Basso
consumo
per i moderni sistemi elettronici
Dott. Iain Mosely, Technical Director di zonetech
www.zonetech.com
Per il funzionamento dei sistemi elettronici avanzati è necessario un numero
sempre crescente di rail di tensione c.c. Questi requisiti energetici complessi,
in combinazione con una tendenza verso dispositivi a superiore efficienza
energetica e a cicli di progettazione sempre più brevi, possono diventare un
peso per le aziende, che preferirebbero concentrare risorse sullo sviluppo di
tecnologie cruciali per differenziare i propri prodotti.
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eTech - NUMERO 5
Questo articolo presenta alcune opzioni di
architettura di alimentazione ad alto livello
che è opportuno valutare nella prima fase
del ciclo di progettazione dei prodotti. La
scelta dell'architettura di alto livello influisce
notevolmente sul tipo, il costo e l'efficienza
della topologia di alimentazione utilizzata
per predisporre ciascuno dei rail necessari.
Approccio al sistema
In genere, per qualsiasi prodotto il sistema
di alimentazione riceve energia da un'unica
fonte e richiede numerose uscite c.c.
regolate. La sorgente di energia dipende
dal tipo di prodotto, ma può trattarsi di
alimentazione di rete o a batterie, un
ingresso c.c. per telecomunicazioni o una
fonte di energia rinnovabile.
Il sottosistema di alimentazione
normalmente deve provvedere a varie
funzioni essenziali:
•
•
•
•
•
conversione dell'alimentazione per ciascun
rail. In questo modo, l'energia fornita a
ogni uscita deve attraversare solo uno
stadio di alimentazione e, di conseguenza,
è soggetta soltanto ad una singola perdita
da conversione. Nel caso dei sistemi ad
alimentazione di rete, questa soluzione
spesso non è competitiva, in quanto gli
stadi di alimentazione isolati, normalmente
sono più costosi dei convertitori non
isolati. Un'opzione alternativa è il ricorso
a un'architettura con bus intermedio (IBA,
Intermediate Bus Architecture), in cui un
convertitore isolato ad alta efficienza in
posizione iniziale riduce l'alimentazione in
ingresso a una bassa tensione più sicura,
che quindi alimenta convertitori secondari.
L'approccio IBA consente alla maggior parte
dei convertitori di alimentazione di utilizzare
topologie non isolate, con un risparmio
significativo sui costi.
L'unico lato negativo di questo approccio
è che l'energia erogata sulla maggior parte
dei rail di uscita subisce una perdita in due
stadi di conversione, anziché in uno solo.
Come si può notare nell'IBA illustrata nella
Figura 2, tutta l'energia fornita sui rail N. 2, 3
e 4 è soggetta a perdite sia nel convertitore
in posizione iniziale PSU N. 1, sia in ciascun
convertitore secondario corrispondente.
Proteggere in modo sicuro dalle
condizioni anomale (guasti
nell'elettronica del prodotto o problemi
con la fonte di energia principale)
Fornire tensioni regolate all'elettronica
del prodotto, indipendentemente
dalle variazioni nella fonte di energia
principale o dalla richiesta di carico in
uscita
Poiché l'approccio IBA di frequente viene
scelto per ridurre al minimo i costi, sono
state definite varie linee guida a cui è
possibile attenersi per ottimizzare l'efficienza
complessiva del sistema basato su questa
architettura:
In molti casi, assicurare l'isolamento
galvanico tra la fonte di energia
principale e l'elettronica del prodotto
Controllare la sequenza di accensione/
spegnimento dei rail di alimentazione
c.c., come richiesto dall'elettronica del
prodotto
1. Scegliere una tensione del bus intermedio
equivalente al rail di uscita c.c. con il requisito
di alimentazione più elevato. In questo
modo, la quantità più ampia possibile
dell'alimentazione totale del sistema attraversa
solo uno stadio di conversione.
Offrire tutte le funzionalità precedenti
utilizzando una quantità di energia
minima
2. Dove possibile, cercare di mantenere la
tensione del bus intermedio leggermente
superiore alla maggior parte delle tensioni c.c.
in uscita richieste. Ciò permette di convertire
In genere, il metodo per ridurre al
minimo la perdita di ogni uscita c.c.
consiste nell'utilizzare un singolo stadio di
Alimentazione raw
fonte di energia
principale
Ad es. c.a. di rete,
c.c. automobili,
telecomunicazioni,
batteria, generatore
con la massima efficienza la tensione del
bus intermedio riducendola alle tensioni c.c.
in uscita.
3. Le uscite c.c. con un carico molto limitato
rispetto a quello totale del sistema esercitano
il minimo impatto sull'efficienza complessiva.
Per giustificare una specifica tensione
intermedia si dovrebbero impiegare rail con
requisiti di alimentazione superiori.
Isolamento
Rete
Isolamento
Rete
???
