Utilizzare induttori specializzati per convertitori c.c./c.c. ad alta corrente e transitori veloci

I data center e i rack di server richiedono chilowatt di potenza e centinaia di ampere di corrente. Fornire questa quantità di energia c.c. è un problema nella progettazione, anche alle basse tensioni. Il problema è aggravato dalla necessità di tempi di risposta ai transitori nell'ordine dei microsecondi per prevenire un calo di tensione superiore a pochi millivolt sul rail di tensione, che potrebbe causare un comportamento intermittente del circuito.

Per migliorare la risposta alle richieste di transitori, i progettisti sono passati a una topologia di convertitori c.c./c.c. multifase in cui vengono utilizzati in parallelo più convertitori buck monofase. Tuttavia, questo approccio ha limitazioni intrinseche dovute all'induttanza parassita e alla resistenza inevitabili dei condensatori di uscita, che rallentano la risposta ai transitori del convertitore.

Per superare questo punto debole, è stata sviluppata una topologia multifase avanzata nota come regolatore di tensione a trans-induttore (TLVR). La chiave per un'implementazione di successo del TLVR sono due induttori a basso valore e alta corrente, uno per ciascuna fase di potenza del TLVR e un singolo induttore di compensazione sul lato primario degli induttori TLVR.

Questo articolo esamina le sfide associate ai convertitori c.c./c.c. ad alta corrente ed esplora l'applicazione delle topologie c.c./c.c. multifase per affrontarle. Descrive quindi il ruolo critico degli induttori di compensazione e come i requisiti prestazionali di questi elementi circuitali possano essere soddisfatti utilizzando componenti di esempio di Abracon.

Dalle topologie monofase a quelle multifase

La fornitura di potenza regolata a sistemi come data center e rack di server presenta due sfide correlate. Innanzitutto, richiedono centinaia di ampere di corrente. Questa richiesta di massima corrente statica può essere soddisfatta con un idoneo progetto di convertitori a commutazione che utilizza condensatori a effetto di massa ad alto valore per livellare il ripple di commutazione.

La seconda sfida è di natura dinamica dovuta ai transitori di carico, poiché i carichi aumentano rapidamente da uno stato di inattività a vuoto o a basso carico, necessario per ridurre il consumo di energia e ridurre al minimo i problemi termici, fino al loro stato completamente attivo. Il convertitore deve rispondere entro pochi microsecondi, senza sovraelongazione o sottoelongazione della tensione nominale.

Sebbene sia difficile superare queste contraddizioni, i progettisti di alimentatori e convertitori hanno escogitato i modi per farlo.

Iniziamo con un convertitore monofase

Il convertitore c.c./c.c. con topologia di commutazione step-down (buck) standard utilizza un approccio monofase (Figura 1, a sinistra). Accetta un rail di ingresso c.c., lo trasforma in un'onda c.a. ad alta frequenza simile a un'onda quadra, e poi lo abbassa utilizzando un trasformatore o un'altra configurazione. La corrente continua quasi pura risultante viene filtrata tramite condensatori a effetto di massa per ridurre al minimo il ripple e fornire un aumento di corrente se il carico richiede improvvisamente più corrente. Per regolare l'uscita alla tensione desiderata al variare del carico, il convertitore utilizza la retroazione per regolare la larghezza dell'impulso tagliato e il ciclo di lavoro del segnale (Figura 1, a destra), assicurando che il suo valore medio corrisponda al valore target.

Figura 1: Per la regolazione, il convertitore monofase (a sinistra) modula il ciclo di lavoro on/off della larghezza dell'impulso commutato (a destra) per mantenere un'uscita c.c. stabile nonostante le variazioni della corrente di carico. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Tuttavia, questa struttura monofase presenta criticità nella risposta ai transitori. Le inevitabili correnti parassite della resistenza equivalente in serie (ESR) e dell'induttanza in seriale efficace (ESL) del condensatore rallentano il tempo di risposta mentre tenta di fornire la corrente richiesta quando il carico passa dalla modalità di sospensione alla richiesta massima.

Inoltre, la corrente aggiuntiva diretta al condensatore quando la tensione erogata inizia a diminuire deve attraversare l'induttore del convertitore. Sebbene un induttore di valore maggiore sia preferibile per determinati aspetti delle prestazioni del convertitore, questo comporta anche una velocità di variazione della corrente inferiore. Pertanto, l'induttore impiegherà più tempo per raggiungere il valore di corrente necessario per ricaricare il condensatore e soddisfare i requisiti di carico. Quindi, il dimensionamento dell'induttore è uno dei tanti compromessi nella progettazione dei convertitori.

