I piccoli moduli di potenza step-down semplificano la decisione dei progettisti tra il "fare o acquistare". Scelta

I dispositivi elettronici sono onnipresenti ed incorporati in qualsiasi prodotto, dall'Internet delle cose (IoT), ai dispositivi medico-clinici e indossabili, agli edifici intelligenti, ai sensori intelligenti e alla miriade dei prodotti di consumo. Sia che la loro fonte di alimentazione primaria sia un convertitore c.a./c.c. di rete o una batteria, la sfida è quella di fornire a questi dispositivi uno o più rail di alimentazione c.c. a bassa tensione, correttamente regolati. Oltre alla funzione primaria di fornire la regolazione - spesso lavorando di un ampio intervallo della tensione di ingresso - il sottosistema c.c./c.c. step-down in questi dispositivi deve essere piccolo, efficiente, elettricamente silenzioso e soddisfare severi requisiti normativi.

I progettisti hanno due chiare opzioni per fornire l'alimentazione c.c.: possono progettare e costruire ("fare") il proprio sottosistema c.c./c.c. oppure possono scegliere di acquistare un modulo già pronto per l'uso e completo. Il "fare" ha i suoi vantaggi in termini di personalizzazione, ma può aumentare i costi e causare ritardi, poiché la progettazione dell'alimentatore combina tecnologia, artigianato, arte e un po' di fortuna. Fino a poco tempo fa, la soglia decisionale era tale che l'acquisto di alimentatori di alta gamma (100 W) e di media gamma (da 10 W a 100 W) aveva senso dal punto di vista tecnico e dei costi, mentre nella fascia bassa (10 W) la decisione propendeva spesso per il "fare". I progettisti potevano realizzare la propria unità di step-down utilizzando un regolatore in CI a bassa caduta di tensione (LDO) oppure del tipo a commutazione, più alcuni componenti passivi esterni.

Ora, tuttavia, a causa di una combinazione di esigenze di time-to-market sempre più pressanti, combinate con innovazioni che vertono verso moduli minuscoli e completi, la decisione di acquisto è molto più attraente e sensata, anche ai livelli di potenza più bassi.

Questo articolo esamina i parametri chiave, i requisiti di prestazione e le soluzioni relative alla bassa potenza c.c./c.c., utilizzando ad esempio la famiglia Himalaya uSLIC dei moduli di potenza c.c./c.c. step-down di Maxim Integrated.

Le prestazioni di base sono solo l'inizio

Come per altre fonti di alimentazione, i regolatori c.c./c.c. a basso consumo sono inizialmente caratterizzati da alcuni parametri di base: intervallo della tensione di ingresso, impostazione della tensione di uscita (fissa o regolabile) e corrente di uscita massima. Questi sono i parametri di partenza. Ci sono ulteriori fattori legati alla qualità, tra cui la regolazione e la stabilità sotto carichi variabili, la corrente di ripple e le prestazioni transitorie. Ci sono anche importanti caratteristiche come il blocco di sottotensione (UVLO), la protezione da cortocircuiti e termica, la protezione da sovratensione (OVP) e la protezione da sovracorrente (OCP).

L'elenco dei parametri importanti comprende anche l'efficienza operativa. In alcuni casi, l'elevata efficienza è necessaria per soddisfare i mandati normativi sull'ecocompatibilità, anche se queste normative non sono così rigorose per le fonti di alimentazione di fascia bassa come lo sono per quelle di fascia media e alta. Una maggiore efficienza aiuta anche a prolungare i tempi di esercizio in applicazioni alimentate a batteria ed è importante in condizioni di carico nominale e di basso carico, così come in modalità quiescente. Anche quando esiste una linea in c.a. come fonte primaria e il tempo di esercizio non è determinato dall'efficienza, è comunque fondamentale ridurre al minimo la dissipazione di energia e il carico termico.

Anche le considerazioni relative alle interferenze elettromagnetiche (EMI) sono un fattore determinato dalle normative, in due modi:

• In primo luogo, i regolatori c.c./c.c. non devono essere suscettibili alle EMI "in entrata" e al rumore, in quanto queste influenzerebbero le loro prestazioni e qualsiasi componente alimentino.
• Non devono essere sorgenti di EMI condotte e irradiate, con i limiti di EMI consentiti in funzione dell'applicazione finale (es., prodotto consumer, automotive, industriale e medicale), dell'intervallo di potenza e della frequenza.

