Power Module: scelta vincente, se fatta con criterio
I moduli di alimentazione, o power module, sono la scelta giusta quando ci si vuole affidare alla competenza
degli esperti e arrivare in fretta sul mercato; ma bisogna scegliere bene, perchè dalla loro architettura
possono dipendere in maniera rilevante le prestazioni del vostro alimentatore.
Nello sviluppo di regolatori switching step-down a livello di silicio (controller più FET), o power-modules, dove
integrazione e facilità d'impiego rispetto ad un più completo sottosistema d'alimentazione sono preferibili, i
sistemisti sono sotto grande pressione. Col risultato che, spesso, si lasciano prendere la mano nell'integrare
pù potenza e prestazioni all'interno di dimensioni sempre più ridotte, influenzando così negativamente le
caratteristiche elettriche e termiche del sistema.
Vari sono gli ostacoli che i sistemisti devono superare sulla via verso il paradiso dell'integrazione. Tra questi,
una maggiore probabilità di accoppiamento del rumore dovuta alla estrema prossimità dei componenti, e la
dissipazione del calore, visto che si vuole gestire sempre più potenza in spazi sempre più ristretti.
Per soddisfare questi pressanti requisiti, i progettisti cercano strade sempre più innovative, sia in termini di
architetture che di approcci topologici in grado di ricavare le massime prestazioni da package sempre più
piccoli. Ed è proprio in tale contesto di innovazione, che il progettista deve poi sciogliere il suo dilemma:
scegliere la soluzione più adatta e più prestante. Ma con alcune difficoltà: le tecniche utilizzate nelle diverse
soluzioni possono influenzare enormemente il costo del sistema nel suo complesso come pure alcuni aspetti
delle sue prestazioni come dissipazione di calore, risposta ai transienti, ripple, e facilità di impiego.
Modulare piuttosto che discreto
Molte sono le ragioni che spingono un progettista a scegliere un power module piuttosto che progettare un
convertitore a componenti discreti: tra queste, non ultime, l'immediatezza d'uso e il time-to-market. Grazie a
questi dispositivi, il progetto può essere portato facilmente e velocemente a termine solo aggiungendo
alcuni condensatori all'ingresso e all'uscita e, soprattutto, senza spiacevoli sorprese circa prestazioni di base
e spazio occupato. In definitiva, come illustra la fig.1, il power module è un completo sistema di conversione
incapsulato in un package che comprende controller PWM, switching MOSFET sincroni, induttanze e
componenti passivi.
Per esempio, il power module ISL8203M di Intersil ha un package dal profilo estremamante basso di
1,83mm, simile all'altezza di un condensatore di formato 1206. Inoltre, fornisce eccellenti prestazioni
elettriche e tecniche da soddisfare anche i requisiti più esigenti. Normalmente un tale biglietto da visita
sarebbe più che sufficiente: ma dal momento che come questo modulo è stato progettato ne può
influenzare molto alcuni parametri prestazionali, con le possibilità operative che ne conseguono, è
opportuno guardarci dentro.
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Figura 1: I power module ad alta integrazione richiedono solo condensatori di ingresso e di uscita e a volte
alcuni componenti esterni addizionali per renderli più adattabili alle necessità dell'utente
ISL8203M: uno sguardo all'interno
L'ISL8203M è un completo power module DC-DC ottimizzato per produrre basse tensioni di uscita
nell'intervallo da 0,8 a 5V, ideale quindi per ogni applicazione a bassa potenza e bassa tensione, con
ingresso da 2,85 a 6V. Strutturato in due canali, sfasati di 180° al fine di ridurre le correnti RMS d'ingresso
e le emissioni EMI, è in grado di fornire una corrente d'uscita di 3A per canale. I due canali possono essere
messi in parallelo a formare una singola uscita di 6A in current-sharing: in tale modalità, lo sfasamento
riduce il ripple in ingresso e in uscita.