Passiamo a un convertitore multifase

Una topologia ingegnosa che supera i limiti dei convertitori monofase è il convertitore multifase, che utilizza più convertitori buck in parallelo. Questa topologia offre ai progettisti la flessibilità di utilizzare contemporaneamente diversi induttori più piccoli per pilotare il carico, anziché fare affidamento su un singolo induttore di grandi dimensioni.

La corrente diretta al carico è la somma delle correnti di tutte le fasi (Figura 2, a sinistra). Poiché l'induttanza in ciascuna fase è inferiore rispetto a una topologia monofase, la corrente aumenta più rapidamente. Ciò produce una risposta più rapida e un minore abbassamento di tensione durante i transitori di carico (Figura 2, a destra).

Figura 2: Impiegando più fasi in una disposizione in parallelo (a sinistra) e sommando le loro singole uscite, la risposta ai transitori del convertitore multifase è molto più rapida con un minore abbassamento di tensione (a destra) rispetto alla topologia monofase. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

La pratica di progettazione tipica consiste nel limitare una singola fase tra 30 e 40 A, anche se può essere superiore. Un progetto multifase consiste in genere di due - otto fasi, sebbene siano possibili più fasi. La scelta tra un numero inferiore di fasi più potenti e un numero maggiore di fasi meno potenti comporta molti compromessi tra vari aspetti legati alle prestazioni elettriche, alle dimensioni fisiche, alla distinta base e ai costi.

Migliorare un sistema multifase con TLVR

L'uscita del circuito multifase richiede tempo per regolare le fasi mentre vengono attivate in sequenza. Con un ingegnoso miglioramento del circuito, si può ridurre il tempo di reazione del convertitore controllando come venga attivata ogni fase in risposta ai transitori di carico. Ciò avviene utilizzando l'approccio TLVR.

Questa topologia di convertitore c.c./c.c. multifase offre una risposta ai transitori più rapida grazie all'aggiunta di un collegamento in serie di avvolgimenti secondari tramite induttori che accoppiano tutte le fasi. A sua volta, ciò consente un'induzione simultanea di corrente attraverso le fasi in risposta a un aumento del carico (Figura 3).

Figura 3: La topologia TLVR aggiunge induttori di interfase (in alto) per accoppiare le fasi e consentire loro di sapere anticipatamente l'entità dell'assorbimento di corrente (in basso). (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Gli induttori TLVR e l'induttore di compensazione sono essenziali per la topologia TLVR. I primi sono trasformatori specializzati in cui gli avvolgimenti primario e secondario comprendono due clip in rame per ridurre al minimo le perdite in c.c. (Figura 4). Le due clip sono alloggiate in un nucleo magnetico realizzato in ferrite o materiale a base di ferro, accoppiando così magneticamente i lati primario e secondario. La differenza principale tra la progettazione TLVR e la configurazione multifase di base è l'utilizzo dell'avvolgimento primario di ciascun induttore TLVR come induttore di uscita per ogni fase.

Figura 4: L'induttore TLVR è un trasformatore specializzato che collega l'uscita di ogni fase alla fase successiva. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Inoltre, i secondari di tutte le fasi sono interconnessi in serie a un unico induttore di compensazione (LC) (Figura 3, in alto a destra). Ogni tensione dell'avvolgimento primario viene riflessa sull'avvolgimento secondario corrispondente. Poiché tutti i secondari sono collegati in serie, l'induttore di compensazione vede la somma di tutte queste forme d'onda.

Durante il funzionamento, quando viene assorbita più corrente dal convertitore, la tensione in uscita inizia a calare a causa dell'ESR e dell'ESL parassite del condensatore. L'anello di controllo a retroazione rileva questo abbassamento e risponde aumentando il livello di pilotaggio della fase attiva in quel momento, fornendo più corrente attraverso quella fase per limitare la caduta di tensione e soddisfare il nuovo fabbisogno di carico.

Per questo motivo i TLVR offrono prestazioni superiori rispetto ai convertitori multifase tradizionali. Quando una determinata fase richiede più corrente, questa nuova forma d'onda di corrente si riflette su tutti gli avvolgimenti primari poiché il secondario è accoppiato con tutte le altre fasi. Il risultato è un aumento quasi istantaneo della corrente in tutte le fasi, dovuto alla risposta di una fase al sistema di retroazione, che induce una corrente attraverso le altre fasi.

