Convertitori POL: cosa sono e come utilizzarli al meglio

Negli ultimi anni, le esigenze di alimentazione hanno presentato diversi problemi ai progettisti, tra cui molteplici tensioni di alimentazione, sequenziamento della tensione, correnti di picco elevate o eccessivo calore. Per fare fronte a tali problematiche, i progettisti devono intervenire sulla scheda a circuito stampato e introdurre misure a livello di PCB. Un soluzione comune a questo scopo è l'utilizzo di convertitori nei punti di carico o PoL. Infatti, i convertitori miniaturizzati PoL sono sempre più apprezzati perché consentono di rispondere alle richieste del mercato per sistemi sempre più efficienti e compatti. Tuttavia, bisogna prender in considerazione diversi fattori durante la scelta dei convertitori PoL, poiché non tutti offrono le stesse prestazioni e vantaggi.

Nel settore dell'elettronica si stanno verificando molte innovazioni che rivoluzioneranno il modo di concepire la tecnologia. Una delle tendenze emergenti è l'abbandono graduale dei sistemi di alimentazione centralizzati e decentralizzati (conosciuti anche come DPA), a favore delle architetture bus intermedio (IBA), in cui un convertitore c.c./c.c. front-end isolato alimenta vari convertitori c.c./c.c. più piccoli e non isolati (chiamati anche convertitori nel punto di carico, PoL), posti in prossimità dei carichi che devono essere alimentati.

Tutte queste considerazioni hanno un enorme impatto sulla progettazione degli alimentatori. La dimensione del convertitore è fondamentale, poiché ogni millimetro quadrato di spazio sulla PCB è prezioso e, quindi, più piccolo è il convertitore, meglio è. Allo stesso tempo, c'è un altro aspetto cruciale da tenere in considerazione: gli alimentatori PoL risolvono la sfida della domanda di corrente di picco elevata e di bassi margini di rumore richiesti dai semiconduttori ad alte prestazioni come i microcontroller o gli ASIC, proprio grazie alla loro posizione vicina al punto di utilizzo. Tuttavia, spesso i progettisti si trovano a dover affrontare scadenze molto serrate e schede complesse, e finiscono per concentrarsi sull'alimentazione solo all'ultimo minuto. Di conseguenza, lo spazio sulla PCB viene sacrificato, lasciando solo quanto basta per un dispositivo miniaturizzato.

Un ulteriore aspetto da considerare è la flessibilità. Ad esempio, è importante verificare se un convertitore PoL è adatto sia per ASIC che per FPGA. Nonostante la maggior parte dei converter PoL ottimizzati siano soluzioni analogiche semplici (non digitali), è fondamentale che siano compatibili con gli FPGA poiché questi dispositivi vengono utilizzati sempre più di frequente in una vasta gamma di applicazioni.

I microcontrollori offrono numerosi vantaggi rispetto ai circuiti logici programmabili: sono più economici, disponibili in numerose dimensioni e dotati di una capacità di configurazione notevole. Tuttavia, per quanto questi vantaggi siano allettanti, resta un problema di natura elettronica. Ogni microcontrollore richiederà una serie di alimentazioni di tensione continua, spesso quattro o sei, alcune con correnti relativamente elevate per il nucleo di elaborazione, ma molte con un flusso di elettricità decisamente più basso. Pertanto, la scelta dei convertitori Pol diventa fondamentale, con particolare attenzione al fatto che i microcontrollori di ultima generazione sono sempre più sofisticati ed esigenti. In altre parole, la miniaturizzazione non deve compromettere le prestazioni, l'efficienza, la qualità e la flessibilità.

In ogni caso, considerando la problematica dello spazio sulla scheda di circuito stampato, diventa indispensabile tener conto delle dimensioni dei componenti elettronici. I convertitori PoL di dimensioni ridotte, ad esempio, hanno un profilo piatto e un peso leggero che permette di utilizzarli sul lato inferiore della scheda, ottimizzando il risparmio di spazio e aumentando la flessibilità di progettazione. Questo diventa particolarmente rilevante se si considera il confronto con gli alimentatori PoL di maggiori dimensioni o con i singoli convertitori isolati che possono essere montati solo su un lato della scheda. In definitiva, optare per componenti elettronici con dimensioni contenute consente di massimizzare la funzionalità e l'efficienza della PCB.

Inoltre, l'utilizzo di convertitori PoL miniaturizzati offre una serie di vantaggi significativi poiché questi possono essere posizionati in prossimità dei loro carichi. Ciò comporta la riduzione delle perdite di distribuzione c.c./c.c. e la soluzione dei problemi di sensibilità del rumore ed emissioni EMI. In aggiunta, l'attivazione di una risposta più rapida ai transitori è possibile grazie alla riduzione delle induttanze parassite.

L'impiego di più convertitori PoL rende anche più semplice il fornire le diverse alimentazioni di tensione necessarie per i componenti ad alta specifica delle PCB odierna.

Un'area ulteriore che richiede particolare attenzione riguarda le prestazioni termiche del dispositivo. Nel caso di componenti di potenza sempre più piccoli e densamente popolati, l'aumento della capacità di trasferire calore diventa inevitabile. Tuttavia, per evitare spiacevoli conseguenze quali l'aumento della temperatura o una minore affidabilità, è fondamentale mantenere sotto controllo la dissipazione di potenza e di calore. In caso contrario, ciò potrebbe tradursi in costi aggiuntivi per lo smaltimento di eventuali eccedenze di calore. La scheda tecnica del convertitore PoL è un'importante fonte di informazioni riguardo alle prestazioni termiche e all'efficienza del dispositivo. Di solito, i dati delle prestazioni termiche sono riportati sotto forma di una curva che mostra come la potenza massima del dispositivo dipenda dalla temperatura ambiente e dalle condizioni di raffreddamento.

Suggeriamo inoltre ai progettisti di sistemi di esplorare ulteriori funzionalità che possano migliorare le performance. Ad esempio, alcuni convertitori c.c./c.c. includono una funzione di ottimizzazione dell'uscita, che consente di massimizzare la risposta ai transitori per varie condizioni di carico, aumentando così la flessibilità nella realizzazione del sistema. Alcune soluzioni PoL (Point of Load) offrono anche una funzione di avvio graduale o seguimento configurabile, semplificando e rendendo più versatile la creazione di sequenze temporali.

In sintesi, i convertitori c.c./c.c. miniaturizzati sono adatti per un'ampia varietà di applicazioni a scheda con spazio limitato. Questi regolatori sono compatti ed economici e forniscono diversi vantaggi, come cicli di sviluppo più brevi, una più facile qualificazione, flessibilità nella posizione del progetto, livelli di qualità superiori e minori costi di sviluppo.

La nuova serie di convertitori DC/DC non isolata K12MT di Mornsun offre quanto descritto precedentemente: elevata corrente in output, un eccellente range dinamico sul carico, oltre ovviamente ad un design dalle dimensioni compatte a costo contenuto.

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