Power design: una sfida impegnativa – (Power design: a demanding challenge)

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Qual è il bagaglio tecnico che un ingegnere dovrebbe possedere quando si appresta a progettare circuiti destinati alla gestione della potenza come ad esempio i regolatori switching? Al giorno d’oggi, la parola chiave nel campo della progettazione è una sola: ottimizzazione. Il quesito che a questo punto sorge spontaneo è il seguente: “Cosa bisogna ottimizzare?”. Si tratta di scegliere. La ricerca e l’adozione di metodologie, criteri e strumenti per comprendere qual è la scelta più idonea è il principale valore aggiunto del know how di un ingegnere che può essere sfruttato nel corso del processo di design.

Gli attuali dispositivi a semiconduttore, i componenti passivi e gli integrati per il controllo dei circuiti di power management sono capaci di garantire la più ampia varietà di prestazioni, grazie alla disponibilità di tecnologie innovative e all’adozione di avanzati processi produttivi. Inoltre, nelle applicazioni di power management le prestazioni statiche e dinamiche dei regolatori risultano essere sempre più un fattore critico, specialmente nei settori delle telecomunicazioni e dei sistemi di elaborazione.

La reale necessità dei progettisti è comprendere come utilizzare adeguati modelli parametrici dei dispositivi e opportune equazioni parametriche di progetto al fine di determinare non una sola soluzione – la “migliore” – bensì una “famiglia” di soluzioni “accettabili”, equivalenti rispetto alle specifiche, ciascuna delle quali presenti eventualmente differenti peculiarità in termini di costo, ingombro, efficienza, e così via: tra di esse, il progettista può scegliere la più “adeguata” per la specifica applicazione considerata. Per tale motivo i moderni corsi e seminari di progettazione orientati alle applicazioni devono permettere un esame approfondito delle problematiche trattate e fornire metodologie di analisi orientate al progetto.

Si prenda in considerazione il seguente esempio. Uno dei problemi più complessi nella progettazione di convertitori buck a rettificazione sincrona (SR) di tipo POL (Point Of Load) è la scelta dei MOSFET high e low side. Tali dispositivi devono soddisfare parecchi vincoli:
– i valori di corrente e tensione nominali devono essere sufficientemente elevati per garantire sicurezza di funzionamento;
– le perdite totali devono essere inferiori rispetto a quelle previste dal bilancio energetico complessivo che permetta di ottenere il rendimento minimo previsto;
– la resistenza termica deve essere la più ridotta possibile;
– il costo, ovviamente, deve essere il più basso possibile
A questo punto si presentano parecchi problemi, qui di seguito elencati:
– a priori non è possibile conoscere la massima perdita totale consentita per ogni singolo MOSFET e per entrambi, poiché si tratta di una scelta del progettista;
– le perdite del MOSFET dipendono da corrente e tensione di funzionamento, frequenza di commutazione, duty-ratio, parametri di pilotaggio del gate e parametri fisici del MOSFET;
– il costo del MOSFET cresce all’aumentare del valore della corrente nominale e, in linea generale, è più alto per i MOSFET con bassi valori di RDS (resistenza tra gate e source) e carica totale di gate (Qg);
– sul mercato sono disponibili vari tipi di MOSFET realizzati con differenti tecnologie (TrenchFET, DirectFET, FET asimmetrici, HEXFET e via discorrendo) che si distinguono per le diverse combinazioni di parametri fisici;
– i MOSFET high side e low side presenti nei convertitori SR di tipo buck sono caratterizzati da bilanci differenti per quel che concerne le perdite, in funzione delle tensioni di funzionamento di ingresso e di uscita e della corrente di uscita.

Fatte queste considerazioni, il quesito che si pone è come effettuare la scelta dei MOSFET, tenuto conto che i valori della maggior parte dei parametri di questi ultimi non sono noti in partenza e che e dipendono dalle ipotesi fatte dal progettista e dalle caratteristiche fisiche dei dispositivi che devono essere scelti.

Per risolvere questo problema, bisogna partire dall’adozione di un adeguato modello che descriva le perdite dei MOSFET high e low side. Nella letteratura tecnica sono reperibili numerosi di questi modelli. Senza addentrarci in dettagli matematici, si può osservare che i parametri più importanti da prendere in considerazione risultano essere la resistenza tra drain e source (RDS) e la carica di gate Qg, per il MOSFET high-side, e la resistenza tra drain e source (RDS) e la capacità di ingresso Ciss, per il MOSFET low-side. Scegliendo con oculatezza i modelli di perdita per i MOSFET high e low side è possibile realizzare grafici delle curve caratteristiche di RDS in funzione di Qg e Ciss associate alle specifiche ed ai vincoli di progetto ed alle scelte del progettista: tali curve, rappresentate unitamente alle coppie di valori dei suddetti parametri corrispondenti ai dispositivi commerciali, costituiscono un valido ausilio nell’esplorazione dello spazio dei progetti fisicamente realizzabili e nella ricerca sia delle scelte di progetto che dei dispositivi fisici più convenienti, ovvero della soluzione di progetto “migliore”.

