Per le topologie per la distribuzione dell'energia nelle schede CS, la soluzione ottimale deriva dall'esperienza

Agli ingegneri è spesso addossato il compito di analizzare, mettere a punto e fornire la soluzione migliore o ottimale a ogni problema. In alcune situazioni di progettazione è possibile, ma in altre decisamente no. Il motivo è semplice: sulla base di quali parametri e quali valori si giudica una soluzione come migliore? Esiste un fattore critico che ha la priorità sugli altri, oppure si tratta di trovare magicamente un difficile equilibrio tra molti fattori diversi?

In realtà, la progettazione non è solo questione di esperienza nel creare un progetto, ma implica anche la capacità di districarsi tra i molti compromessi necessari. Può essere molto frustrante quando qualcuno non coinvolto nel ciclo di progettazione critica a caso le decisioni prese, mettendo in discussione le scelte effettuate o la mancanza di qualche elemento. È facile criticare quando non si conoscono i compromessi che si sono dovuti accettare.

Per alcune applicazioni, naturalmente, uno o due requisiti prestazionali possono essere l'aspetto più importante, ad esempio la necessità di un basso consumo energetico e l'affidabilità a lungo termine per una missione spaziale. In altri casi è invece fondamentale osservare alcune specifiche, senza necessariamente superarle, perché il prodotto finale non produrrà alcun vantaggio ulteriore dagli eccessi.

In tutti i progetti, però, ovviamente gli ingegneri devono tentare di valutare la natura e i legami tra i vari obiettivi. Ad esempio, se una dissipazione di potenza leggermente superiore migliora sensibilmente la velocità o la precisione, il compromesso è facilmente accettabile. Ma come si quantificano i "costi" rispetto ai "benefici"? In molti casi non è possibile farlo in modo affidabile e, anche se si potesse, la relazione tra i due aspetti di solito rimane valida entro un campo molto limitato. I legami diventano ancora più complessi, sottili e difficili da definire con l'aumentare del numero di variabili.

Vogliamo parlare della topologia per la distribuzione dell'energia elettrica?

Per illustrare quanto sia complesso giungere a una soluzione ottimale, consideriamo una funzione del sistema molto ben definita: la topologia per la distribuzione dell'energia elettrica. Ogni progetto elettronico ha un sottosistema di potenza, ma ci concentreremo sulla realtà limitata e definita rappresentata da una sola scheda CS. In genere questo scenario comprende diversi valori di rail di tensione e diversi assorbimenti di corrente per ogni rail, ma possiamo iniziare con un caso semplice che include due carichi identici a 5 V di 0,9 A ciascuno.

Persino per questa situazione molto semplice ci sono due opzioni (Figura 1), che possono essere realizzate utilizzando moduli step-down c.c./c.c. come quelli della famiglia uSLIC Himalaya di Maxim Integrated. Un'opzione consiste nell'utilizzare due unità MAXM17632 a 5 V/1 A di Maxim, una per ogni carico, mentre la seconda opzione sarebbe l'utilizzo di un solo modulo MAXM17635 a 5 V/2 A di Maxim per alimentare entrambi i carichi. Inoltre, cosa fareste se uno dei carichi fosse solo da 75 mA anziché 900: usereste l'unità da 2 A per alimentare entrambi i carichi oppure un'unità MAXM17632 da 1 A e un'altra MAXM17900 minore da 5 V/100 mA per il secondo carico? Come sempre, la risposta è semplice: dipende.

Figura 1: Esistono due topologie in grado di fornire energia con la stessa tensione a due carichi indipendenti: due moduli c.c./c.c. piccoli (in alto) o un unico modulo più grande per entrambi (in basso). (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Entrambe le strategie dovrebbero funzionare, ma è necessario considerare anche fattori come la posizione di un carico rispetto all'altro, l'efficienza globale rispetto al carico, la dissipazione totale se uno dei carichi ha periodi di quiescenza e il punto di attacco del rumore dallo sbroglio delle piste della scheda CS. Inoltre, non si può tralasciare l'ingombro: il modulo a 2 A misura 4 x 4 mm = 16 mm², mentre le unità da 1 A misurano 3 x 3 mm ciascuna, per un ingombro totale di 9 + 9 = 18 mm². I 2 mm² in più potrebbero sembrare pochi, ma in un progetto di dimensioni minime fanno una grande differenza; analiticamente si tratta di un aumento dell'ingombro del 12,5%.

