Potenza in modulo o discreta?

Oggi i progettisti stanno avvertendo la pressione per fare di più in meno tempo, essere esperti in più discipline e usare le risorse di cui dispongono in modo più efficiente per massimizzare i profitti. Questo ambiente sta cambiando il modo in cui i progettisti si dedicano alla ricerca di soluzioni per le sfide più pressanti che devono affrontare, specie quando si tratta della ineludibile necessità di fornire alimentazione.

La maggior parte delle aziende oggi non dispone delle risorse economiche o tecniche per destinare un team interno allo sviluppo di alimentatori specifici per le esigenze di ogni singolo progetto. Al contrario, uno degli sviluppatori di un progetto in genere si vede affidare l'incarico (o gli viene "scaricato" il compito, come è spesso il caso) di trovare un alimentatore idoneo per le esigenze dell'applicazione. In questa situazione, si trova generalmente di fronte alla scelta se dedicare il proprio tempo allo sviluppo di un alimentatore partendo da componenti discreti, oppure utilizzare un modulo pre-progettato di un fornitore esterno. Non è certamente un nuovo dilemma, ma vista l'accelerazione dei cicli di progettazione e il fatto che le applicazioni in tutti i settori richiedono più potenza in meno spazio, la risposta a questa annosa questione continua a cambiare.

Densità di potenza

Uno dei compromessi più degni di nota tra le soluzioni con componenti discreti e i moduli pre-progettati riguarda lo spazio che occupano e la relativa densità di potenza che producono. La densità di potenza riguarda il numero di watt di energia convertiti per volume di spazio occupato; in genere è specificata come watt per centimetro cubo (W/cm³). La maggior parte dei settori oggi continua a richiedere apparecchiature con potenza di elaborazione, capacità di rilevamento e funzionalità sempre crescenti. Tuttavia, lo spazio assegnato per svolgere tali compiti non sta aumentando e in molti casi anzi si richiede di comprimerlo. Questo sta aumentando l'esigenza di maggiore densità e di soluzioni più integrate; il sistema di erogazione dell'energia non fa eccezione.

I moduli di alimentazione di serie spesso sono ottimizzati per le dimensioni e possono erogare il numero massimo di watt nel minor spazio. A titolo di esempio, la Figura 1 sotto illustra gli alimentatori c.a./c.c. a telaio aperto serie VMS-365 di CUI, che offrono una densità di potenza fino a 1,1 W/cm³.

Figura 1: VMS-365 di CUI è un alimentatore c.a./c.c. a telaio aperto che eroga fino a 1,1 W/cm³.

All'altro capo dello spettro vi sono alimentatori che sono progettati direttamente sulla PCB di sistema con componenti discreti. In queste soluzioni spesso vi sono esigenze in competizione per lo spazio tra la soluzione di alimentazione e il resto delle funzionalità della PCB del sistema. Dato che gli alimentatori richiedono componenti ingombranti e di grandi dimensioni, può essere difficile riunire tutti i componenti in una soluzione a livello di scheda, e questo porta a densità di potenza molto più basse. Ciò è particolarmente vero quando le applicazioni sono progettate con l'intenzione di mettere i componenti su un solo lato della PCB. Senza la possibilità di utilizzare il retro della PCB di sistema, la soluzione a componenti discreti tenderà ad estendersi e a consumare prezioso spazio della PCB.

In queste circostanze, in cui la PCB di sistema può avere i componenti su un solo lato, i moduli pre-progettati possono offrire sensibili risparmi di spazio, specie se nell'applicazione è disponibile spazio verticale per sfruttare l'asse Z, che è l'area perpendicolare alla superficie della PCB di sistema. Questo aumenta moltissimo il valore di un modulo già pronto, che è ottimizzato per le dimensioni e offre una soluzione plug-and-play. La Figura 2 sotto illustra la riduzione dell'area della PCB occupata quando un progetto passa da una soluzione di alimentazione discreta su un solo lato a una su due lati, e infine a un modulo pre-progettato, in grado di sfruttare al meglio lo spazio nell'asse Z sopra la PCB.

Figura 2: Un esempio dello spazio su scheda occupato da soluzioni a componenti discreti e modulari.

Ottimizzazione del progetto

Gli ingegneri che ogni anno progettano vari alimentatori a componenti discreti è probabile che mettano insieme una serie di componenti "go-to" di facile comprensione e affidabili. Tuttavia, per la maggior parte di loro l'idea di progettare alimentatori di questo tipo può essere alquanto sconfortante e gravosa da implementare in modo tempestivo. Di conseguenza, per accelerare il processo spesso si rivolgono a progetti di riferimento di diversi fornitori di componenti. I fornitori di componenti di potenza fanno ciò che possono per contribuire a specificare una distinta base, raccomandazioni di layout e pratiche di progettazione ottimali, ma ogni applicazione è diversa dalle altre e spesso richiede che l'ingegnere si discosti dal progetto di riferimento per far fronte ai vincoli di spazio e di prestazioni, a quelli termici o ai requisiti EMI della sua applicazione. Questo comporta il rischio di incorrere in complicazioni, in termini di costi e tempo nonché di prestazioni.

