Con i moduli di potenza, non è necessario rinunciare alle prestazioni per altri vantaggi. In questo articolo andiamo alla scoperta dei moderni moduli di potenza a partire da sei concetti errati.
Un modulo di potenza è un sistema di regolazione a commutazione che integra gate driver lato alto e lato basso, MOSFET di potenza, un induttore o un trasformatore e diversi componenti passivi. Con componenti integrati e prestazioni ottimizzate, i moduli di potenza possono aiutarti a ottenere un’elevata densità di potenza e una bassa interferenza elettromagnetica (EMI), liberando al contempo prezioso spazio sulla scheda e accelerando il time-to-market.
Nonostante questi vantaggi, spesso i progettisti hanno dei pregiudizi sulle soluzioni basate sui moduli di potenza. Alcuni le considerano costose, altri ritengono che solo coloro che non sono in grado di completare i propri progetti li adottino.
Affrontiamo subito questi argomenti sfatando i più comuni equivoci.
Idea sbagliata n.1
I moduli di potenza non fanno risparmiare molto tempo nella progettazione
I moduli di potenza possono essere molto utili quando si ha poco tempo a disposizione per ultimare un progetto. I moderni moduli di potenza prendono le caratteristiche prestazionali presenti nei regolatori DC-DC di nuova generazione e le integrano con componenti passivi selezionati e convalidati per quel regolatore. Ciò evita di doversi preoccupare di problemi di magazzino quando si acquista l’induttore corretto o si determina il layout migliore per attenuare l’uscita desiderata. Inoltre, i moderni moduli di potenza richiedono pochissimi componenti esterni, trasformando un problema che avrebbe potuto richiedere diversi giorni per essere risolto in un’attività che richiede solo poche ore.
Idea sbagliata n.2
I moduli di potenza sono troppo grandi e non faranno risparmiare spazio
Gli attuali moduli di potenza risparmiano spazio sulla scheda incorporando i componenti passivi il più vicino possibile al circuito integrato (IC) del convertitore, più vicino di quanto sia possibile quando si progetta lo stesso sistema in modo discreto. Come mostrato nella Figura 1, solo negli ultimi quattro anni, Texas Instruments (TI) è stata in grado di ridurre l’ingombro di alcune delle sue famiglie di moduli da 36 V. Ad esempio, nel caso del TPSM33625, il montaggio del die del convertitore buck direttamente sul leadframe del package ha fatto risparmiare l’80% di spazio sulla scheda rispetto alla generazione precedente.
Figura 1. Negli ultimi quattro anni le dimensioni dei package dei moduli di potenza TI si sono ridotte senza sacrificare prestazioni o efficienza.
Idea sbagliata n.3
I moduli di potenza non sono convenienti
Nel corso degli anni il prezzo dei semiconduttori è diminuito grazie ai progressi nella tecnologia di produzione e collaudo. Se a questi progressi in termine di costo aggiungiamo i prezzi dei componenti passivi che solo i produttori con i loro volumi riescono a spuntare, le soluzioni che adottano di moduli di potenza costano quanto una soluzione discreta o anche meno.
Idea sbagliata n.4
I moduli di potenza non sono ottimizzati per efficienza, prestazioni termiche o rumore
Un malinteso comune di molti progettisti è che l’induttore integrato preselezionato baratta buone prestazioni con la facilità d’uso. Al contrario, i moduli di potenza sono progettati per fornire una soluzione ad alta efficienza con un ottimo controllo termico, oltre al vantaggio dell’integrazione. I moduli utilizzano spesso anche un induttore con schermatura per ridurre le interferenze elettromagnetiche. Come mostrato nella Figura 2, il TPSM82866A di TI può raggiungere fino al 96% di efficienza, con prestazioni termiche che consentono il funzionamento a temperature ambiente fino a 125 °C.
Figura 2. Prestazioni termiche del modulo di valutazione TPSM82866A (V IN = 5 V, V OUT = 1,2 V, I OUT = 6 A)
Le soluzioni discrete spesso fanno inciampare anche i migliori progettisti, data la moltitudine di fattori che contribuiscono alle prestazioni. Ad esempio, l’efficienza si basa su transistor di commutazione, dissipazione termica e selezione euristica dei componenti esterni. I moduli di potenza sono progettati con questi fattori già in mente per fornire la soluzione più semplice possibile mantenendo o superando le prestazioni di una soluzione discreta.
Idea sbagliata n. 5
I moduli di potenza utilizzano la tecnologia e l’imballaggio meno recenti
I produttori di circuiti integrati stanno ampliando i confini del packaging, del posizionamento dei componenti e della tecnologia di processo per semplificare la progettazione e la produzione di componenti elettronici.
Le caratteristiche prestazionali tradizionalmente associate ai convertitori sono disponibili anche nei moduli. TI sviluppa i suoi moduli in tandem con i suoi convertitori in modo che condividano gli ultimi progressi tecnologici. Uno di questi progressi riguarda l’utilizzo della più recente tecnologia di packaging MagPack per aggiornare il TPSM828303 per migliori prestazioni e risparmi sui costi. Ulteriori informazioni sulla tecnologia MagcPack sono disponibili nell’articolo tecnico “Quattro vantaggi della nostra nuova tecnologia MagPack per moduli di potenza che possono aiutarti a racchiudere più potenza in meno spazio“.
Idea sbagliata n. 6
I moduli di potenza non sono progettati per applicazioni difficili
Se un alimentatore deve funzionare in un ambiente difficile, bisogna assicurarsi che le temperature ambiente estreme non causino malfunzionamenti. Lo stesso discorso vale per le soluzioni modulari le quali spesso offrono un intervallo di temperatura esteso.
Al di fuori di temperature estreme, l’interferenza di un alimentatore può causare rumori indesiderati o distorsioni nelle apparecchiature di imaging medico, rendendo necessaria una soluzione conforme agli standard dettati dal CISPR, come mostrato nella Figura 3.
Fortunatamente, i moduli di alimentazione sono pre-validati per soddisfare questi requisiti, offrendo una soluzione plug-and-play.
Figura 3. Gli scanner ecografici su carrello richiedono basse EMI per produrre immagini nitide.
I progetti di alimentazione stanno diventando complicati e i requisiti stanno diventando sempre più rigorosi. Ogni giorno sempre più ingegneri si stanno orientando verso l’uso di moduli di alimentazione grazie ai vantaggi in termini di dimensioni, efficienza e caratteristiche prestazionali, dimostrando che non sono solo una tendenza, ma sono qui per restare.
Christine Chacko è Product Marketing Engineer at Texas Instruments
