Articolo. Considerazioni per la scelta di convertitori DC/DC isolati in formato brick

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1 Ref.: MPS352A Murata Power Solutions Articolo Considerazioni per la scelta di convertitori DC/DC isolati in formato brick Paul Knauber, Field Applications Engineer, Murata Power Solutions Introduzione La scelta del migliore convertitore DC/DC isolato in formato brick per una determinata applicazione può presentare notevoli difficoltà a un progettista. Ci sono varie circostanze che possono motivare la scelta di una particolare soluzione. Tra i fattori da considerare ci sono la risposta al transitorio, il rendimento, le condizioni ambientali e gli aspetti meccanici del prodotto. Questo articolo esaminerà alcune delle considerazioni tecniche legate alla scelta di un convertitore in formato brick ottimo per un applicazione. Il formato brick

2 I convertitori isolati in formato brick (mattone) sono disponibili in una gamma di dimensioni normalizzate, tra cui 1/16, 1/8, ¼, ½ brick e brick intero (full brick), che sono riportate nella tabella 1. La scelta di uno specifico formato è tipicamente dettata dal livello di potenza richiesto. L evoluzione tecnologica ha consentito un aumento nel tempo del livello di potenza offerto in un dato formato. Ad esempio, i primi prodotti in formato mezzo brick offrivano potenze di appena 50 W, mentre i prodotti oggi disponibili con le stesse dimensioni gestiscono diverse centinaia di Watt. Lo spazio sulla scheda è una considerazione chiave nella scelta di un convertitore. I progettisti spesso desiderano la maggior potenza possibile nel minore spazio possibile; ma va tenuto presente che l evoluzione tecnologica continuerà a garantire un aumento della densità di potenza, per cui alcuni utilizzatori potrebbero saggiamente scegliere il formato un quarto di brick ovunque sia possibile. Tale scelta è motivata dal fatto che qualora nel corso di vita del prodotto nascesse l esigenza di ridurre i costi, potrebbe esserci disponibile un convertitore in formato ottavo di brick con la stessa potenza. Ciò permetterebbe di rimpiazzare il convertitore originario con uno a costo inferire senza dover alterare la scheda a circuito stampato. Isolamento I convertitori isolati usano un trasformatore così da non avere alcuna connessione fisica tra il ramo primario e secondario del trasformatore. L isolamento può servire per diverse cose, tra cui la conformità alle norme sulla sicurezza, l immunità al

3 rumore e per avere un riferimento di massa alternativo. L isolamento è particolarmente utile nella applicazioni di telecomunicazione dove la tensione di alimentazione primaria è spesso di -48 V (massa positiva), mentre la maggior parte delle tensioni sul secondario sono configurate con massa negativa. Esistono diversi standard sulle tensioni di isolamento e talvolta fanno riferimento anche a specifiche classi di isolamento. Potenza di uscita I convertitori brick isolati sono generalmente disponibili con potenze di uscita da circa 50 W fino a diverse centinaia di Watt. Il livello di potenza raggiungibile per ogni dimensione tipica del formato brick rimane una funzione della corrente e tensione di uscita, della frequenza di commutazione e del rendimento di conversione. Per ogni tensione di uscita, la densità di potenza continua ad aumentare grazie al miglioramento tecnologico della componentistica e al ricorso a topologie circuitali ottimizzate che consentono di raggiungere rendimenti sempre più elevati. Gestione del calore L ambiente in cui un convertitore DC/DC isolato in formato brick è destinato a funzionare è forse il parametro più importante da considerare con attenzione. I fattori chiave sono la temperatura massima di funzionamento e il flusso d aria che attraversa il contenitore, che può essere generato sia per convezione naturale, sia per convezione forzata tramite una ventola di raffreddamento.

4 Nella applicazioni che devono essere ermeticamente protette dagli agenti esterni, le ventole non possono essere utilizzate. In tale situazione, il raffreddamento per convezione naturale si può ottenere attaccando il modulo ermetico a un supporto, dispersore di calore o dissipatore; il raffreddamento avviene per conduzione. Per le applicazioni limitate al raffreddamento per convezione naturale, i convertitori in formato brick devono essere tipicamente utilizzati in condizioni di lavoro inferiori rispetto a quelle massime, a seconda della temperatura ambiente alla quale devono funzionare. Molti convertitori in formato brick incorporano un supporto per il raffreddamento per conduzione oppure sono offerti con un supporto in opzione. Il supporto migliora le prestazioni termiche, sia per il raffreddamento per convezione naturale, sia per convezione forzata, ma permette anche di utilizzare il prodotto in applicazioni con raffreddamento per conduzione, nella quale il supporto viene attaccato a un dissipatore di calore o piatto freddo. Quando di considera la temperatura dell applicazione, è fondamentale comprendere che quella che conta è la temperatura del convertitore, e non quella dell aria nell ambiente in cui il convertitore andrà a funzionare. La maggior parte dei convertitori isolati in formato brick comprendono un circuito di spegnimento termico che protegge il convertitore dai danni dovuti a escursioni termiche eccessive. Questi circuiti di protezione possono spegnere il convertitore e riattivarlo automaticamente quando la temperatura ritorna normale. Vengono aggiunti in tal caso vari livelli di isteresi per prevenire le oscillazioni. Tensione di ingresso