Ottenere la certificazione di un prodotto per soddisfare i vari mandati EMI è un processo complicato e dispendioso in termini di tempo che richiede esperienza sia di progettazione che di test.

Nessuna discussione sulle esigenze delle funzioni del regolatore di potenza può ignorare altri due fattori: le dimensioni e il costo. In generale, più piccolo è, meglio è e questo vale spesso, anche se potrebbe non essere una priorità assoluta per i prodotti con fattori di forma più grandi. Un costo inferiore è sempre ben accetto, ovviamente, anche se la sua importanza relativa è determinata dai requisiti dell'applicazione.

La decisione se "fare o acquistare" si basa su nuovi criteri di valutazione

Si deve chiaramente scendere a compromessi tra la decisione di acquistare o di fare, che implica la considerazione di alcuni fattori sottostanti. Ad esempio, quanto vale la pena spingere verso una soluzione più piccola? Quanto sforzo giustifica un miglioramento delle prestazioni lungo un asse? Ad esempio, un regolatore a commutazione da 2 MHz è più piccolo della versione da 1 MHz con specifiche di base comparabili, ma la sua efficienza è probabilmente inferiore a causa delle maggiori perdite alla frequenza più alta.

Dati i numerosi CI di regolazione c.c./c.c. ad alte prestazioni, apparentemente facili da usare, disponibili per livelli di potenza inferiori, può sembrare che "fare" sia la decisione più sensata. Tuttavia, nella realtà questo non è sempre detto. Questo per via di una serie di fattori, tra cui le numerose esigenze poste sulle prestazioni del circuito e i rischi associati al "fare", tra cui la catena di produzione, le difficoltà di approvvigionamento dei dispositivi passivi associati e i rigorosi requisiti di test/certificazione.

Un induttore dipana la matassa

I regolatori di commutazione richiedono un piccolo induttore per l'immagazzinaggio dell'energia, che non può essere fabbricato su chip. In linea di principio, un induttore è un componente quasi banale e il suo modello iniziale si caratterizza semplicemente per la sua induttanza e la sua resistenza in c.c. Una volta che il progettista ha i valori di questi due fattori, in teoria può procedere con la modellazione e la progettazione del regolatore c.c./c.c.

Ma nella pratica le cose non sono così semplici, e anche un modello semplificato "migliorato" di un induttore incorpora l'autocapacità in funzione della frequenza (Figura 1).

Figura 1: Anche il semplice circuito equivalente di un induttore ha alcune complessità e il suo modello cambia con la frequenza di funzionamento dell'induttore. (Immagine per gentile concessione di Springer Nature Switzerland AG)

Non esiste un solo modello "giusto" e i modelli avanzati e altamente dettagliati includono ulteriori elementi parassiti difficili da valutare (Figura 2).

Figura 2: All'aumentare della frequenza di utilizzo dell'induttore, il circuito equivalente sviluppa molte più sottigliezze, alcune delle quali sono in funzione del posizionamento dell'induttore, dei componenti vicini e della scheda CS. (Immagine per gentile concessione di Sonnet Software, Inc.)

Le dimensioni fisiche e il posizionamento dell'induttore complicano il modello e anche un leggero spostamento di posizione o di orientamento modifica la precisione del modello e influenza le prestazioni, le EMI e l'efficienza. Poiché le frequenze di commutazione si estendono nell'ordine dei megahertz, i modelli devono essere sempre più capaci di catturare questi fattori aggiuntivi.

Inoltre, c'è una questione che gli ingegneri esperti possono attestare: a volte gli acquisti o gli impianti di produzione sostituiscono un componente con uno simile di un altro fornitore e diverso dal modello che l'ingegnere ha richiesto sulla distinta base. Questa "innocente" sostituzione potrebbe non sembrare un problema, dato che le specifiche di primo livello delle due unità sono identiche. Tuttavia, le specifiche secondarie del componente sostitutivo possono differire in modo tale che le prestazioni del regolatore c.c./c.c. cambiano da quelle del modello usato per la realizzazione, i test e le approvazioni.

Per queste ed altre ragioni, il percorso del "fare" fai-da-te utilizzando uno dei tanti circuiti integrati di regolazione disponibili e alcuni componenti passivi è sempre più rischioso per quanto riguarda le prestazioni, la conformità e il time-to-market. Questo contribuisce a fare dell'acquisto una considerazione molto interessante se si utilizzano valide alternative.