L'ISL8203M è alto solo 1,83mm ,con una pianta di 6,5mm x 9mm (fig.2) e, come risulta dalla tabella 1, è
anche il piu compatto dal punto di vista dimensionale per un determinato campo di tensioni e correnti di
ingresso e uscita; con il suo volume complessivo di soli 107 mm3, è decisamente il più piccolo tra tutti i
dispositivi concorrenti. Nonostante la sua compattezza, può vantare una ottima efficienza, come mostra la
fig.3.
Figura 2: Il package del power-module ISL8203M misura 6,5mm x 9mm x 1,83mm
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Table 1. ISL8203M è il power module incapsulato da 6A più compatto
Parts
Current
Input
Output
Overall Size
Competitor 1
Dual 4A /
Single 8A
2,375V – 5,5V
0,8 – 5 V
15 x 15 x 2,82mm
635mm3
Competitor 2
Single 6A
2,375 – 6,6 V
0,6 – 5 V
11 x 8 x 1,85mm
163mm3
Competitor 3
Single 6A
2,95 – 6 V
0,8 – 3,6 V
11 x 9 x 2,8mm
277mm3
ISL8203M
Dual 3A /
Single 6A
2,8V to 6V
0,8 – 5 V
9 x 6,5 x 1,83mm
107mm3
A. Singola uscita 3A a 5Vin
B. Due uscite 6A in parallelo a 5Vin
Figura 3: Efficienza dell' ISL8203M in varie condizioni di tensione e corrente d'uscita
Un piccolo package con eccellenti prestazioni termiche
Dal punto di vista costruttivo, L' ISL8203M usa un package QFN (quad-flat, no-leads) in cui il componente
interno è saldato direttamente al lead frame in rame (figura 4). I wire bond, applicati alla sommità del
componente interno, ne garantiscono il collegamento al lead-frame. Una colata di resina interviene infine a
formare un package completamente incapsulato.
Una tale struttura permette che il calore prodotto dai componenti interni sia dissipato direttamente dal rame
del lead frame che ha una conduttività termica di ~385 W/mK, ben 1000 volte quello del circuito stampato
(PCB) che solitamente è dell'ordine di 0.343 W/mK. Come risultato, il lead frame di rame può aiutare a
dissipare il calore molto meglio di quanto non avvenga in un modulo costruito su PCB. Inoltre, dal momento
che il lead-frame di rame può avere uno spessore 6 volte quello di 1oz di rame tipico di un normale PCB, il
lead frame del modulo può aiutare a disperdere il calore su una grande superficie, accelerando così il
trasferimento di calore sulla piastra principale.
In conclusione, la prestazione termica del modulo può essere migliore che in una soluzione discreta dove il
componente è saldato direttamente al PCB di sistema.
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Figura 4. Struttura interna dell'ISL8203M
E' importante notare che anche il materiale di impregnazione nella struttura può avere un effetto analogo di
trasmissione del calore al leadframe di rame. Sebbene la resina abbia una bassa conducibilità termica, il
calore può comunque passare attraverso l'impregnazione in senso orizzontale e quindi dissiparsi sul lead
frame. L'impregnazione inoltre incrementa l'area effettiva del trasferimento di calore dal componente
interno di potenza, diminuendo così la resistenza termica dall'interno verso l'ambiente. E' questo un altro
importante vantaggio dei power module: la possibilità di gestire una considerevole potenza in un contenitore
più piccolo rispetto a soluzioni discrete.
Consideriamo la prestazione termica di un ISL8203M montato su una evaluation board standard a 4 strati
con i 2 strati esterni in rame da 2oz e gli strati interni in rame da 1oz (fig 5). In uno scenario di caso pessimo
di questo tipo: ingresso 5V, uscita 3,3V a 6A senza flusso d'aria e temperatura ambiente di 25°C, la
massima temperatura del modulo è di soli 66,8°C.
Figura 5: In worst-case scenario, conversione da 5Vin a 3.3Vout 6A – senza corrente d'aria e temperatura
ambiente di 25°C -- l' ISL8203M raggiunge una massima temperatura di soli 66.8°C
Per i transienti, i moduli Current-Mode offrono migliori prestazioni
Generalmente nei moduli si usano 2 tipologie di schemi di controllo: current-mode e voltage mode.
