I problemi legati alla progettazione di alimentatori

Domande e risposte con Tony Armstrong – Director of Marketing – Power Products – Analog Devices – a cura di Franco Musiari

Quali sono i problemi ai quali spesso si deve far fronte nei dispositivi di alimentazione a bassa potenza?

“In genere, il progettista di un tipico alimentatore ne ha chiari i dettagli tecnici e i requisiti funzionali all’interno del prodotto finale, e dovrebbe collaborare strettamente con il progettista del layout del circuito stampato per definire questo aspetto critico sin dalla fase iniziale. Un layout ben progettato ottimizza l’efficienza dell’alimentatore, attenua lo stress termico e soprattutto, riduce al minimo il rumore e le interazioni fra tracce e componenti.

Si può pensare a un alimentatore a commutazione come consistente di due circuiti: lo stadio di potenza e il circuito di controllo dei piccoli segnali. Lo stadio di potenza include i componenti che conducono corrente elevata; in genere, questi devono essere inseriti per primi, mentre il circuito di controllo dei piccoli segnali viene collocato successivamente in un punto specifico del layout. Le tracce percorse dalla corrente elevata devono essere corte e larghe per ridurre al minimo l’induttanza, la resistenza e la caduta di tensione. Ciò è particolarmente cruciale per le tracce con corrente a impulsi per la quale il valore di/dt sia notevole.”

Quali sono i problemi ai quali occorre far fronte nei dispositivi ad alta potenza che producete?

“Sono gli stessi di cui ho parlato nella risposta precedente, ma in questo caso i livelli di potenza e le tensioni sono superiori. Ovviamente, con tensioni elevate, come quelle maggiori di 100V, occorre prestare più attenzione. Ciò nonostante, si dovrebbero tenere in considerazione i seguenti criteri:

  1. Ridurre al minimo l’area dell’estremità ad alta tensione di qualsiasi avvolgimento secondario sui componenti magnetici.
  2. Assicurare spazio sufficiente per tutti i nodi ad alta tensione (drain dei MOSFET, tensione di uscita e qualsiasi avvolgimento secondario del trasformatore) per soddisfare i requisiti relativi alla tensione di breakdown.
  3. Mantenere quanto più piccolo possibile il percorso elettrico formato dai condensatori, dal primario del trasformatore e dal drain dei MOSFET, poiché aumentando le dimensioni di questo percorso si aumenta effettivamente l’induttanza di dispersione del trasformatore e ne può risultare una condizione di sovratensione.”

 Per quanto riguarda la sicurezza dell’alimentazione di un sistema elettronico, quali ulteriori misure possono essere adottate dai produttori di circuiti integrati per migliorare la sicurezza dei prodotti finali?

“Uno dei modi in cui i produttori di circuiti integrati possono migliorare la sicurezza dei prodotti finali consiste nel progettare i dispositivi tenendo presente le considerazioni sulla sicurezza sin dalle fasi iniziali della progettazione. A tal fine è stata emessa un’apposita norma nel settore automotive, la ISO26262.

Questa norma è stata sviluppata secondo un approccio top-down alla progettazione, con lo scopo di far fronte agli importanti problemi a cui attualmente possono essere soggetti i veicoli stradali: la sicurezza di nuovi sistemi elettrici ed elettronici e la funzionalità software devono tenere il passo con la complessità crescente dei contenuti software e l’implementazione della meccatronica, per ridurre il rischio di guasti sistematici e/o di guasti hardware casuali che comportino eventi pericolosi per l’operatore.”

La vostra azienda offre molte soluzioni nel campo degli autoveicoli, la più nota delle quali è rappresentata dai nuovi chip di gestione delle batterie. Quali misure avete adottato nell’area della sicurezza dell’alimentazione in relazione a questa tipologia applicativa?