Il termine "trans-induttore" nel nome TLVR è dovuto a questo approccio basato su induttori collegati in fase incrociata. La risposta collettiva di tutte le fasi alle variazioni di carico aggira l'intervallo temporale che il controller necessita per attivare ciascuna delle altre fasi, portando a una risposta ai transitori più rapida.

Gli induttori TLVR hanno solitamente un rapporto spire 1:1, a parità dei due valori di induttanza. Il valore dell'induttanza è principalmente una funzione del ciclo di lavoro e della quantità accettabile di corrente di ripple.

La progettazione dell'induttore è fondamentale per le prestazioni del TLVR

I componenti passivi, come i resistori, i condensatori e gli induttori, sono spesso considerati dispositivi semplici. Sebbene siano concettualmente semplici, la loro realtà è complicata da numerose sfaccettature L'induttore è forse il più ingannevole, poiché, almeno in linea di principio, è “soltanto” un pezzo di filo o conduttore piegato o avvolto.

Come indicato, un induttore TLVR (Lm_n) è necessario nelle topologie TLVR per ciascuna fase di potenza (Figura 5, in basso), consentendo alla sorgente di corrente a livello di sistema di superare centinaia di ampere.

Per contro, sul lato primario della topologia TLVR, è necessario un solo induttore di compensazione (Lc₁) (Figura 5, in alto) per regolare la fornitura di energia. Ciò si ottiene livellando e regolando la fase rispetto alla tensione, aumentando così il margine di fase e garantendo un funzionamento stabile.

Figura 5: Un convertitore multifase TLVR completo richiede un induttore TLVR per fase per il collegamento interfase, più un singolo induttore di compensazione per garantire un funzionamento stabile. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Induttori assemblati serie AVR

L'induttore di compensazione utilizzato nei progetti TLVR deve avere una bassa resistenza c.c., gestire correnti elevate, essere specificato per un più ampio intervallo di temperatura ed essere fisicamente piccolo. La serie AVR di induttori assemblati di Abracon (Figura 6) soddisfa questi requisiti grazie alla sua struttura in ferrite, un intervallo di induttanza da 22 nH a 680 nH, un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 °C a +125 °C, una resistenza c.c. (DCR) minima di soli 0,100 mΩ e una corrente di saturazione massima di 160 A.

Figura 6: La serie AVR di induttori assemblati è appositamente progettata con una struttura, un intervallo di valori dei parametri chiave e dimensioni per soddisfare le esigenze specifiche dei convertitori c.c./c.c. tradizionali e per la compensazione nelle topologie TLVR. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Anche il confezionamento dell'induttore di compensazione contribuisce al successo del design compatto del convertitore. Mentre gli induttori stampati in passato erano considerati lo standard per le applicazioni di convertitori compatti, questi induttori assemblati offrono prestazioni migliorate a un costo inferiore.

Ad esempio, AVR-1F070605S90NLT è un induttore schermato da 90 ±15% nH (0,1 MHz/1,0 V) di circa 6 × 7 mm. La DCR è di 0,17 ±30% mΩ e la corrente di saturazione tipica è di 50 A a +25 °C, che si abbassa leggermente a 45 A a +100 °C.

Per applicazioni a corrente più elevata, AVR-1Z090610SR12KT è un induttore non schermato da 120 ±10% nH (800 kHz e 0,8 V). Questo componente di 9,5 × 10 mm ha una DCR tipica di 0,10 mΩ (0,12 mΩ max) e una corrente di saturazione di 90 A a +25 °C e 75 A a +100 °C.

Conclusione

Il passaggio da un convertitore c.c./c.c. monofase a un approccio multifase e quindi a una topologia TLVR garantisce prestazioni superiori in applicazioni in cui le correnti di carico sono alte e rapide e che quindi richiedono una risposta netta ai transitori e un'elevata precisione di uscita. Potenziando un progetto multifase con l'aggiunta di un induttore TLVR per ogni fase, nonché con un singolo induttore di compensazione, è possibile raggiungere gli obiettivi di progettazione. Per l'induttore di compensazione necessario, la serie AVR di induttori assemblati di Abracon offre soluzioni avanzate ed economiche per la regolazione della tensione multifase.