Nel Power Tip 44 abbiamo esaminato i requisiti di bypass dei condensatori per i carichi con elevate variazioni di corrente dinamica. Abbiamo sottolineato l’importanza di disporre di condensatori con un’induttanza in serie equivalente (ESL) ridotta e vicini al carico, dato che meno di 0,5 nH possono creare escursioni di tensione inaccettabili. Realisticamente, ottenere un’induttanza così bassa richiede la presenza di più condensatori di bypass e di più pin di interconnessione nel package del processore. Ora analizzeremo il valore di capacità di bypass richiesto con requisiti di/dt realistici nell’uscita dell’alimentazione.

Fig. 1 – Un semplice modello P-SPICE semplifica la progettazione del sistema

La figura 1 mostra il modello P-SPICE del sistema di alimentazione utilizzato per questa analisi. La figura presenta un’alimentazione con circuiteria di compensazione, modulatore (G1) e condensatore di uscita. Sono inclusi l’induttanza di interconnessione e un modello di carico con capacità di bypass, carico CC e carichi a fasi.

Per prima cosa è necessario decidere se trattare l’alimentazione e il carico come scatole nere separate o se affrontare il problema attraverso una progettazione completa del sistema di alimentazione. Utilizzando un approccio a livello di sistema, è possibile sfruttare la capacità di bypass di carico per ridurre la capacità di uscita dell’alimentazione, risparmiando sui costi di sistema. Scegliendo invece un approccio a livello di scatola nera, è possibile testare separatamente l’alimentazione e il carico. Indipendentemente dalla scelta, sarà comunque necessario determinare quanto della capacità di bypass risulta richiesto per il carico.

Per prima cosa è necessario stimare l’induttanza di interconnessione e la resistenza tra l’alimentazione e il carico. Tale impedenza di interconnessione (LINTERCONNECT) crea un filtro passa basso con il condensatore di bypass (CBYPASS). Consideriamo per questo esempio un valore basso per l’impedenza di uscita dell’alimentazione. Utilizzare l’impedenza caratteristica di questo filtro passa basso (ZO), la grandezza della fase di carico (ISTEP) e la variazione di tensione consentita (dV) per stabilire i requisiti del filtro di bypass (equazioni 1 – 2):

Risolvendo l’equazione 2 per Z0 e sostituendola nell’equazione 1, si ottiene l’equazione 3:

È interessante sottolineare che il valore di capacità necessario è correlato al quadrato della corrente di carico, diviso per il quadrato della perturbazione consentita, ciò significa che entrambi i valori devono essere determinati attentamente.

L’induttanza di interconnessione può passare da poche decine di un nH con un’alimentazione collocata a poche centinaia di nH con un’alimentazione localizzata in remoto. In genere si considera un incremento dell’interconnessione di circa 15 nH per pollice. Per un corrente di carico da 10 amp e una perturbazione consentita di 30 mV, i requisiti di esclusione possono variare da 500 uF per 5 nH ad appena 50 mF per 500 nH.

Tale filtro riduce anche la frequenza dell’alimentazione dell’incremento della corrente di carico. Se un filtro viene eccitato da un’onda quadra di corrente, la corrente dell’induttore risulta sinusoidale. Il tasso di incremento viene calcolato differenziando la forma d’onda della corrente nelle equazioni 4 – 7.

Con 5 nH di interconnessione e 500 uF di bypass, una fase da 10 amp crea un tasso di incremento nella corrente di alimentazione di 0,2 A/uS. Un’induttanza maggiore comporta valori di/dt inferiori. Si tratta di valori molto inferiori rispetto a quelli normalmente specificati dai progettisti di sistemi.

Nell’approccio a livello di sistema, si riduce al minimo la capacità totale massimizzando allo stesso tempo la larghezza di banda del ciclo chiuso. Passiamo adesso all’approccio a livello di scatola nera. In questo approccio è necessario rendere stabile l’alimentazione ai due estremi, senza alcuna capacità di bypass e con la massima capacità di bypass prevista.

Come indicato in precedenza, l’induttanza di interconnessione può incrementare i requisiti della capacità di bypass del carico. Utilizzando l’approccio a livello di scatola nera, tale aspetto ha a sua volta un impatto diretto sulla capacità dell’alimentazione. L’intervallo della capacità collegata stabilisce l’intervallo della frequenza di crossover dell’alimentazione. In entrambe le modalità di tensione e corrente, il rapporto risulta proporzionale. È possibile massimizzare la frequenza di crossover senza alcuna capacità di carico, tuttavia, una volta collegato il carico, la frequenza di crossover si riduce considerevolmente.

Tabella 1 – Mantenere i costi di sistema di alimentazione bassi utilizzando un approccio a livello di sistema

La tabella 1 presenta un confronto tra i condensatori richiesti per tre induttanze interconnesse destinate al nostro sistema esemplificativo. Tali dati sono stati generati variando l’induttanza di interconnessione, calcolando la capacità di bypass del carico e progettando una fase di uscita appropriata e un ciclo chiuso di controllo per l’alimentazione. Il Caso 1 presenta il carico e l’alimentazione collocati; il Caso 2 presenta un valore medio per l’induttanza di interconnessione tra l’alimentazione e il carico. Nel Caso 3 il sistema presenta un valore estremo della caratteristica di induttanza di un’alimentazione collegata via cavo. Il valore di bypass richiesto è direttamente correlato all’induttanza di interconnessione.