Ad esempio, una nuova applicazione potrebbe richiedere solo una PCB a due livelli con rame da 28 g, ma il progetto di riferimento scelto per la soluzione a componenti discreti consiglia 4 livelli con rame da 57 g. Esiste l'opzione di raddoppiare i livelli della PCB e il peso del rame dell'intera scheda dell'applicazione, ma i costi del progetto sono in questo caso notevoli. Inoltre, non va dimenticato il fattore tempo richiesto per ordinare attentamente i piani della potenza e ottimizzare le tracce per i componenti discreti secondo le raccomandazioni del fornitore del controller.

I moduli di alimentazione già pronti, invece, permettono ai progettisti di avere il meglio di entrambi i mondi; possono progettare la PCB di sistema utilizzando il minor numero di livelli e la quantità minima di rame e, al contempo, sfruttare il modulo per semplificare e ottimizzare le esigenze di conversione di potenza. Invece di impegnare moltissimo tempo a tener traccia di tutti i fornitori di componenti discreti, a disporre i piani della potenza, a tenere sotto controllo l'anello di retroazione e a vigilare per tenere lontani i nodi degli interruttori dal circuito analogico sensibile, i progettisti possono semplicemente scegliere un modulo pre-progettato di dimensioni idonee e concentrare i propri sforzi su altri compiti riguardanti il progetto.

Ne è un esempio la serie PBO-5 di convertitori c.a./c.c. da 5 W di CUI illustrata sotto. Questi moduli compatti offrono soluzioni semplici per montaggio su scheda per convertire l'alimentazione della linea a c.a. in un rail c.c. per vari circuiti elettrici (disponibile in tensioni di uscita tra 3,3 e 24 V c.c.). Questi moduli PBO sono certificati UL e CE, offrono una tensione di isolamento di 3 kV c.a. e una protezione da sovracorrente e cortocircuiti, il tutto in un comodo contenitore SIP ultracompatto.

Figura 3: La serie SIP PBO c.a./c.c. da 5 W di CUI è stata ottimizzata per sfruttare l'asse Z, con una notevole riduzione dello spazio su scheda.

Validazione della progettazione

I test di qualificazione e la validazione del progetto di un alimentatore sono ulteriori fattori che un progettista deve tenere in considerazione al momento di decidere tra una soluzione a componenti discreti o un modulo. L'esecuzione di tutti i test di validazione necessari per un progetto a componenti discreti non è compito da poco, richiede infatti molto tempo e impegno. Un ingegnere potrebbe passare settimane a progettare e a risolvere i problemi di un progetto, il cui costo e la cui linea del tempo aumenteranno a ogni eventuale ulteriore sviluppo della scheda. Per contro, i moduli di serie sono stati pre-testati, pre-qualificati e spesso pre-certificati per la sicurezza e gli standard EMI applicabili che il sistema di alimentazione richiederà di rispettare. Selezionando un modulo di alimentazione pre-certificato, spesso è possibile accelerare il processo di certificazione dell'applicazione finale.

Un'altra considerazione quando si progetta una soluzione a componenti discreti riguarda il fatto che, in quasi tutti i casi, non saranno disponibili dati sull'affidabilità storica e sulle prestazioni per aiutare le analisi metriche come quelle che riguardano rendimento e percentuale di guasti. Questo, a sua volta, introduce un altro livello di rischio nel processo di progettazione. I moduli in genere sono accompagnati da uno storico tracciabile sulla qualità dato dal fornitore dell'alimentatore, che permette ai progettisti di esaminare una soluzione pre-progettata prima di inserirla nella propria applicazione.

Riepilogo

Va detto che i moduli pre-progettati saranno quasi sempre più costosi delle implementazioni a componenti discreti, se si tiene conto rigorosamente della distinta base. Questo è il motivo per cui molte aziende che sviluppano un gran numero di applicazioni spingono i propri team di progettazione verso questa soluzione. In base a fattori come il costo della distinta base desiderato, i requisiti applicativi e le capacità interne, una soluzione discreta potrebbe benissimo essere il prodotto ideale. Tuttavia, quando si analizza il costo di un progetto è imprescindibile tener conto di tutte le risorse associate, compresi tempo di progettazione, tempo e strumenti di simulazione, tempo di layout, requisiti della PCB host, tempo di valutazione e costi di apparecchiature indispensabili, oltre al costo della sola distinta base. Per molte società, quando i progetti vengono analizzati da questo livello superiore l'uso di moduli di alimentazione pronti per l'uso permette di mandare in produzione i progetti in tempi più brevi, con minori rischi, minori preoccupazioni e costi complessivi più bassi. Potrebbero non essere la risposta per ogni applicazione, ma per le ragioni ricordate sopra, i moduli di alimentazione continuano a riscuotere un favore crescente in un numero sempre maggiore di progetti.