore ai progettisti di sistemi che mirano a ottimizzare la progettazione dell’alimentazione. Inoltre, i moduli possono funzionare anche ad alte temperature (fino a 105 °C) e in condizioni ambientali difficili. Grazie alla loro struttura robusta, il tempo medio tra guasti (MTBF) è specificato a 171 Mh. I regolatori PoL di Flex Power Modules sono idonei per un’ampia gamma di applicazioni di conversione di potenza, tra cui FPGA, ASIC, processori di rete, CPU e GPU, in settori come ICT (telecomunicazioni e datacom), industriale, test e misurazione, IoT, ferroviario e medicale.
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