“Una norma proposta recentemente nel settore automotive, la LV148, combina un bus da 48V secondario con il sistema a 12V preesistente. La linea di alimentazione a 48V include un generatore a motorino integrato (ISG, integrated starter generator) o un generatore con avviamento a cinghia, una batteria agli ioni di litio da 48V e un convertitore CC/CC bidirezionale per l’erogazione di un livello notevole dell’energia disponibile, fino a 10kW, dalle batterie a 48V e 12V combinate. Questa tecnologia è mirata sia alle automobili convenzionali, dotate di motore a combustione interna, sia ai veicoli con propulsore elettrico a ibridizzazione piena e leggera, poiché le case automobilistiche sono impegnate a rispondere ai requisiti sempre più rigorosi sulle emissioni di CO2.

In base a questa nuova norma, il bus a 12V continuerà ad alimentare i sistemi di accensione, illuminazione, infotainment e audio, mentre il bus a 48V alimenterà i sistemi di sospensione attiva, i compressori dell’impianto di climatizzazione, i sistemi delle sospensioni regolabili, i turbocompressori o i compressori volumetrici elettrici e supporterà anche i sistemi di frenata rigenerativa. La decisione di usare un bus a 48V aggiuntivo, che si prevede sarà presto disponibile in tutti i modelli di produzione, consentirà anche di facilitare l’avvio del motore, rendendo più regolare la sequenza di arresto-avvio. Non solo: una tensione più elevata fa sì che siano necessari cavi di sezione inferiore; si riducono quindi le dimensioni e il peso dei cavi.”

Quali vantaggi offrono le soluzioni di potenza offerte da Linear?

“I prodotti Power by Linear µModule (micromodulo) costituiscono soluzioni complete SiP (System in a Package) di gestione della potenza che riducono al minimo il tempo di progettazione e risolvono il problema frequente dello spazio sulla scheda, della dissipazione termica nonché i problemi di densità; incorporano controller CC/CC, transistor di potenza, condensatori di ingresso e uscita, induttori e componenti di compensazione in un compatto package BGA o LGA a montaggio superficiale. Utilizzando i prodotti micromodulo Power by Linear si può ridurre notevolmente il tempo necessario per completare il processo di progettazione, sino al 50% a seconda della complessità del progetto. La famiglia µModule trasferisce le difficoltà, inerenti al progetto, della selezione dei componenti, dell’ottimizzazione e dell’ideazione del layout, dal progettista al dispositivo, riducendo il tempo complessivo di progettazione e di risoluzione dei problemi del sistema, e in ultima analisi il tempo di immissione sul mercato.”

Quali sono le tendenze nel segmento delle tensioni e del livello di carica della batteria dei dispositivi portatili?

“La divisione Power by Linear produce una linea completa di circuiti integrati per caricabatteria dalle prestazioni elevate, pensati per qualsiasi composizione chimica di batterie ricaricabil, litio-ione, piombo-acido e nichel, e per molti tipi di apparecchi portatili alimentati a batteria.

Per esempio, i circuiti integrati LTC4089 e LTC4089-5 (vedere Figura 1) assicurano tutti i possibili vantaggi integrando un regolatore a commutazione buck da 1,2A monolitico ad alta tensione e ampio range di ingresso (da 6V a 36V con massimo assoluto di 40V) e un caricabatteria/circuito di gestione della potenza USB in un compatto package di 3mm × 6mm con dissipatore avanzato. La tensione di uscita del regolatore buck dell’LTC4089 segue la tensione della batteria con uno scarto non superiore a 300mV. Questa funzione Bat-TrackTM riduce al minimo la dissipazione complessiva di potenza. Il modello LTC4089-5 presenta una tensione di 5V costante al terminale OUT quando la potenza è applicata a HVIN. Quando la potenza viene erogata dalla porta USB, il circuito di gestione della potenza massimizza la potenza disponibile al carico del sistema, fino alla massima potenza USB disponibile, pari a 2,5W. Regola automaticamente la corrente di carica della batteria agli ioni di litio rispetto alla corrente sul carico del sistema per mantenere la corrente d’ingresso totale entro i limiti USBspecificati.”

Figura 1. Gestione di batteria con ingresso USB e alta tensione.
Redazione Fare Elettronica