In questo esempio, il Caso 3 presenta un valore di induttanza, e pertanto di capacità di bypass, 100 volte superiore. Ciò comporta un’ondulazione di tensione ,dato che quest’ultima deve rimanere stabile con e senza i condensatori di bypass. Chiaramente, è da favorire il primo approccio, dato che utilizza il minor numero di condensatori e dovrebbe pertanto risultare il più economico. Nel Caso 2, con un’induttanza di interconnessione ragionevolmente controllata, è presente un incremento moderato nel numero di condensatori. Un valore elevato di induttanza di interconnessione, come quello presente nel Caso 3, presenta invece un costo elevato. Nei Casi 2 e 3 non va sottovalutata la comodità di eseguire test autonomi dell’alimentazione.

Fig. 2 – L’oscillazione transitoria della tensione diventa un problema in presenza di un’induttanza elevata di interconnessione

La figura 2 confronta le simulazioni della variazione di tensione di uscita durante i transitori di carico con un’induttanza di interconnessione limitata ed elevata. La risposta dell’induttanza limitata si esaurisce in fretta, mentre l’induttanza elevata non viene altrettanto esaurita e richiede più tempo per risolversi. Ciò è dovuto alla maggiore impedenza caratteristica e alla minore frequenza risonante. Inoltre, possono verificarsi variazioni di tensione estremamente ampie e potenzialmente dannose, qualora la corrente di carico dovesse pulsare a tale frequenza risonante.

Riepilogando, i carichi di/dt elevati richiedono un attento dimensionamento delle capacita di bypass per preservare la regolazione dinamica dell’alimentazione. L’utilizzo di un’interconnessione a bassa induttanza risulta essenziale tra il carico e i condensatori di bypass, così come tra i condensatori di bypass e il carico. Un approccio a livello di sistema conduce a una soluzione dal costo ridotto. Molti progettisti di sistemi sottovalutano i potenziali risparmi legati all’eliminazione della capacità dell’alimentazione, in favore di un semplice collaudo del sistema.

Nel prossimo incontro analizzeremo i risultati empirici per determinare la tempistica ottimale del comando di gate in un buck sincrono.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: http://www.ti.com/power-ca

Per contattare Robert Kollman: powertips@list.ti.com

La tecnologia di filtraggio attivo delle EMI (AEF, Active EMI Filtering) costituisce un approccio relativamente nuovo al filtraggio delle EMI e permette di attenuare le EMI consentendo inoltre agli ingegneri di ridurre sensibilmente le dimensioni e i...

A embedded world 2022, Texas Instruments presenterà i nuovi processori Sitara AM62, componenti destinati a espandere l’elaborazione con intelligenza artificiale per nuove applicazioni e caratterizzati da una elevata efficienza dal punto di vista energetico. La struttura a...

Keysight Technologies ha annunciato che la società ha ricevuto il Supplier Excellence Award 2021 da Texas Instruments nell’ambito del suo programma annuale di premiazione per i fornitori. Keysight è stata una delle poche aziende selezionate tra gli...

Con la miniaturizzazione dei dispositivi cresce la domanda di circuiti integrati per la protezione da sovratensioni, sovratemperature e correnti eccessive Leggi l’articolo completo su EO 502

Le applicazioni industriali e automotive come i caricabatterie di bordo, gli inverter di stringa e gli azionamenti motore  richiedono una qualche tipologia di misurazione della corrente isolata per pilotare l’algoritmo di feedback per il loop di controllo...

Per gestire la complessità del software, gli sviluppatori possono usare un driver per motori BLDC dedicato, come A4964KJPTR-T, che integra tutte le funzionalità di controllo motori Leggi l’articolo completo su EO Power 28

Texas Instruments ha presentato una nuova gamma di relè a stato solido compatti, completi di driver e interruttori isolati qualificati per il settore automotive. Lo switch driver isolato TPSI3050-Q1 con alimentazione integrata del gate a 10 V...

  Leggi l’articolo completo su Embedded 84

Negli articoli precedenti è stata esaminata l’ottimizzazione del circuito di un amplificatore operazionale (op-amp) per il risparmio energetico e analizzate alcune delle applicazioni che possono trarre vantaggio dagli amplificatori con capacità di alimentazione a bassa tensione. In...

In questo articolo verranno trattati i circuiti integrati per caricabatteria compatti e le soluzioni per i prodotti ecografici PoC (point of care) utilizzati dai professionisti del settore medico per eseguire diagnosi ovunque un paziente sia in cura...

La tecnologia di filtraggio attivo delle EMI (AEF, Active EMI Filtering) costituisce un approccio relativamente nuovo al...

A embedded world 2022, Texas Instruments presenterà i nuovi processori Sitara AM62, componenti destinati a espandere l’elaborazione...

RAFI  ha annunciato la riqualificazione energetica della sede di Berg e il potenziamento della...

Mouser Electronics ha presentato l’ultimo capitolo del programma Empowering Innovation Together. In questo episodio,...

Sunlight Group Energy Storage Systems (Sunlight Group) ha acquisito da BMG Energy il restante...

RAFI  ha annunciato la riqualificazione energetica della sede di Berg e il potenziamento della...

Renesas Electronics ha ampliato la sua serie di microcontrollori RX con l’aggiunta della versione...

Yokogawa ha presentato due nuovi analizzatori di spettro ottico (OSA) in grado di misurare...

Elettronica Plus è un network di Quine. Quine srl Direzione, amministrazione, redazione, pubblicità Via Spadolini 7 - 20141 Milano Tel. +39 02 864105 | Fax +39 02 72016740 | P.I.: 13002100157 Contatti: media.quine.it | www.quine.it | quineformazione.it Privacy
Copyright 2021 - Tutti i diritti riservati