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Le sfide degli Alimentatori

Le soluzioni di alimentazione più efficienti sono aumentate a causa dell’aumento della domanda di sistemi di accumulo di energia (ESS), alimentatori portatili, gruppi di continuità (UPS) e veicoli elettrici (EV). Gli alimentatori svolgono quindi un ruolo importante nel garantire l’assoluta affidabilità dei dispositivi che ci circondano nella vita quotidiana, dagli ambienti di lavoro agli spazi privati delle nostre case, oltre a tutti i nostri veicoli e mezzi di trasporto, sia civili che militari. In realtà, è difficile trovare una tecnologia altrettanto importante per il funzionamento di ogni aspetto del nostro mondo.

Efficienza e Stabilità

Gli alimentatori per la conversione di potenza affrontano diverse sfide nel loro design e funzionamento. Ecco alcune delle sfide comuni associate agli alimentatori di conversione di potenza:

1. Efficienza energetica: Uno degli obiettivi principali nella progettazione degli alimentatori è massimizzare l’efficienza energetica. L’efficienza si riferisce alla quantità di energia elettrica in ingresso che viene convertita in energia utilizzabile senza essere dissipata come calore. Ridurre le perdite di potenza durante la conversione è essenziale per ridurre i costi operativi e l’impatto ambientale dell’alimentatore.

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2. Gestione del calore: Gli alimentatori di conversione di potenza generano calore come sottoprodotto del processo di conversione. La gestione termica (thermal management) è fondamentale per garantire il corretto funzionamento e la lunga durata dell’alimentatore. L’accumulo di calore può influire negativamente sull’efficienza energetica e sulla durata dei componenti elettronici. Pertanto, è necessario progettare adeguati sistemi di dissipazione del calore, come dissipatori di calore, ventole o sistemi di raffreddamento a liquido.

3. Dimensioni e peso: Negli ambiti in cui gli alimentatori sono utilizzati, come l’elettronica di consumo, le telecomunicazioni o i veicoli, le dimensioni e il peso sono fattori critici. Ridurre le dimensioni e il peso dell’alimentatore senza compromettere le prestazioni e l’affidabilità rappresenta una sfida significativa. L’utilizzo di tecnologie di conversione ad alta frequenza e l’ottimizzazione del layout del circuito possono contribuire a ridurre le dimensioni e il peso complessivi.

4. EMI (Interferenza Elettromagnetica): Gli alimentatori di conversione di potenza possono generare interferenze elettromagnetiche indesiderate che possono influenzare il corretto funzionamento di altri dispositivi elettronici. Per soddisfare le normative sull’EMI e garantire un funzionamento affidabile, è necessario progettare l’alimentatore con adeguate misure di filtraggio e schermatura elettromagnetica.

5. Stabilità e regolazione: Gli alimentatori devono fornire tensioni di uscita stabili e regolate in modo accurato, indipendentemente dalle variazioni nella tensione di ingresso, dal carico applicato e dalle condizioni ambientali. La progettazione di circuiti di controllo e regolazione sofisticati è fondamentale per garantire la stabilità e la precisione delle tensioni di uscita.

6. Protezione e sicurezza: Gli alimentatori devono essere progettati per fornire protezione dagli eventi indesiderati come sovraccarichi, cortocircuiti, sovratensioni o sovracorrenti. La sicurezza degli utenti e la protezione dei dispositivi collegati dipendono dalla corretta implementazione di sistemi di protezione e di isolamento galvanico.

7. Costo e redditività: Gli alimentatori di conversione di potenza devono essere progettati in modo da raggiungere un equilibrio tra prestazioni, funzionalità e costo. L’obiettivo è fornire un alimentatore affidabile ed efficiente a un prezzo competitivo sul mercato.

Le sfide nell’alimentazione di conversione di potenza richiedono una combinazione di competenze ingegneristiche, tecnologie avanzate e conoscenze sulle normative di settore per affrontarle con successo.

Figura 1: Mercato Globale

Wide Bandgap

Gli alimentatori basati su tecnologie a gap largo stanno diventando sempre più popolari a causa dei loro vantaggi in termini di efficienza energetica, densità di potenza e affidabilità. I materiali a gap largo presentano una migliore conduzione termica rispetto al silicio. Possono gestire temperature più elevate senza degradarsi, consentendo una migliore gestione termica degli alimentatori. Questo contribuisce a ridurre la necessità di sistemi di raffreddamento complessi e migliorare l’affidabilità degli alimentatori.

I dispositivi a gap largo hanno tempi di commutazione più rapidi rispetto ai dispositivi al silicio. E per questo operano a frequenze di commutazione più elevate, consentendo un design più compatto e leggero degli alimentatori. Inoltre, una maggiore velocità di commutazione riduce le perdite di commutazione e migliora l’efficienza complessiva dell’alimentatore. I dispositivi a gap largo possono operare a temperature e tensioni più elevate rispetto ai dispositivi al silicio. Ciò consente di ottenere un’alta densità di potenza, cioè di erogare maggiori potenze in dimensioni fisiche più ridotte. Gli alimentatori basati su tecnologie a gap largo sono particolarmente adatti per applicazioni con limiti di spazio e peso, come l’elettronica di consumo, l’elettronica automobilistica e l’aerospaziale.

