Utilizzare induttori accoppiati nei convertitori buck multifase per migliorare l'efficienza

I convertitori buck multifase sono ampiamente utilizzati in applicazioni a 12 V come i data center, i sistemi di intelligenza artificiale (IA) e le infrastrutture di comunicazione. Un aspetto comune a questi casi d'uso è la necessità di migliorare l'efficienza senza compromettere le prestazioni o aumentare l'ingombro fisico.

Un approccio promettente è quello degli induttori accoppiati (CL). Utilizzando la mutua induttanza tra le fasi, i CL assicurano una cancellazione superiore del ripple di corrente, con conseguenti miglioramenti significativi dell'efficienza, pur mantenendo la compatibilità con i layout convenzionali.

Questo articolo illustra brevemente le sfide legate all'efficienza e al layout che devono affrontare i progettisti di convertitori buck multifase. Presenta quindi i CL e i risultati sperimentali che convalidano i miglioramenti dell'efficienza e ne mostra l'applicazione nei convertitori di Analog Devices.

Il problema dell'efficienza nei convertitori buck multifase convenzionali

Nei sistemi di elaborazione e comunicazione ad alte prestazioni, le perdite di efficienza nella distribuzione dell'energia elettrica possono avere un impatto notevole sui costi, sull'affidabilità e sulla gestione termica del sistema. I progettisti di dispositivi buck multifase convenzionali si trovano spesso ad affrontare sfide in tal senso, in particolare in condizioni di basso carico, dove le perdite di commutazione e di corrente alternata si fanno più pronunciate.

Allo stesso tempo, la disposizione degli stadi di potenza e i vincoli meccanici limitano le opzioni disponibili per migliorare le prestazioni. Molti sistemi hanno spazio limitato per aumentare le dimensioni dei componenti e le modifiche al layout della scheda a circuiti stampati (scheda CS) potrebbero non essere possibili a fronte dei criteri di ingombro.

Di conseguenza, esiste un forte interesse per gli approcci che possono garantire una maggiore efficienza senza richiedere modifiche sostanziali all'architettura di potenza. In teoria, tali soluzioni dovrebbero mantenere lo stesso ingombro, consentire l'uso della capacità di uscita (C_O) esistente e mantenere le prestazioni di risposta ai transitori in un'ampia gamma di condizioni di carico.

I CL rispondono a queste esigenze consentendo di ridurre il ripple e di migliorare la perdita di commutazione, il tutto nello stesso ingombro fisico dei progetti convenzionali.

Come fanno i CL a migliorare la conversione di potenza

I CL sono un modo efficace per migliorare l'efficienza dei convertitori buck multifase senza alterare il layout. A differenza dei progetti convenzionali che trattano ogni fase come indipendente dal punto di vista elettrico, i CL condividono una struttura magnetica standard che consente l'interazione tra le fasi.

Due parametri chiave regolano questa interazione: l'induttanza di dispersione (L_k) e la mutua induttanza (L_m). L'induttanza di dispersione si comporta come l'induttanza di fase (L) nei progetti tradizionali, mentre la mutua induttanza introduce l'accoppiamento magnetico tra le fasi. Quando la corrente aumenta in una fase, induce una tensione nelle altre che si oppone alla loro variazione di corrente, risultando in una significativa cancellazione della corrente di ripple.

Le equazioni 1 e 2 definiscono la corrente di ripple prevista per i progetti di induttori discreti (DL) convenzionali (dIL_DL) e CL (dIL_CL). Queste correnti dipendono dalle tensioni di ingresso e di uscita (V_IN, V_O), dalle induttanze L, L_k e L_m, dalla frequenza di commutazione (F_S) e dalla "cifra di merito" (FOM).

 Equazione 1

 Equazione 2

Dove:

ρ = coefficiente di accoppiamento = L_m/L

D = ciclo di lavoro

N_ph = numero di fasi accoppiate

L'equazione 3 illustra i calcoli per la FOM. L'equazione registra l'entità della cancellazione del ripple in funzione di vari parametri. In particolare, la FOM dipende da ρ, N_ph e D.

 Equazione 3

Dove:

j = fondo (D × N_ph)

Sebbene la FOM dipenda da molti fattori, il coefficiente di accoppiamento ρ ha un ruolo significativo. Per illustrare questo punto, è utile considerare un esempio pratico.