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Per assicurare una veloce risposta ai transienti sotto varie condizioni di carico, l'ISL8203M usa uno schema
di controllo current mode per regolare la tensione di uscita (fig. 6). Il segnale di corrente è derivato dalla
tensione attraverso la resistenza di conduzione (Rdson) del FET superiore del convertitore buck sincronizzato.
Questo segnale è poi introdotto nell'amplificatore di corrente, la cui uscita subisce una compensazone in
pendenza prima di essere confrontata con l'uscita dell'amplificatore d'errore per produrre quello che ora
diventa il segnale modulato in larghezza (PWM). Attraverso il driver, il segnale PWM può controllare il
convertitore buck sincronizzato per ottenere la voluta regolazione di tensione. La compensazione
dell'amplificatore d'errore è necessaria per incrementare il guadagno del loop e il margine di fase per
ottenere la migliore prestazione e stabilità.
La struttura del controllo voltage-mode è più semplice: in essa il blocco tratteggiato nella figura 6 (a) è
sostituito da una rampa a dente di sega con frequenza fissa (b). Questa rampa, invece del segnale di
corrente della struttura curent-mode, è confrontata con l'uscita dell'amplificatore d'errore per produrre il
segnale PWM richiesto.
Il controllo voltage-mode è anche facile da comprendere. Come mostra la figura 7, il suo sistema ad anello
aperto è un sistema di secondo ordine, in cui induttanza e condensatore d'uscita costituiscono i poli
complessi. Come mostra chiaramente la figura 7(b), la sua fase normalizzata Tv(s) cade molto rapidamente
di 180° intorno alla frequenza di risonanza di 20kHz dei poli complessi. Questo sistema è dipendente dai
componenti di compensazione per incrementare il margine di fase allo scopo di raggiungere la stabilità.
D'altro canto, ha solo 10° di margine di fase alla frequenza di crossover di 50kHz, come risulta dalla figura
7(b), mentre per rendere stabile il loop è necessario un più elevato margine di fase, solitamente maggiore di
40°.
Se prendiamo lo stesso sistema di controllo voltage-mode rappresentato in (b) e lo trasformiamo nel loop di
corrente della figura 6(a) questo diventa un sistema di controllo current-mode. Il diagramma di Bode a loop
aperto del sistema è mostrato in figura 7 come Tc(s). Questo è simile ad un sistema di primo ordine alla
bassa frequenza, così la fase è sensibilmente innalzata da 20kHz a 500kHz (figura 7(b)). Anche senza i
componenti di compensazione, il sistema è comunque stabile. Anche se si aggiunge una semplice
compensazione per aumentare il guadagno a bassa frequenza e spingere la frequenza di crossover a circa
50kHz, il margine di fase del controllo current-mode può ancora essere di circa 80°, sufficiente per tenere
stabile il sistema. Così, per un controllo current-mode, la compensazione è relativamente semplice, rispetto
al voltage-mode, e può coprire una ampia gamma di differenti capacità d'uscita grazie al grande incremento
di fase a loop aperto.
A. ISL8203: Schema semplificato di controllo
current-mode
B. tipico schema di controllo voltage-mode
Figura 6. schema di controllo current- e voltage-mode
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7A. Guadagno open loop di voltage e current-mode
7B. (b) fase open-loop di voltage e current mode
Figura 7. Diagrammi di Bode open-loop di controllo voltage- e current-mode
Nei power module la compensazione è fissa internamente al package: ciò vuol dire che se le capacità
d'uscita cambiano a seconda delle particolari applicazioni, i poli complessi del controllo voltage-mode
possono spostarsi significativamente. La compensazione fissa non potrà mai coprire un ampio range di
capacità d'uscita dal momento che la sua fase a loop aperto alla frequenza di risonanza LC è troppo bassa.
Così in molti casi si può stabilire un insufficiente margine di fase al variare delle condizioni del carico. Per
evitare questo problema, il modulo voltage-mode deve ridurre la larghezza di banda del loop (frequenza di
cross-over) al fine di garantire un sufficiente margine di fase che consenta di ottenere la stessa stabilità
nelle varie condizioni di carico di un controllo current-mode. La contropartita di una minor larghezza di
banda è però una scarsa prestazione in termini di risposta ai transienti.