Grazie alla loro migliore stabilità termica, i dispositivi a gap largo sono adatti per applicazioni ad alta temperatura, come motori elettrici, sistemi di alimentazione per veicoli elettrici e rinnovabili. Possono funzionare in condizioni più estreme rispetto ai dispositivi al silicio, mantenendo alte prestazioni e affidabilità.

Densità di Potenza

La densità di potenza è una vera “spina nel fianco” per gli ingegneri e la richiesta di correnti sempre più elevate in corrispondenza di diversi valori di tensione, spesso molto inferiori a quelli del bus di sistema, ha portato alla domanda di regolatori buck più piccoli in grado di convertire tensioni a 48 V a 1 V in un singolo stadio con correnti di uscita di molti ampere: Questo consente loro di essere posizionati più vicino al punto di carico e, allo stesso tempo, di garantire livelli di efficienza superiori al 95%.

Elevati livelli di integrazione e conversione di potenza efficiente sono due idee abbastanza diverse perché i processi utilizzati per ottimizzare entrambi non sono sempre completamente compatibili. Nel caso in cui regolatori DC/DC erogano potenze di modesta entità a partire da intervalli di tensioni di ingresso non molto ampi o quando sono tollerati livelli di efficienza non particolarmente elevati, è possibile trovare compromessi accettabili. Sfortunatamente, i compromessi di questo tipo sono sempre meno accettabili per gli sviluppatori di sistemi.

L’integrazione di queste caratteristiche e funzioni in un unico dispositivo crea una soluzione che, oltre a soddisfare le esigenze di un numero relativamente ampio di produttori, consente di ridurre il costo della BOM. L’integrazione in questo caso è stata resa possibile dagli sviluppi nel settore dei processi di fabbricazione dei semiconduttori.

In un dispositivo di potenza, l’impatto dell’integrazione sui costi è ancora più significativo: per esempio, un’integrazione più stretta tra i componenti principali utilizzati nella conversione buck può consentire un aumento diretto dell’efficienza, che riduce i costi BOM e i consumi del sistema.

I produttori possono spesso ridurre i costi del sistema di raffreddamento grazie all’aumento dell’efficienza. In un numero crescente di applicazioni, come apparecchiature per telecomunicazioni e networking, stazioni base, automazione industriale (robotica inclusa), elettrodomestici e utensili elettrici, distributori e sportelli automatici, macchine per il gioco, alimentatori per dispositivi portatili e giocattoli, ciò può portare an una riduzione del TCO (Total Cost of Ownership – costo di possesso) del sistema.

Figura 3: Applicazione a 2 MHz 3,3 V/25 A con impiego di due LT8648S in parallelo (Source: ADI)

Automotive

I sistemi di assistenza alla guida di tipo avanzato (ADAS) stanno diventando sempre più importanti negli autoveicoli del giorno d’oggi perché migliorano la sicurezza del conducente e del percorso stradale e riducono al minimo gli errori umani. Oggi le auto sono dotate di funzioni ADAS come parcheggio automatico d’emergenza, monitoraggio degli angoli ciechi, avviso di presenza e elusione di veicoli e pedoni, avviso e assistenza per il cambio di corsia, ecc. A causa dell’aumento del numero di sensori e telecamere, del potente sistema di calcolo ed elaborazione dei dati in tempo reale e delle comunicazioni ad altissima velocità, l’evoluzione degli ADAS significa che questi nuovi veicoli consumano più energia di prima.

Il controllore buck è un metodo tradizionale per progettare un alimentatore intermedio ad alta corrente. Tuttavia, poiché questa architettura richiede l’uso di MOSFET esterni, le sue dimensioni complessive sono elevate. Di conseguenza, è difficile adattare la soluzione di alimentazione del controllore an un’area limitata; questo è un problema comune per le applicazioni ADAS nel settore automobilistico. L’emissione elettromagnetica è un altro problema causato dall’uso di alimentatori switching nei veicoli. I limiti severi all’emissione elettromagnetica irradiata e condotta imposti dall’industria automobilistica comportano sfide che i progettisti di alimentatori devono rispettare.

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica ed è ingegnere delle telecomunicazioni. Ha lavorato a vari progetti internazionali nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali, progettando un sistema di compensazione termica (TCS) e sistemi di acquisizione e controllo dati, e altri sui microfasci di raggi X in collaborazione con la Columbia University, sistemi ad alta tensione e tecnologie spaziali per comunicazioni e controllo motori con ESA/INFN. Dal 2007 è autore e revisore di pubblicazioni scientifiche per testate come il Microelectronics Journal e le riviste IEEE. Ha collaborato con diverse aziende del settore elettronico, blog e riviste italiane e inglesi, come Electronics World, Elektor, Automazione Industriale, Electronic Design, All About Circuits, Innovation Post e PCB Magazine. Ha partecipato a numerose conferenze come speaker e moderatore per diversi argomenti tecnici. Attualmente è caporedattore di Power Electronics News e EEWeb e corrispondente di EE Times. Gestisce il canale podcast powerup. Da anni collabora attivamente con FARE Elettronica come giornalista tecnico specializzato ed è Direttore Tecnico delle sessioni convegnistiche di Fortronic forte dell’esperienza maturata nell’elettronica di Potenza.