Valutazione della corrente di ripple per induttori accoppiati

La Figura 1 illustra i valori di FOM per un'applicazione con una V_IN di 12 V e una V_O di 1 V, con un D di ~0,083 e valori di DL convenzionali di 100 nH. Per aggiornare questo progetto a un CL mantenendo le prestazioni di risposta ai transitori con la stessa capacità di C_O, il valore L_k del CL deve essere di 100 nH. Pertanto, il valore di L_m resta come variabile di progetto. Valori più elevati di L_m portano a un ripple inferiore, ma un L_m conservativo di 260 nH è sufficiente per ricavare la maggior parte dei vantaggi desiderati.

Figura 1: I valori di FOM per un CL a 4 fasi per vari valori di L_m/L_k in funzione di D; la regione di interesse è evidenziata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Anche con questo progetto piuttosto conservativo, la riduzione del ripple è sufficiente per portare a frequenze di commutazione più basse. Ciò è illustrato nella Figura 2, che confronta il ripple di corrente per diverse configurazioni di induttori e frequenze di commutazione. Il grafico dimostra che un CL funzionante a 400 kHz mantiene un ripple inferiore rispetto a un progetto convenzionale a 800 kHz.

Figura 2: Ripple di corrente per DL = 100 nH (800 kHz) e CL = 4 × 100 nH (800 kHz, 400 kHz) per V_IN = 12 V in funzione di V_O. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La ridotta frequenza di commutazione si traduce direttamente in perdite di commutazione inferiori, che comprendono le perdite di commutazione del transistor, le perdite di tempi morti nei body diode del MOSFET, le perdite di recupero inverso e le perdite di pilotaggio del gate. Queste perdite dipendenti dalla frequenza diminuiscono proporzionalmente alla riduzione della frequenza di commutazione, con un conseguente sostanziale miglioramento dell'efficienza.

I guadagni in termini di efficienza sono più visibili ai bassi carichi, dove le perdite di corrente alternata sono più evidenti a causa della loro natura fissa, indipendentemente dalla corrente di uscita. Tuttavia, i vantaggi si estendono nell'intero intervallo di carico. La Figura 3 mostra i risultati sperimentali del confronto tra un sistema a 8 fasi con induttori accoppiati a 400 kHz e un progetto convenzionale a 600 kHz, dimostrando un miglioramento dell'1% circa al picco di efficienza e dello 0,5% a pieno carico.

Figura 3: Confronto dell'efficienza misurata dei progetti DL a 8 fasi = 100 nH (curve tratteggiate) e 2 × CL = 4 × 100 nH (curve piene) con un ingombro comune. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Miglioramento dell'efficienza senza sacrificare la risposta ai transitori

In particolare, questi miglioramenti di efficienza sono prodotti senza compromettere le prestazioni di risposta ai transitori. La Figura 4 illustra il comportamento transitorio di un convertitore buck a 4 fasi, confrontando le forme d'onda di un progetto a 8 fasi con induttori discreti (DL = 100 nH a 600 kHz) e una configurazione che utilizza due CL, ciascuno che serve 4 fasi (2 × CL = 4 × 100 nH a 400 kHz) con V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V per incrementi di carico di 135 A. A parità della velocità di variazione della corrente e di C_O si ottengono risposte ai transitori comparabili.

Figura 4: I transitori mostrati sono di un DL a 8 fasi = 100 nH (600 kHz) e 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) per V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V per passi di carico di 135 A; stessa scheda, stesso C_O, stesse condizioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Sebbene la minore frequenza di commutazione del CL possa tipicamente ridurre la larghezza di banda di retroazione, due fattori contrastano tale limitazione: i vantaggi intrinseci dell'architettura multifase e il maggior margine di fase fornito dal progetto accoppiato. Questo miglioramento del margine di fase è dovuto al fatto che tutte le correnti di fase accoppiate rispondono simultaneamente quando il ciclo di lavoro cambia in risposta a un evento transitorio in una fase.

Perdite più basse portano a migliori prestazioni termiche che, a loro volta, possono migliorare l'affidabilità a lungo termine e potenzialmente ridurre i requisiti di raffreddamento nei sistemi con vincoli termici. Tutti questi vantaggi sono ottenibili mantenendo la compatibilità con i layout esistenti.

