Progettazione di un convertitore buck multifase con controllo digitale

Negli ultimi decenni, la complessità dei server e dei sistemi informatici è aumentata insieme ai requisiti di alimentazione (Power Delivery, PD). Ciò rende la progettazione del regolatore più impegnativa perché richiede un compromesso tra una maggiore efficienza e una rapida risposta dinamica, nonché tra una ridotta perdita di potenza e le dimensioni dei MOSFET.

I server richiedono alimentatori con alta corrente, bassa tensione ed una veloce risposta ai transitori, di conseguenza questi dispositivi devono funzionare a frequenze molto più elevate rispetto ad altre applicazioni. Per soddisfare queste esigenze, risulta fondamentale far funzionare più convertitori buck in parallelo, chiamati convertitori buck multifase, per pilotare un carico comune. I convertitori buck multifase sono comunemente utilizzati nei settori dei server e delle telecomunicazioni per soddisfare requisiti di alimentazione ad alta potenza.

Vantaggi dei convertitori buck multifase

La frequenza fondamentale di switching del convertitore viene di fatto moltiplicata per il numero di fasi che utilizza. Ciò consente al convertitore di funzionare a frequenze molto elevate potendo, quindi, soddisfare requisiti di corrente più elevati con componenti più piccoli e capacità di uscita di valore inferiore.

Un convertitore buck deve avere una risposta transitoria veloce, ovvero deve essere in grado di trasferire rapidamente energia dall’ingresso all’uscita: per un progetto monofase occorre una piccola induttanza, che può creare elevati e fastidiosi ripple di corrente. Azionando il carico utilizzando convertitori in parallelo (con ciascun ramo operante con un uguale sfasamento), vengono ridotte sia le ondulazioni di tensione a regime sia i valori efficaci delle correnti di ingresso ed uscita, rendendo possibile utilizzare capacità di ingresso e uscita di valore inferiore.  Questa cancellazione del ripple di corrente permette di impiegare in modo efficace un’induttanza più piccola, riducendo anche i picchi di tensione transitori. Ciò si verifica grazie all’effetto di moltiplicazione della frequenza, in cui l’ampiezza dell’ondulazione è divisa per il numero N di rami e la sua frequenza è N volte maggiore. Ad esempio, un’applicazione a 4 fasi comporta un’ondulazione di corrente di uscita totale (IOUT = IO1 + IO2 + IO3 + IO4) quattro volte inferiore e una frequenza di ripple quattro volte maggiore rispetto alla singola fase, come mostrato in Figura 1.

Figura1: Corrente di uscita e negli induttori

Un convertitore multifase migliora inoltre anche l’efficienza termica del convertitore: distribuendo la corrente su più fasi, viene condivisa anche la dissipazione di potenza. Ciò riduce al minimo lo stress termico su ciascuno dei rami, riduce le dimensioni del dissipatore di calore e rende la soluzione totale più conveniente.

Sfide progettuali dei convertitore buck multifase

I convertitori multifase sono fondamentali per fornire livelli di potenza elevati con tempi di risposta molto rapidi. Tuttavia, in alcune applicazioni, come gli alimentatori per server, la potenza richiesta dal sistema varia notevolmente. Ad esempio, se la corrente di uscita è 100 A, tutte le fasi sono necessarie per fornire la corrente, ma se la corrente scende a 10 A, un numero eccessivo di fasi smorzerà l’efficienza a causa delle perdite di commutazione negli interruttori di alimentazione aggiuntivi.

Implementazione di controllori digitali

I controllori digitali possono migliorare ulteriormente l’efficienza adottando metodi di controllo, come lo sfasamento adattivo e il controllo di fase, che ne modificano il valore in base alla corrente di carico. I progettisti possono utilizzare queste strategie per ottenere un’efficienza target desiderata nell’intero intervallo di corrente di carico.

Selezione driver e MOSFET

Nella maggior parte dei convertitori multifase, ciascuna fase è progettata per limitare la corrente di picco a circa 40 A. Tuttavia, le innovazioni nel settore hanno portato a soluzioni in grado di gestire correnti di picco significativamente più elevate, con dispositivi come l’MP86957 che forniscono corrente continua fino a 70 A. Questa regola di progettazione dipende anche da altri parametri, come i vincoli di spazio o l’uso di dissipatori di calore e le loro proprietà termiche.

Per approfondimenti consultare l’articolo originale al link:

https://www.powerelectronicsnews.com/designing-a-multi-phase-buck-converter-with-digital-controllers/

Redazione Fare Elettronica