Flusso di energia
figura 1 – Sistema di alimentazione ad alto livello
Prodotti elettronici
Ad es. FPGA, μC, μP,
display, amplificatori di
potenza,
condizionamento del
segnale
c.c.
n. 1
PSu n. 2
c.c.
n. 2
PSu n. 3
c.c.
n. 3
PSu n. 4
c.c.
n. 4
Bus c.c.
intermedio
c.c.
n. 1
PSu n. 1
PSu n. 2
c.c.
n. 2
PSu n. 3
c.c.
n. 3
PSu n. 4
c.c.
n. 4
figura 2
Architettura a convertitore indipendente
(in alto) e a bus intermedio (in basso)
Quando si valutano le implicazioni
commerciali dell'opzione della tensione
del bus intermedio, è opportuno ricordare
che i convertitori secondari in grado di
sostenere tensioni di ingresso elevate
sono probabilmente più costosi e meno
efficienti di quelli adatti a tensioni di
ingresso limitate. Al contrario, l'efficienza
del convertitore dell'alimentazione di rete
in posizione iniziale tende a migliorare in
presenza di tensioni intermedie superiori.
Spesso, la tensione intermedia ottimale
dipende da una combinazione di fattori
tecnici e commerciali, specifici per ciascun
Tensioni c.c. regolate
Sottosistema di
alimentazione
PSu n. 1
“
Continua a pagina 08>
La scelta di
un'architettura
di alto livello
esercita un impatto
significativo sul tipo,
il costo e l'efficienza
della topologia di
alimentazione
”
eTech - NUMERO 5
07
< Continua da pagina 07
Figura 3
Topologia
Schema
Considerazioni
Vout<Vin – L'efficienza si riduce se Vout è molto
inferiore a Vin.
Buck
VoutVOUT
Vin
Vout<Vin – Migliore efficienza rispetto alla
topologia Buck se Vout è molto inferiore a Vin.
Di solito è più costosa della topologia Buck.
Buck
sincrono
VoutVOUT VOUT
Vin
Vout<Vin – Migliore efficienza se Vout non è troppo
superiore a Vin. È difficile disattivare Vout, a causa
del percorso della corrente c.c. attraverso induttori
e diodo.
Boost
VoutVOUT VOUT
Vin
Genera una tensione negativa da una tensione
positiva. Le correnti di picco elevate possono
ridurre l'efficienza.
Inversione
(Buck Boost)
Vin
Vout (Negativa)
OUT(Negativa)
Vout<Vin – Efficienza semplice ma scarsa, tranne
con tensioni in ingresso e in uscita molto simili.
Regolatore
lineare
Vin
prodotto. Per molti dispositivi con rail di
tensione c.c. del sistema da +5 V o meno,
la scelta ideale è optare per una tensione
del bus intermedio pari a circa 12 V. Di
conseguenza, l'adozione di un convertitore
di alimentazione in uscita da +12 V spesso
rappresenta un compromesso adeguato fra
requisiti tecnici e commerciali, per livelli di
alimentazione in uscita di circa 60 W.
Una volta selezionata la tensione del
bus intermedio, si possono scegliere
le topologie di alimentazione per il
convertitore isolato principale e per quelli
secondari. Per una capacità di alimentazione
totale di 60 W, con una tensione del bus
intermedio pari a 12 V, un convertitore
flyback in posizione iniziale può offrire
buone prestazioni, con un'efficienza di
conversione dall'85 al 90%. Le topologie
utilizzate per i convertitori a valle dipendono
dalle tensioni di uscita e dai
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eTech - NUMERO 5
VoutVOUT VOUT
livelli di alimentazione richiesti.
Conclusioni
I complessi requisiti di alimentazione dei
moderni dispositivi elettronici possono
costituire una sfida difficile per i progettisti
orientati a ottimizzare il consumo energetico
dei nuovi prodotti. In termini commerciali,
spesso l'architettura IBA rappresenta
l'approccio migliore, a livello di sistema,
ma la scelta di topologie per i convertitori
di alimentazione, dal convertitore della
tensione del bus a quelli secondari,
influisce in modo significativo sull'utilizzo
dell'energia da parte del prodotto. Per
ridurre al minimo il rischio di sviluppo,
è opportuno affrontare la progettazione
dell'alimentazione dei sistemi adottando un
approccio modulare flessibile, che consenta
di modificare agevolmente il sistema di
alimentazione in fase di progetto, al fine di
ottimizzare il consumo energetico. Spesso
le misurazioni del consumo vengono
effettuate unicamente alla fonte di energia
principale (ad esempio, l'alimentazione di
rete in ingresso), ma ciò può impedire di
riconoscere le parti che, nel sottosistema
di un prodotto, richiedono la maggiore
quantità di energia. Non sarebbe meglio
comprendere più in profondità, sin dalla
fase di progettazione di un prodotto, come
viene utilizzata l'energia?
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