Articolo. I moduli per la conversione di potenza nel punto di carico (PoL) offrono una soluzione vantaggiosa ed economica rispetto alle

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1 Rif.: MPS360A Murata Power Solutions Articolo I moduli per la conversione di potenza nel punto di carico (PoL) offrono una soluzione vantaggiosa ed economica rispetto alle alternative basate sui componenti discreti Autore: Henry Lee, Product Marketing Manager, Murata Power Solutions Introduzione Alla continua migrazione dell industria elettronica verso geometrie e componenti di dimensioni sempre più piccole, corrisponde una costante crescita delle domanda di convertitori di potenza funzionanti a tensioni sempre più basse. Inoltre, vi è una sempre maggior tendenza nel mercato industriale e delle telecomunicazioni a utilizzare architetture di alimentazione distribuita che utilizzano un alimentatore con ingresso AC e uscita a 12 VDC oppure un

2 convertitore isolato in formato brick (mattone) a uscita singola o multipla a 5 V o 12 V. Da tali uscite dell alimentatore principale, che costituiscono il bus in corrente continua, vengono alimentati i vari convertitori isolati nel punto di carico (PoL, Point-of-Load) che servono a generare la loro rispettiva tensione di uscita locale verso il carico. I progettisti di apparecchiature elettroniche hanno ora a disposizione una grande scelta di prodotti e fornitori per decidere se utilizzare una soluzione basata su componenti discreti o su moduli per il proprio sistema di alimentazione. La migrazione del sistema di alimentazione L utilizzo di moduli nel punto di carico è cresciuto costantemente nel corso degli ultimi anni e ci sono ora molti fornitori che possono offrire soluzioni standard che soddisfano le varie esigenze di alimentazione a costi competitivi. Ma c è molto di più che una maggior possibilità di scelta nella preferenza dei progettisti a optare per soluzioni modulari nel punto di carico anziché le tradizionali soluzioni con componenti discreti. Oggi il rapporto tra le

3 conoscenze digitali e analogiche che costituiscono il patrimonio di molte aziende di progettazione e produzione di sistemi elettronici è fortemente sbilanciato a favore dei progettisti digitali, al punto tale che in molte aziende di piccoli dimensioni non c è più alcuno specialista di elettronica di potenza. Questa situazione si è determinata a causa dell indiscussa evoluzione dell elettronica trainata dai circuiti digitali, che costituiscono il cuore funzionale di molti prodotti finali, e che ha relegato i circuiti di potenza e di alimentazione e un mero ruolo di supporto. La crescente disponibilità di soluzioni di alimentazione modulari ha reso possibile l outsourcing della progettazione del sistema di alimentazione e ha favorito la migrazione delle conoscenze sui sistemi di alimentazione dai clienti OEM verso aziende specializzate in sistemi di alimentazione, come Murata Power Solutions. In tali aziende specializzate, gli esperti in elettronica di potenza e sistemi di alimentazione stanno progettando prodotti con un rendimento di conversione sempre migliore e con dimensioni sempre più compatte. Vantaggi dei convertitori discreti

4 Onde semplificare al massimo la realizzazione e la spesso limitata conoscenza delle problematiche di alimentazione all interno delle aziende clienti, i fornitori dei principali componenti utilizzati negli alimentatori a componenti discreti offrono schemi di riferimento pronti all uso con la relativa distinta base necessaria per realizzarli. Naturalmente, ciò è di grande aiuto per i clienti che stanno acquistando i vari componenti e realizzando il progetto del relativo PCB. Fino a poco fa, il costo totale dei singoli componenti necessari a realizzare una soluzione di conversione di potenza nel punto di carico basato su componenti discreti era spesso inferiore a quello di un modulo finito e pronto all uso. Comunque, il prezzo dei moduli per conversione nel punto di carico è diventato molto più competitivo nel corso degli ultimi anni. Inoltre, considerando il risparmio di spazio occupato sulla scheda, il costo dei due tipi di soluzione può ora essere confrontabile, oppure addirittura inferiore, rispetto a quello di tutti i componenti discreti che sarebbero necessari. Facilità di utilizzo e flessibilità

5 Progettare un sistema che utilizza un modulo di conversione di potenza nel punto di carico è oggi molto semplice, in quanto basta decidere dove piazzare il componente con una piedinatura standard, prevedendo lo spazio necessario sulla schede e le relative interconnessioni. Progettare un sistema che utilizza componenti discreti, invece, richiede sforzi ben maggiori, in quanto la disposizione dei vari componenti è un compito più difficile e che richiede un analisi attenta delle varie dimensioni e forme dei componenti che devono trovare spazio sul circuito stampato. In molti casi, le soluzioni basate su componenti discreti richiedono più spazio rispetto a quelle basate sui moduli. Ciò è ovviamente un problema per i progettisti, che normalmente devono realizzare prodotti sempre più piccoli e che quindi hanno a disposizione sulla scheda un minor spazio utile da dedicare al sistema di alimentazione. Le specifiche del sistema di alimentazione possono spesso essere modificate durante il ciclo stesso di progettazione. Con un sistema basato su componenti discreti, ciò potrebbe richiedere una riprogettazione del circuito stampato per far fronte al maggiore (o minore) spazio richiesto per l alimentatore. Con una soluzione basata su moduli nel punto di carico, sono spesso disponibili più