Il punto di equilibrio pende in favore dell'acquisto

Il panorama degli acquisti in questa fascia di potenza inferiore è cambiato radicalmente negli ultimi anni. I progettisti possono ora scegliere tra un'ampia gamma di dispositivi della famiglia di moduli di potenza c.c./c.c. step-down Himalaya uSLIC di Maxim Integrated. Questi moduli non hanno compromessi prestazionali e dimensionali, né i rischi insiti nella decisione di "fare".

La famiglia Himalaya uSLIC comprende due unità a uscita fissa, MAXM17630 (uscita a 3,3 V) e MAXM17631 (uscita a 5 V), così come il resistore regolabile MAXM17632 (uscita da 0,9 V a 12 V) - tutti con capacità di corrente di 1 A. Ognuno di questi moduli c.c./c.c. step-down sincroni comprende un controller integrato, MOSFET, componenti di compensazione e induttore. La compensazione integrata in tutto l'intervallo della tensione di uscita elimina la necessità di componenti di compensazione esterni, spesso difficili da selezionare in quanto devono essere abbinati alle modalità operative dei regolatori.

I moduli funzionano in un ampio intervallo di ingresso da 4,5 V a 36 V; altri moduli uSLIC sono disponibili per il funzionamento da ingressi fino a 60 V, utile per progetti industriali. La precisione di regolazione della tensione di retroazione della famiglia di moduli è di ±1,2%. I moduli includono una protezione da sovratemperatura e sono specificati per una temperatura ambiente di funzionamento da -40 °C a +125 °C.

Questi moduli richiedono solo pochi resistori esterni non critici e condensatori ceramici a basso costo per funzionare e stabilire le caratteristiche di funzionamento (Figura 3).

Figura 3: MAXM17631 fa parte della famiglia Himalaya uSLIC di moduli di potenza c.c./c.c. step-down di Maxim, facili da configurare e utilizzare; si noti la mancanza di un induttore visibile. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Sono "solo hardware" senza alcuna porta di avvio o di configurazione software. Non sono CI ma gli assomigliano. L'induttore interno è incapsulato all'interno del minuscolo contenitore a 16 pin, profilo ribassato, 3 × 3 × 1,75 mm, con una piazzola termica integrata sul lato inferiore (Figura 4).

Figura 4: I componenti della famiglia Himalaya uSLIC di Maxim misurano solo 3 × 3 × 1,75 mm con 16 pin; i contenitori hanno anche una piazzola termica sul lato inferiore per semplificare la dissipazione di calore. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Nonostante le loro piccole dimensioni, i moduli Himalaya uSLIC offrono prestazioni elevate, facilità d'uso e flessibilità di configurazione. Supportano il funzionamento a frequenza regolabile da 400 kHz a 2,2 MHz con la possibilità di sincronizzazione esterna del clock. Inoltre, elimina ogni dubbio sul superamento dei severi mandati EMI, in quanto le unità sono conformi a CISPR 22 (EN 55022) Classe B per i requisiti su emissioni irradiate e condotte (Figura 5 e Figura 6).

Figura 5: I componenti della famiglia Himalaya uSLIC di Maxim soddisfano facilmente il limite di emissioni condotte CISPR 22 (EN 55022) Classe B. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Figura 6: I componenti della famiglia Himalaya uSLIC di Maxim rientrano anche nella classe B di CISPR 22 (EN 55022) per le emissioni irradiate. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Soddisfano anche gli standard JESD22-B103, B104 e B111 per caduta, urti e vibrazioni. Ottenere tutto questo in un progetto creato da zero è un onere aggiuntivo alla soddisfazione dei requisiti di prestazioni elettriche.

Perché non utilizzare invece un LDO?

I regolatori a bassa caduta (LDO) sono ampiamente utilizzati ogni anno in milioni di esemplari e soddisfano le esigenze di molte applicazioni. Sono facili da applicare e non presentano pressoché alcun rumore in uscita. Tuttavia, la loro efficienza diminuisce con l'aumentare della corrente che erogano e con l'aumentare del differenziale di tensione tra il loro rail di alimentazione e la loro uscita. In molte applicazioni a potenza inferiore possono sembrare una soluzione ragionevolmente interessante per fornire un'uscita regolata nonostante penalizzino dell'efficienza.