5 Le gamme di tensioni di ingresso dei convertitori in formato brick sono generalmente con rapporto 2:1, il che significa che la massima tensione di funzionamento è pari al doppio della minima tensione di funzionamento. Gli esempi tipici sono V e V. Murata Power Solutions offre anche modelli con rapporto di tensione più ampio, pari a 4:1, con gamme di ingresso di 9-36 V e V. I moduli con rapporto 4:1 sono particolarmente utili a quei progettisti di sistemi che devono confrontarsi realtà dove i prodotti sono destinati a essere installati in zone dove le tensioni di ingresso disponibili sono le più diverse. Prima che il miglior convertitore in formato brick possa essere scelto vanno ancora considerati vari fattori riguardanti i moduli e le applicazioni, tra cui: caratteristiche del carico, ambiente operativo, effetto della tensione di ingresso sul rendimento del convertitore, taratura della tensione di uscita e degrado prestazionale. Caratteristiche del carico Per analizzare completamente le caratteristiche richieste alle uscite del convertitore, devono essere valutati diversi dettagli del profilo di carico. Il primo passo è capire come la corrente di carico è stata determinata. E fin troppo frequente il caso che la corrente di carico sia calcolata assumendo i valori peggiori ricavati dalle specifiche dei componenti, ai quali si aggiungono dei margini di sicurezza. D altro canto, è possibile che sia stato usato un valore medio nei calcoli, che risulta adatto per le analisi termiche, ma che ignora i requisiti di picco. Un altro metodo frequentemente utilizzato è quello di fare riferimento alla generazione precedente del prodotto.

6 Ciascuno di questi metodi ha la sua validità entro certi limiti, ma porta con sé dei rischi che vanno compresi e valutati. Un ulteriore questione riguardante il carico è di sapere se avrà un profilo dinamico o praticamente statico. Se il carico è dinamico, bisogna rispondere a qualche domanda supplementare, come la velocità di variazione della corrente (di/dt) associata alle variazioni del carico, l ampiezza delle variazioni di carico istantanee e la massima escursione della tensione che il carico può tollerare durante le variazioni. In casi dove le variazioni istantanee del carico siano significative e l escursione di tensione debba essere minima, vengono spesso utilizzati dei condensatori per gestire la risposta a breve termine, mentre il convertitore gestisce il recupero delle condizioni ottimali nel lungo termine. A questo proposito, l effettiva frequenza di commutazione e la massima capacità di carico giocano un ruolo importante nella selezione del convertitore. L ultima domanda da porsi riguarda qual è il duty cycle di un carico dinamico. Se il valore del duty cycle fosse del 90%, significherebbe che per il 90% del tempo il carico assorbirebbe di più del suo livello statico, producendo un assorbimento medio più elevato del carico statico. Rendimento Il maggior contributo alla modellazione del rendimento in un applicazione deriva dalla tensione di ingresso alla quale il convertitore verrà usato e dal carico in uscita. Più alta è la tensione di ingresso per un data tensione di uscita, meno efficiente sarà

7 il convertitore. Il contributo primario alla riduzione del rendimento in condizioni di alimentazione è dovuto alla perdite di commutazione dei transistor a effetto di campo (FET) utilizzati sia lato primario che su quello secondario del convertitore. Il secondo contributo è dovuto alla crescita di temperatura; poiché la resistenza di conduzione (R DS on ) dei FET aumenta con la temperatura, salgono di conseguenza le perdite di conduzione. I livelli di rendimento tipici per i convertitori DC/DC isolati vanno da circa l 80% fino a circa il 97,5%. Regolazione fine Se l applicazione richiede la funzionalità di taratura e regolazione fine della tensione di uscita, anche di questo è necessario tenerne conto. Se consideriamo un convertitore DC/DC con un uscita a 5 V e carico di 10 A (50 W di potenza d uscita), allora la regolazione fine dell uscita fino al +10% genera 5,5V, con un conseguente aumento della potenza a 55 W. Il progettista deve considerare con attenzione se questi 5 W supplementari avranno un impatto sulle prestazioni del modulo, tenendo presente che il flusso d aria e la temperatura ambiente rimangono le stesse indipendentemente dalla potenza di uscita che è aumentata. Le stesse considerazioni si applicano alla misurazione remota (remote sensing). Sintesi Ci sono molti fattori che influenzano la scelta di un convertitore DC/DC isolato in formato brick per una data applicazione. E importante considerare attentamente i fattori descritti per percorrere con successo il cammino dal concetto iniziale alla

8 realizzazione di un progetto definitivo di un prodotto pronto a essere immesso sul mercato. In generale, per un dato progetto, è una buona idea sviluppare il prodotto utilizzando un convertitore DC/DC di maggior potenza. Dopotutto, una versione più piccola e meno costosa può essere sostituita successivamente una volta completati i collaudi necessari senza dover rivoluzionare il progetto complessivo. Fine Form Factor of the Brick and Fractions thereof. Ref. MPS352/A