Miniaturizarea surselor de alimentare

Surse de alimentare

În industria electronică, miniaturizarea a reprezentat întotdeauna un subiect de interes major, în special în cazul surselor de alimentare. Frecvent, calitatea unei surse de alimentare este exprimată în termeni de putere per volum. Acest articol analizează câteva aspecte de proiectare a surselor de alimentare care pot contribui la atingerea obiectivului de reducere a dimensiunilor.

Reducerea numărului de componente externe

Figura 1: Regulator în comutație clasic cu un semiconductor și componente pasive. (Sursa imaginii: ADI)

De regulă, o sursă de alimentare conține cel puțin un semiconductor și câteva componente pasive externe, precum un inductor, condensatoare și câteva rezistențe. Reducerea numărului de componente, la nivelul celor prezentate în figura 1, este primul pas către diminuarea dimensiunii generale a sursei de alimentare.

Atunci când sunt necesare funcții suplimentare, cum ar fi o tensiune de ieșire reglabilă sau un timp de pornire rapidă ajustabil, numărul de componente pasive și, implicit, cerințele de spațiu pentru soluția completă cresc. Circuitul din figura 1 este un exemplu de convertor buck în comutație, cu un număr minim de componente pasive necesare.

Reduceți dimensiunea componentelor externe

Figura 2. Cerințele de spațiu ale unui convertor de tensiune în comutație pentru un curent de ieșire de 3 A. (Sursa imaginii: ADI)

Pentru a asigura dimensiuni cât mai mici ale condensatorului și inductorului de la ieșire, circuitul integrat al regulatorului în comutație trebuie să aibă cea mai mare frecvență de comutare posibilă. Riplul tensiunii de ieșire are un comportament preponderent liniar în raport cu valoarea și, prin urmare, cu dimensiunea componentelor externe. De exemplu, dacă se dublează frecvența de comutare, valoarea inductanței necesare este înjumătățită pentru același riplu al tensiunii de ieșire. Acest lucru favorizează proiecte mai mici. În figura 2 sunt ilustrate cerințele de spațiu ale regulatorului în comutație LTC3307A. Datorită frecvenței ridicate de comutare, de 3 MHz, se poate utiliza un inductor de dimensiuni reduse.

Micșorarea dimensiunii circuitului integrat al regulatorului în comutație

Figura 3. Regulator în comutație într-o capsulă extrem de mică. (Sursa imaginii: ADI)

Platforma LTC33xx de la Analog Devices include convertoare de tensiune coborâtoare în comutație, care funcționează la frecvențe de comutare ridicate, de până la 5 MHz. Produsele disponibile în cadrul acestei platforme sunt proiectate pentru o gamă largă de aplicații.

LTC3315A a fost optimizat pentru utilizare în aplicații cu spațiu limitat. Este un convertor buck dual, cu două canale capabile să furnizeze câte 2 A de curent de ieșire fiecare, într-o capsulă WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) cu dimensiuni de doar 1,64 mm × 1,64 mm.

Figura 4. Schița dimensională a capsulei circuitului integrat regulator dual buck, cu dimensiuni de 1,64 mm × 1,64 mm. (Sursa imaginii: ADI)

MAX77324 este, de asemenea, remarcabil. Acest regulator în comutație coborâtor, cu un singur canal, oferă un curent de ieșire maxim de 1,5 A și este disponibil într-o capsulă de doar 1,22 mm × 0,85 mm.

Reducerea dimensiunii grație inductorului integrat

O altă modalitate de a reduce dimensiunea circuitului de alimentare este combinarea inductorului cu circuitul integrat al regulatorului în comutație. Această combinație este cunoscută sub numele de modul. Integrarea permite reducerea lungimii traseelor, permițând plasarea inductorului în interiorul capsulei circuitului integrat semiconductor.

Un alt obstacol legat de miniaturizare poate fi, la rândul său, depășit prin utilizarea inductorului integrat în modul ca element de conducție termică și radiator. Printr-o bună conectare a inductorului la siliciul din interiorul modulului de alimentare, căldura generată de semiconductor poate fi disipată foarte eficient.