Lo stesso approccio di analisi orientata al progetto può essere utilizzato per la scelta dei componenti passivi (condensatori e induttori), realizzando grafici analoghi a quelli appena sopra menzionati ponendo in relazione i principali parametri fisici di ogni dispositivo con le specifiche dell’applicazione considerata. Essi devono corrispondere alle curve dei vincoli relativi ai medesimi parametri fisici ottenuti dalla lista dei parametri forniti dal costruttore.

Le domande più ovvie che sorgono a questo punto sono le seguenti:
– Come realizzare queste curve di vincolo di progetto?
– Quali parametri fisici del dispositivo risultano essere i più idonei per l’analisi?
– Quali parametri di funzionamento del convertitore possono o devono essere considerati come variabili?
– Come ordinare tutte le curve ottenute al fine di determinare l’insieme ottimale di vincoli di progetto e dispositivi fisici in modo da soddisfare le specifiche dell’applicazione?
Tutti questi argomenti, e altri ancora, verranno trattati nella sezione: “High Current Buck Switching Power Supply Design” prevista nel prossimo seminario tecnico di National Semiconductor destinato alla progettazione di potenza che si terrà a Milano il 21 febbraio p.v.

What should a field application engineer learn today about the design of power management circuits such as switching regulators? The main design trend today is toward “optimization”. The question is: optimization of what? It’s just a choice. Finding and using methods, criteria and tools to understand what is the right choice is the principal adjoined value of engineers’ knowledge to put into the design job. Today’s power silicon devices, passive components and power management ICs offer a huge variety of performances, thanks to new technologies and manufacturing processes. Besides, modern power management applications are pushing the demand toward more and more critical regulators’ static and dynamic performances, especially in computers and telecom fields. What designers really need is to know how to use adequate parametric devices models and adequate parametric design equations to be matched, with the goal of figuring out not just one – and only one – “best” design solution, but rather a family of “nice” solutions offering different trade-off opportunities, among which the designer can make his conscious choice in selecting “the best one” for his case. To do this, modern applications-oriented design training seminars and courses should offer insight into problems and provide methods of design-oriented analysis. Let us just consider an example.  
One of the most puzzling tasks in the design of buck Synchronous Rectification (SR) Point Of Load (POL) converters is the choice of high-side and low-side MOSFETs. These devices must fulfil man
y constraints:
– their voltage/current ratings must be sufficiently high to ensure safe operation
– their total losses must be smaller than the maximum allowed budget compatible with the minimum efficiency specification
– they must have the smallest possible thermal resistance
– they must be as cheap as possible.
The problem is that:
– it is not known a priori what is the total maximum loss budget for both and for each MOSFET, because this is a designer’s choice
– MOSFETs’ losses depend on operating current and voltage, on switching frequency, on duty-ratio, on gate drive parameters and on MOSFETs’ physical parameters
– the cost of MOSFETs increases with current rating, and in general is higher for MOSFETs with low drain-to-source on resistance RDS and with total gate charge Qg.
– several MOSFETs families made with different technologies (thenchFETs, DirectFETs, Asymmetrical FETs, HEXFETs, etc) are available in the market from different manufacturers which offer different combinations of physical parameters values
– high-side and low-side MOSFETs in buck-SR are characterized by different loss balance depending on operated input/output voltage and output current.
Thus, the question is: how to approach the choice of MOSFETs if most of the elements of choice are unknown and depend on designers’ assumptions and on the characteristics of physical devices to be chosen?
To solve the problem, we may start by adopting a complete model of high-side and low-side MOSFETs losses. Technical literature offers different MOSFETs models. Without entering in mathematical details, we can note that the most important parameters to take into account are the drain-to-source on resistance (RDS) and the total gate charge Qg for high side MOSFET and drain-to-source on resistance (RDS) and input capacitance Ciss for MOSFET low side. A careful choice of loss models, allows to figure out plots of the RDS vs Qg e Ciss related to constraints and specifications ad designers choice: these plots, showed along with the pairs of correspective parameters of the commercial available devices, help exploring design space options and selecting the more appropriate physical devices and design tipology: in other words, help finding the “best” design solution.
Moreover, the same design-oriented analysis approach can be applied to capacitors and inductors by means of proper design constraint curves, by relating the main physical parameters of each device with the application specifications, to be matched with the curves of constraints between the same physical parameters obtained from manufacturers parameters lists.
How to figure out these design constraint curves?
Which device’s physical parameters are best suited for this analysis?
Which converter’s operating parameters can/must be considered as variables?
How to put together all the design constraint curves to figure out optimal sets of design constraints and physical devices for the given application’s specifications?
All these topics, and more, will be discussed in Segment One” HIGH CURRENT BUCK SWITCHING POWER SUPPLY DESIGN” of incoming National’s Power Design Technical Courses.

Nicola Femia Professore Ordinario, Circuiti Elettronici di Potenza, Università di Salerno (Full Professor, Power Electronics, University of Salerno)

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