Spesso però non è così. Si consideri l'esempio di un sensore di prossimità ottico con vincoli di spazio che richiede 5 V a 80 mA da un'alimentazione nominale di 24 V c.c. (cioè, tra 19,2 e 30 V c.c.) (Figura 7).

Figura 7: Un piccolo modulo uSLIC può essere utilizzato per fornire efficacemente i 5 V a 80 mA richiesti in questo esempio di compatto sensore di prossimità ottico. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Una sintesi di un'analisi comparativa usando un LDO standard rispetto al modulo di alimentazione uSLIC MAXM17532 - uscita da 0,9 a 5,5 V, 100 mA - mostra una differenza sostanziale (Tabella 1).

Tabella 1: La potenza risparmiata quando si usa un uSLIC rispetto a un LDO è sostanziale, così come la differenza nella dissipazione complessiva, pari a circa il 5% quando si usa la soluzione LDO. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

La soluzione di potenza uSLIC è quattro volte più efficiente dell'LDO e riduce la dissipazione di potenza a 1/19 (pari a circa il 5%) della soluzione LDO con ingresso nominale a 24 V; la differenza è ancora maggiore quando l'ingresso c.c. è al valore di 30 V (i dettagli di questa analisi, più altri esempi, sono nel riferimento 1).

Completo ma sempre configurabile

Anche se i dispositivi uSLIC sono moduli "sigillati" che implementano un'architettura di controllo in modalità corrente di picco, l'utente può selezionare una delle tre modalità operative. Ciò consente di scegliere gli attributi prestazionali che meglio si adattano alle priorità e ai compromessi dell'applicazione, senza dover operare una scelta al momento dell'ordine dei pezzi. Il progettista, a seconda delle necessità, può semplicemente decidere tramite l'opportuna connessione di un pin del contenitore. In questo modo, lo stesso dispositivo può essere utilizzato nelle sue diverse modalità su più prodotti e anche all'interno dello stesso prodotto, semplificando la distinta base e consentendo modifiche in un momento futuro del ciclo di progettazione.

Le tre modalità sono:

• Modulazione della larghezza di impulso (PWM): la corrente dell'induttore interno può diventare negativa. Questa modalità di funzionamento è utile in applicazioni sensibili alla frequenza e fornisce un funzionamento a frequenza di commutazione fissa su tutti i carichi. Tuttavia, ha un'efficienza inferiore a bassi carichi rispetto alle altre due modalità.

• Modulazione della frequenza di impulso (PFM): questa modalità disabilita la corrente di uscita negativa nell'induttore, fornendo una maggiore efficienza ai bassi carichi a causa della minore corrente quiescente assorbita dall'alimentazione. Lo svantaggio è che il ripple della tensione di uscita è maggiore rispetto alle altre modalità di funzionamento e la frequenza di commutazione non è costante a bassi carichi.

• Modalità di conduzione discontinua (DCM): questa modalità consente anche un'elevata efficienza in condizioni di basso carico e include il funzionamento a frequenza costante fino a carichi più bassi rispetto alla modalità PFM disabilitando la corrente negativa dell'induttore a bassi carichi. Offre un'efficienza intermedia tra PWM e PFM e il ripple della tensione di uscita in modalità DCM è paragonabile a PWM e relativamente più basso rispetto a PFM.

Per questi moduli uSLIC, gli utenti possono anche impostare fattori come il tempo di avvio utilizzando opzionalmente un condensatore esterno. Questa funzione è utile nei progetti multi-rail, dove il sequenziamento della potenza e la velocità di rampa sono fondamentali.

I moduli eliminano lo sforzo di caratterizzazione

Uno dei molti compiti degli ingegneri che scelgono di "fare" è quello di valutare correttamente il loro prodotto finale in varie condizioni operative statiche e dinamiche e con molti parametri diversi. Si tratta di uno sforzo che richiede molto tempo e che si presta alla possibilità di commettere errori involontari. Tra i molti requisiti vi è quello che il carico deve essere controllato attentamente e attivamente.