Disiparea căldurii devine o provocare tot mai mare, în special în cazul regulatoarelor în comutație de dimensiuni reduse, care furnizează un curent de ieșire ridicat, deoarece siliciul nu poate fi utilizat peste temperatura maximă admisă de funcționare.

Există numeroase metode pentru reducerea dimensiunii unei surse de alimentare, bazate pe utilizarea unor tehnici inovatoare. Acest scurt ghid privind managementul puterii a prezentat câteva dintre aceste abordări.

Miniaturizarea aduce și avantaje indirecte, precum costuri mai mici datorită cerințelor reduse de spațiu pe placă, posibilitatea dezvoltării unor dispozitive cu funcționalitate extinsă și, implicit, beneficii mai mari – inclusiv costuri de transport mai scăzute, datorită dimensiunilor și greutății reduse ale echipamentelor electronice.

Despre autor
Frederik Dostal a studiat microelectronica la Universitatea din Erlangen, Germania. În 2001 a început să lucreze în domeniul managementului puterii, ocupând diverse poziții în domeniul aplicațiilor, inclusiv timp de 4 ani în Phoenix, Arizona, unde s-a ocupat de surse de alimentare în comutație. S-a alăturat companiei Analog Devices în 2009 și activează în prezent ca inginer de aplicații de teren pentru soluții de management al puterii, în cadrul biroului ADI din München. Poate fi contactat la frederik.dostal@analog.com.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com

Glosar de termeni tehnici

Sursă de alimentare (Power supply): Dispozitiv care furnizează energie electrică unui circuit sau sistem electronic.

Regulator în comutație (Switching regulator): Convertor DC-DC eficient care reglează tensiunea prin comutare rapidă între stări ON și OFF.

Convertor buck (Buck converter): Tip de convertor DC-DC care reduce tensiunea de la intrare la ieșire.

Convertor dual (Dual converter): Convertor cu două canale independente, fiecare furnizând curent separat.

Frecvență de comutare (Switching frequency): Numărul de cicluri pe secundă în care regulatorul alternează între stări ON și OFF.

Riplu al tensiunii (Voltage ripple): Variație periodică a tensiunii de ieșire într-un regulator în comutație.

Inductanță (Inductance): Capacitatea unui inductor de a se opune variațiilor de curent prin generarea unui câmp magnetic.

Inductor: Componentă pasivă care stochează energie într-un câmp magnetic.

Condensator (Capacitor): Componentă pasivă care stochează energie sub formă de câmp electric.

Rezistență (Resistor): Componentă care limitează fluxul de curent într-un circuit.

Componente pasive (Passive components): Componente care nu amplifică semnalul și nu necesită alimentare (ex: R, L, C).

Capsulă (IC package): Envelopa fizică a unui circuit integrat, care protejează și asigură contactul cu placa.

Capsulă WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package): Tip de capsulă extrem de compactă, montată direct pe PCB, ideală pentru spații foarte limitate.

Curent de ieșire (Output current): Curentul maxim sau nominal furnizat de o sursă de alimentare către sarcină.

Cerințe de spațiu (Space requirements): Suprafața necesară pe placă pentru montarea unei componente sau a unui modul.

Schița dimensională a capsulei (Package outline): Desen tehnic care arată dimensiunile fizice ale capsulei unui circuit integrat.

Modul (Power module): Ansamblu compact care integrează regulatorul și componente pasive, gata de utilizare.

Integrare (Integration): Combinarea mai multor funcții sau componente într-un singur circuit integrat.

Trasee (PCB traces): Conexiuni conductive de pe placa de circuit imprimat care leagă componentele între ele.

Conducție termică (Thermal conduction): Transferul de căldură între componente prin contact fizic direct.

Radiator (Heatsink): Componentă care ajută la disiparea căldurii generate de un circuit activ.

Disiparea căldurii (Heat dissipation): Procesul de eliminare a căldurii pentru a preveni supraîncălzirea componentelor electronice.

Temperatura maximă admisă de funcționare (Maximum allowable operating temperature): Limita de temperatură peste care un component nu poate funcționa în siguranță.

Miniaturizare / Dimensiuni reduse (Miniaturization / Size reduction): Procesul de reducere a volumului, greutății și dimensiunii unui dispozitiv electronic.