6 livelli di potenza nello stesso formato e piedinatura, il che offre al progettista la flessibilità di variare il sistema di alimentazione semplicemente cambiando il modulo da inserire nella distinta base, senza dover invece realizzare ex novo un circuiti stampato diverso. Nei circuiti ad alta densità, dove dispositivi analogici e digitali sono spesso molto vicini tra loro, le problematiche di interferenza elettromagnetica e di smaltimento del calore devono essere considerate attentamente. Realizzando una soluzione a componenti discreti, lo studio e l analisi delle interferenze potrebbe diventare problematica e comunque assorbire molto tempo, con un elevato livello di rischio di insuccesso che ricade sul progettista. Utilizzando un modulo di conversione di potenza, invece, le problematiche di interferenza e posizione reciproca dei componenti sono state già studiate e caratterizzate dai progettisti del modulo stesso onde minimizzare gli effetti elettromagnetici da e verso i componenti adiacenti. Soluzioni standard per la conversione nel punto di carico

7 Lo standard prevalente nelle architetture di conversione nel punto di carico isolate o non isolate è rappresentato dal sistema di alimentazione distribuita definito da DOSA (Distributed-power Open Standards Alliance). Lo standard DOSA è stato sviluppato da alcuni dei principali produttori di convertitori DC/DC per garantire la compatibilità futura dei prodotti in un mercato della conversione di potenza che diventa sempre più frammentato. L obiettivo dell associazione DOSA è quello di definire standard relativi a una vasta gamma di convertitori di potenza riguardanti le dimensioni e la forma dei moduli, le loro caratteristiche e funzionalità per facilitare lo sviluppo di nuovi prodotti e la disponibilità di produttori alternativi. DOSA è stata molto efficace nella definizione di vari criteri che rendono possibile la fornitura di prodotti alternativi, ma che allo stesso tempo rendono possibile l innovazione tipica del mercato dell elettronica, che ha sempre bisogno di nuove soluzioni in tempi brevi per soddisfare le mutevoli esigenze del mercato. Un esempio di soluzioni conformi alle specifiche DOSA è la nuova gamma di convertitori non isolati nel punto di carico Okami.

8 Nuova generazione di moduli nel punto di carico Alcuni esempi di funzionalità utili disponibili nei moduli di ultima generazione comprendono una vasta gamma di tensioni di ingresso e tensioni di uscita programmabili, che rendono la scelta e l utilizzo nelle applicazioni dei clienti molto semplice. I livelli di rendimento, spesso dell ordine del 93%, uniti all elevata densità di potenza, permettono ai progettisti di sfruttare la conversione nel punto di carico occupando un area decisamente piccola sulla scheda con ottime prestazioni di deriva termica, tutti fattori che rendono l utilizzo dei moduli molto attraente per il progettista. Un ulteriore considerazione importante è che la maggior parte dei componenti è disponibile in contenitori adatti al montaggio superficiale (SMT), il che permette di eliminare del tutto dalla scheda i componenti a inserzione o di ridurne l utilizzo. Ciò permette di minimizzare i processi di assemblaggio secondari sulle schede. In linea con questa tendenza, i più recenti moduli per la conversione nel punto di carico sono molto spesso disponibili in formato SMT, così come in formati più tradizionali come il contenitore SIP (Single Inline

9 Package). Come ulteriore evoluzione del formato SMT, diversi moduli della serie di convertitori DC/DC Okami di Murata Power Solutions utilizzando un contenitore innovativo noto come LGA ispezionabile o ilga (inspectable Land Grid Array). Il tradizionale contenitore LGA offre un formato compatto e un eccellente percorso termicamente conduttivo tra il modulo e le più ampie aree di rame presenti sulla scheda per facilitare la dissipazione del calore, ma la sua forma impedisce l ispezione visiva della saldatura tra il modulo e il circuito stampato. Al momento, l unico vero modo disponibile per controllare tali saldature è quello di un collaudo eseguito con costose analisi a raggi X oppure con sezionamenti distruttivi per osservare il giunto di saldatura. Per superare il problema, Murata Power Solutions ha sviluppato l innovativo contenitore ilga, caratterizzato da piccoli intagli placcati (castellations) che facilitano l accesso per l ispezione visiva e facilitano il contatto di sonde di prova per verificare la corretta connessione di tutte le piazzole di saldatura. Sintesi

10 I dispositivi modulari per la conversione di potenza nel punto di carico (PoL) stanno diventando la soluzione preferita per l alimentazione di componenti elettronici come ASIC, FPGA, DSP, microprocessori e circuiti integrati di comunicazione in una vasta gamma di applicazioni. Con la diffusione di standard come DOSA, i progettisti e gli uffici acquisti hanno la possibilità di scegliere soluzioni modulari standard offerte da più fornitori. I moduli per la conversione nel punto di carico qui descritti permettono al progettista di poter dedicare il proprio tempo ad attività a maggior valore aggiunto per lo sviluppo di soluzioni che aumentano le funzionalità e le prestazione del sistema. Fine Fig 1: I convertitori DC/DC nel punto di carico della famiglia Okami OKL di Murata Power Solutions.

11 Fig 2: Vista inferiore dei convertitori DC/DC nel punto di carico Okami OKL PoL in contenitore ilga che evidenzia gli intagli che facilitano l ispezione visiva e l accesso con sonde per collaudare le saldature. Fig 3: Diagramma a blocchi di un tipico sistema con alimentazione distribuita.

12 Fig 4: Autore: Henry Lee, Product Marketing Manager, Murata Power Solutions.