Per contro, il team di progettazione può saltare questo passaggio quando si utilizzano i moduli Himalaya uSLIC di Maxim. Poiché le unità sono complete, le schede tecniche le indicano come totalmente caratterizzate dai pin di ingresso ai rail di uscita. In aggiunta alle tabelle delle caratteristiche elettriche, ci sono oltre cento grafici che definiscono le prestazioni, per fattori come l'efficienza rispetto alla corrente di carico, la tensione di uscita rispetto alla corrente di carico, il ripple della tensione di uscita, la risposta ai transitori di carico , le prestazioni di avvio e di arresto e i diagrammi di Bode, il tutto in svariate condizioni operative, compresa la temperatura. Inoltre, sono disponibili potenti strumenti di progettazione e simulazione che facilitano l'inserimento del comportamento di un modulo in una simulazione più ampia a livello di sistema.

Dalla teoria alla pratica in un soffio

Anche se i moduli uSLIC di Maxim sono facili da applicare e sono dotati di prestazioni totalmente caratterizzate, oltre che di modelli di simulazione, i progettisti possono comunque sentire la necessità di fare un po' di "pratica" e familiarizzare con questi piccoli dispositivi. Poiché gli uSLIC sono così piccoli, Maxim offre la scheda di valutazione MAXM17630EVKIT# per accelerare la valutazione (Figura 8). Questa scheda ha tre sezioni indipendenti adiacenti, una per ciascuno dei moduli MAXM17630, MAXM17631 e MAXM17632.

Figura 8: La scheda di valutazione MAXM17630EVKIT# di Maxim fornisce il supporto diretto per la configurazione e la valutazione dei tre moduli MAXM17630, MAXM17631 e MAXM17632 mediante tre sezioni adiacenti e indipendenti. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Permette all'utente di esercitare e valutare il funzionamento uSLIC in una qualsiasi delle modalità operative di base (PWM, PFM e DCM), sincronizzarsi a un clock esterno se lo si desidera, attivare e disattivare un modulo e modificare le impostazioni UVLO. Nella configurazione iniziale, la scheda di valutazione configura il modulo MAXM17630 (3,3 V a 1 A) per funzionare a una frequenza di commutazione di 900 kHz, in un intervallo di ingresso da 4,5 a 36 V; il modulo MAXM17631 (5 V a 1 A) è configurato per funzionare a una frequenza di commutazione di 1,250 MHz su un intervallo di ingresso da 7 a 36 V; il modulo regolabile MAXM17632 è impostato per funzionare a 13 V @a1 A a una frequenza di commutazione di 2,150 MHz su un intervallo di ingresso da 20 a 36 V.

Lo schema della scheda di valutazione, il layout della scheda e la maschera sono descritti nei dettagli nella scheda tecnica. Per utilizzare la scheda di valutazione bastano un singolo alimentatore da 0 a 36 V c.c. a 1 A, un multimetro digitale e resistori di carico capaci di dissipare fino a 1 A a 3,3 V, 5 V e 12 V. I layout della scheda CS del kit sono progettati per limitare le emissioni irradiate dai nodi di commutazione del convertitore di potenza, con conseguenti emissione irradiata al di sotto dei limiti di CISPR22 Classe B.

La scheda riconosce anche il fatto che una disposizione di valutazione non è la stessa della configurazione finale del design-in. Per questo motivo, è previsto l'impiego di condensatori elettrolitici opzionali che smorzano i picchi della tensione di ingresso e le oscillazioni che possono verificarsi durante l'inserimento a caldo o dovuti a lunghi cavi di ingresso che spesso fanno parte della configurazione di valutazione ma che non saranno presenti nell'uso effettivo. Questi cavi tra la fonte di alimentazione in ingresso e la circuiteria del kit possono indurre oscillazioni della tensione di ingresso a causa della loro induttanza. La resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore elettrolitico aiuta a smorzare le oscillazioni che possono causare.

Conclusione

I moduli Himalaya uSLIC di Maxim dimostrano chiaramente che il compromesso tra "fare e acquistare" ora pende nettamente a favore dell'acquisto, anche a livelli di potenza del convertitore c.c./c.c. step-down relativamente bassi. Le dimensioni ridotte, le prestazioni totalmente caratterizzate, la conformità ai mandati normativi in materia di EMI e di efficienza e la semplificazione della distinta base del prodotto finale rendono la loro selezione una decisione logica.

Riferimenti:

1. "Una risposta alle esigenze di efficienza e dissipazione di potenza delle applicazioni con vincoli di spazio"
2. "Come alimentare in modo efficiente i piccoli sensori industriali"
3. Nota applicativa 6417, "Linee guida per il montaggio di contenitori uSLIC"