Sempre più difficile

In uno scenario A - B così semplice, è probabile che un'opzione risulti migliore dall'altra, anche se il margine può non essere così evidente. Per i casi più complicati con molti carichi, invece, anche con la stessa tensione nominale, ci sono spesso molti fattori più o meno vincolanti da considerare, ad esempio:

• Numero di carichi
• Corrente tipica, massima e di quiescenza per ognuno
• Posizione di un carico rispetto all'altro
• Dinamica di ogni carico
• Punto di attacco del rumore causato da piste più lunghe tra il modulo di alimentazione e il carico
• Precisione e regolazione della tensione sul carico (un carico potrebbe aver bisogno di ±0,5% e l'altro di 1%)
• Bilanciamento del carico: e se un carico avesse bisogno di 2 A e l'altro solo di 50 mA, un regolatore a bassa caduta di tensione sarebbe una soluzione migliore per il carico da 50 mA?
• Benefici della conversione di potenza con punto di carico (PoL) alla chiusura e necessità di bypass
• Area della scheda CS necessaria per alimentazione c.c. principale non regolata e piste multiple di alimentazione c.c. regolate (con la relativa messa a terra); impatto sulla flessibilità del layout
• Ingombro aggregato dei moduli di alimentazione e dei componenti ausiliari
• Flessibilità del posizionamento sulla scheda CS
• Frequenze di clock, problematiche EMI e di "battimento"; uso di un clock comune rispetto a clock c.c./c.c. singoli
• Efficienza generale delle diverse configurazioni del regolatore
• Numero e tipo di componenti passivi necessari
• Caduta della corrente-resistenza (IR), larghezza delle piste e possibile esigenza di telerilevamento a livelli di corrente più alti
• Costo dei componenti in distinta base

Questo elenco evidenzia i diversi aspetti della complessità del problema. Anche nel caso semplice di una tensione singola, il numero di possibilità e i relativi gradi di libertà aumentano sensibilmente con l'aumento del numero di caratteristiche dei carichi.

Per risolvere il problema non basta eseguire una ricerca approfondita e vagliare tutte le possibilità. Un software EDA può analizzare un determinato approccio e valutarlo in base agli obiettivi, e anche aiutare a considerare le piccole modifiche necessarie per i diversi scenari, ma non può immaginarsi le varie possibilità né stimare i benefici rispetto ai costi e ai compromessi di una determinata topologia (perlomeno non ancora; forse con l'intelligenza artificiale sarà possibile nei prossimi anni!). Se aggiungete la necessità di fornire più tensioni per i vari rail, il problema diventa decisamente più complesso, soprattutto perché si possono avere diverse fasi di conversione per il bus intermedio.

È il motivo per cui ho visto diversi ingegneri usare dei fogli di calcolo semplici al posto di strumenti EDA per valutare l'impatto delle topologie possibili. Alla fine, però, molte celle del foglio di calcolo vengono riempite con valutazioni qualitative come "scarso", "buono" o "ottimo", e a ogni cella vengono aggiunti commenti del tipo "buono ma solo fino a 2 A".

Sarebbe utile poter creare equazioni solide collegando le molte variabili nell'analisi delle topologie per la distribuzione dell'energia. Non avverrà molto presto, a causa dei molti gradi di libertà possibili, ma i collegamenti avvengono tramite correlazioni non lineari, punti di inflessione, punti di saturazione e altre correlazioni complesse e in genere difficili da quantificare.

Ecco perché, quando si tratta di scegliere l'approccio preferito per una topologia per la distribuzione dell'energia, entrano in gioco la competenza, l'esperienza, la capacità di giudizio e anche l'intuizione di un ingegnere. Stabilire la topologia di alimentazione "migliore" persino per una sola scheda CS è un buon esempio di cosa sia il lavoro dell'ingegnere e richiede ben più di una fredda analisi numerica.

Conclusione

Quando qualcuno afferma di avere la soluzione ottimale per un problema di progettazione, la domanda logica da porre è semplice e diretta: "ottimale in base a quali parametri e in quali condizioni?" Anche qualcosa di così basico e concreto come la topologia per la distribuzione dell'energia include un lungo elenco di fattori critici, alcuni dei quali collegati molto strettamente e altri meno.

Se doveste presentare la vostra soluzione a dei colleghi, questi sicuramente vi chiederebbero come e perché avete scelto proprio quella topologia. Siate pronti a presentare l'analisi che avete eseguito, illustrate le vostre idee e documentate in quali casi vi siete basati su esperienza e capacità di giudizio anziché solo sui numeri. In questo modo, dovreste riuscire a spiegare chiaramente perché la combinazione di moduli di alimentazione c.c./c.c. e componenti associati per cui avete optato è chiaramente la scelta giusta, ma non è certo l'unica.

Letture consigliate:

Massimizzare i vantaggi con i convertitori PoL miniaturizzati

https://www.digikey.com/en/articles/maximize-gains-using-miniaturized-pol-converters

Quando il troppo non stroppia: risparmia spazio prezioso usando più regolatori

https://www.digikey.com/en/articles/when-more-is-less-save-valuable-space-using-more-regulators

Errori comuni da evitare quando si utilizzano i moduli con regolatore c.c./c.c. con livelli di corrente moderati

https://www.digikey.com/en/articles/common-mistakes-to-avoid-when-using-midrange-current-dc-dc-regulator-modules

Vantaggi dei convertitori c.c./c.c. modulari rispetto alle soluzioni discrete

https://www.digikey.com/en/articles/advantages-modular-dc-dc-converters-over-discrete-solutions

Soluzioni di alimentazione e topologie per comandare stringhe di LED

https://www.digikey.com/en/articles/advantages-modular-dc-dc-converters-over-discrete-solutions