Selezione dei componenti per i convertitori buck multifase

Per implementare un efficiente convertitore buck multifase, l'attenzione può essere rivolta a tre componenti chiave: il controller di regolazione della tensione, il circuito integrato (CI) dello stadio di potenza e il CL. Il controller gestisce la temporizzazione e la sincronizzazione di fase, lo stadio di potenza gestisce la commutazione ad alta corrente e il CL consente la cancellazione del ripple, migliorando l'efficienza.

Per il controller, il modello MAX16602GGN+T di Analog Devices (Figura 5) è un'ottima scelta. Disponibile in un contenitore 56-QFN (7 × 7 mm), questo dispositivo supporta un rail a 8 fasi e un rail monofase separato. Tra le caratteristiche degne di nota figurano la distribuzione di fase autonoma, la telemetria via PMBus, la protezione e la registrazione dei guasti integrate e un regolatore di polarizzazione interno a 1,8 V. Queste caratteristiche offrono un controllo preciso, un numero ridotto di componenti e una migliore risposta ai transitori nei sistemi di regolazione della tensione multifase.

Figura 5: Il controller di regolazione della tensione MAX16602GGN+T supporta fino a 8 fasi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Lo stadio di potenza può essere implementato utilizzando il modello MAX20790GFC+T di Analog Devices (Figura 6). Questo stadio di potenza intelligente integra MOSFET, gate driver e rilevamento della corrente in un unico dispositivo in contenitore 12-FC2QFN (3,25 × 7,4 mm). Con un campo di frequenze di commutazione da 300 kHz a 1,3 MHz, consente ai progettisti di ottimizzare le prestazioni dei progetti CL. Le caratteristiche principali includono la telemetria e la segnalazione dei guasti attraverso il PMBus del controller, oltre a funzioni avanzate di autoprotezione.

Figura 6: Lo stadio di potenza intelligente MAX20790GFC+T integra MOSFET, gate driver e rilevamento della corrente in un unico dispositivo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un esempio di CL adatto è il modello CLB1108-4-50TR-R di Eaton (Figura 7), che integra quattro fasi da 50 nH strettamente accoppiate in un unico contenitore. La struttura del componente supporta una corrente di saturazione e prestazioni termiche elevate, che lo rende adatto ai carichi di lavoro più impegnativi dell'IA e dei data center.

Figura 7: CLB1108-4-50TR-R è un induttore accoppiato 4 x 50 nH. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

In una configurazione tipica, il controller MAX16602 pilota fino a otto stadi di potenza MAX20790, con ciascuna fase di uscita collegata all'avvolgimento corrispondente di un doppio CL a 4 fasi. Rispetto ai progetti convenzionali, questa architettura offre miglioramenti misurabili in termini di efficienza energetica, a parità di ingombro fisico e di prestazioni transitorie.

Test di progetti di induttori accoppiati con hardware di valutazione

Per i progettisti che desiderano esplorare le soluzioni CL, il kit di valutazione MAX16602CL8EVKIT# di Analog Devices (Figura 8) offre una comoda piattaforma di test e sviluppo. Questa scheda è stata concepita specificamente per dimostrare le capacità del controller MAX16602 e dello stadio di potenza MAX20790 in combinazione con induttori accoppiati.

Figura 8: MAX16602CL8EVKIT# può essere utilizzato per esplorare progetti di convertitori buck multifase. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il kit di valutazione è un progetto di riferimento pratico che dimostra come questi componenti possano essere integrati in modo efficace. Include tutti i circuiti necessari per supportare una soluzione di conversione di potenza a 8 fasi e punti di misurazione completi per il monitoraggio di parametri chiave come la risposta ai transitori.

Conclusione

I CL offrono vantaggi significativi per i progetti di convertitori buck multifase. Introducendo una mutua induttanza tra le fasi, questi componenti offrono una sostanziale cancellazione della corrente di ripple, permettendo di ridurre la frequenza di commutazione e di migliorare l'efficienza complessiva. È importante notare che questi vantaggi possono anche essere indipendenti dall'ingombro fisico e non compromettono le prestazioni di risposta ai transitori. In combinazione con i chipset dei controller e degli stadi di potenza, queste soluzioni sono un percorso pratico per i progettisti che passano dalle topologie convenzionali ad alternative più efficienti ad accoppiamento magnetico.