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Per illustrare questa inopportuna differenza di prestazioni rispetto ai transienti, abbiamo scelto un power
module concorrente da 4A con controllo voltage-mode da mettere a confronto con l' ISL8203M, riportando i
rispettivi diagrammi di Bode per i due modi nella figura 8.
Stabilendo per il test le medesime capacità d'uscita, con margine di fase per entrambi di 60°, la loop
bandwith dell' ISL8203M a singola uscita 3A è molto più alta di quella del modulo voltage-mode, portando
alla conclusione che l' ISL8203M ha una migliore prestazione ai transienti (figura 9). Nelle medesime
condizioni di test, l' ISL8203M ha una variazione picco-picco di 240mV e un tempo di recupero di soli 25µS,
contro i 275mV picco-picco e 70µS del voltage-mode.
8A. ISL8203M: 1 uscita 3A
8B. Modulo voltage-mode concorrente
Figura 8: Closed-loop Bode plots di controlli current-mode e voltage-mode in confronto (5Vin to 1Vout/3A,
con medesima COUT=2x10µF ceramica + 47µF tantalio)
9A. ISL8203M: singola uscita 3
9B. power module concorrente in voltage-mode
Figura 9: Risposta ai transienti di carico con le medesime capacità d'uscita (5Vin to 1Vout, 0 a 3A, COUT=
2x10µF ceramica + 47µF tantalio; gradino di corrente con slew rate di 1A/µs)
Ripple più basso con le uscite in parallelo
L' ISL8203M può fornire due uscite separate da 3A o una da 6A. Quando funziona a 6A, le due uscite
vengono collegate in parallelo come indicato in figura 10. Con uno sfasamento di 180° tra le due uscite, i
ripple in ingresso e uscita si riducono drasticamente. Come mostra la figura 11, il ripple con le uscite in
parallelo è di soli 11mV, mentre quello del modulo monofase della concorrenza arriva a 36mV nelle stesse
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condizioni. Cosa molto importante, l'ISL8203M per ottenere un certo ripple in uscita ha bisogno di una
capacità di valore inferiore alla metà di quella richiesta dal modulo monofase concorrente, con un
conseguente risparmio di costo.
Figura 10: L'ISL8203M può essere fac ilmente e velocemente programmato per operare in parallelo
11A. ISL8203M: ripple a 4A con due uscite in
parallelo
11B. Ripple di un modulo concorrente singola uscita
4A
Figura 11: Ripple in uscita con gli stessi condensatori (5Vin to 1Vout 4A, COUT= 2x4.7µF ceramica + 68µF
POSCAP; gradino di corrente con slew rate 1A/µs)
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Conclusione
L' ISL8203M si presenta in un package compatto con prestazioni elettriche e termiche in grado di soddisfare
le esigenze più critiche. Senza bisogno di dissipatore o di aria forzata, fornisce al carico una potenza
complessiva di 20W, raggiungendo una massima temperatura di soli 66,8°C.
Il suo schema di controllo current-mode gli permette di esprimere buone prestazioni ai transienti con un
eccellente residuo picco-picco e un recovery time un terzo di quello dei moduli concorrenti. La sua speciale
modalità di funzionamento in parallelo lo mette in grado di fornire 6A con un ripple estremamente basso e
due uscite sfasate di 180°, particolarità che consente di raggiungere un determinato coefficiente di ripple
con un significativo risparmio di costo in componenti.
Con queste prestazioni di prim'ordine, l' ISL8203M è un'ottima scelta per qualsiasi applicazione a bassa
potenza e bassa tensione, come in test e misure, infrastrutture di comunicazione e sistemi di controllo
industriali, tutte necessitanti di alta densità e buone prestazioni.
Per superare le sfide poste dal progetto di sottosistemi di potenza, molti progettisti sono orientati all'impiego
dei power module invece dei tradizionali point-of-load, quando time-to-market, dimensioni, vincoli,
affidabilità e flessibilità sono fattori determinanti. Per maggiori informazioni sull' ISL8203M di Intersil,
visitare www.intersil.com/products/ISL8203M.
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