ELETTRONICA – CIRCUITI SOTTO CONTROLLO
01/06/2017

Convertitore step-down da 1,8 V e 500 kHz, a elevata efficienza, con circuito di rilevamento DCR. Nella foto di home page: gestione digitale del sistema di alimentazione utilizzando l’LTC3883.

Un controller cc/cc che combina funzioni di gestione digitale del sistema di alimentazione con un loop di controllo analogico offre precisione di Vout pari a ±0,5%. L’LTC3883/-1 utilizza la routine di autocalibrazione di Linear Technology per misurare la resistenza cc dell’induttore al fine di ottenere misure precise della corrente d’uscita quando la corrente ciclo per ciclo è misurata ai capi dell’induttore.

di Hellmuth Witte (*)

Il circuito integrato LTC3883/-1 è un versatile controller buck a canale singolo, basato su tecnologia PolyPhase®, dotato di funzioni di gestione digitale del sistema di alimentazione, un loop di controllo analogico dalle prestazioni elevate, driver su chip, circuito di rilevazione in remoto della tensione di uscita e circuito di rilevazione della temperatura dell’induttore. Per ridurre al minimo le dimensioni e il costo di questa soluzione, l’LTC3883/-1 utilizza la routine di autocalibrazione – brevetto in corso di registrazione – di Linear Technology (www.linear.com) per misurare la resistenza cc dell’induttore, allo scopo di ottenere misure precise della corrente di uscita quando la corrente ciclo per ciclo viene misurata ai capi dell’induttore, con (rilevazione tramite DCR senza attenuazione. Il modello LTC3883/-1 è basato sul popolare LTC3880/-1 a due canali.

GESTIONE DIGITALE DELLA POTENZA

Nei sistemi degli attuali data center il problema è come ridurre l’impatto sull’ambiente aumento quanto più possibile l’efficienza a tutti i livelli del sistema: punto di carico, schede, rack, e anche ai livelli di installazione. Ad esempio, è possibile ridurre il consumo complessivo di potenza del sistema instradando il flusso di lavoro al minimo numero possibile di server, arrestando quelli al momento non necessari. L’unico modo per conseguire questo obiettivo e ottenere i valori prefissati per le prestazioni del sistema – velocità di elaborazione, velocità di trasmissione dati, ecc. – consiste nell’implementare un sistema completo di gestione digitale della potenza che monitori in tempo reale i dati relativi al consumo di potenza a tutti i livelli.

Finora, i progettisti hanno realizzato soluzioni per la gestione digitale della potenza riunendo circuiti integrati disparati: supervisor, sequenziatori, convertitori D/A e A/D. Oltre alla loro complessità intrinseca, tali soluzioni mancano di facile espandibilità, richiedendo una notevole pianificazione iniziale per i futuri aggiornamenti del sistema. Il circuito integrato LTC3883/-1 elimina questa complessità riunendo tutte le funzioni di gestione digitale della potenza nel controller cc/cc. Si ottiene così una soluzione per la gestione della potenza al punto di carico flessibile, affidabile e di facile uso.

Il controller LTC3883/-1 può funzionare autonomamente o comunicare attraverso un bus seriale I2C standard nel settore, con un processore host del sistema per la trasmissione dei comandi e dei segnali di controllo, oltre alla lettura dei dati di telemetria. Risulta così possibile il monitoraggio diretto delle informazioni di funzionamento critiche acquisite dall’LTC3883/-1, come tensioni, correnti e temperature in tempo reale, utilizzabili per ottimizzare dinamicamente le prestazioni e l’affidabilità del sistema. L’accesso a questi dati consente di prevedere guasti al sistema di alimentazione e adottare misure preventive o risolutive.

Vari parametri importanti del regolatore – come i limiti della corrente e delle tensioni di uscita, le tensioni di funzionamento ai margini, i limiti di sovra e sottotensione per il supervisor, le caratteristiche di avvio, nonché le risposte ai guasti e i segnali di temporizzazione – possono pure essere tutti programmati direttamente tramite il bus seriale, anziché utilizzando componenti esterni come resistori, sequenziatori e circuiti integrati di monitoraggio.

La gestione digitale del sistema di alimentazione rende possibile sviluppare velocemente e con efficienza complessi sistemi multirail. Il progetto viene semplificato ulteriormente grazie al software LTpowerPlay che consente regolazioni parametriche e il monitoraggio della scheda dal PC. Il progettista può quindi eseguire il debug e test sul circuito senza bisogno né di ricablare schede di circuiti né di modificare componenti.

Piattaforma di sviluppo completa con il software LTpowerPlay.

PANORAMICA DELLE CARATTERISTICHE

Il circuito integrato LTC3883/-1 è un controller cc/cc step-down sincrono a uscita singola con driver integrati del gate del FET di potenza e un loop di controllo current-mode analogico con funzionalità PolyPhase® sino a sei fasi. La frequenza può essere regolata da 250 kHz a 1 MHz e, se è disponibile un oscillatore interno, l’anello interno ad aggancio di fase consente all’LTC3883/-1 di sincronizzarsi con qualsiasi frequenza nello stesso range.

Il controller LTC3883/-1 presenta tempi morti ottimizzati dei driver di gate per ridurre al minimo le perdite di commutazione e la conduzione nei diodi, mantenendo quindi un’elevata efficienza in tutte le condizioni operative. Funziona con un’ampia gamma di tensioni Vin – da 4,5 V a 24 V – e Vout, da 0,5 V a 5,5 V. Il riferimento di precisione, un convertitore D/A a 12 bit, e un loop di controllo current-mode analogico, con compensazione di temperatura, offrono precisione della tensione di uscita cc pari a ±0,5%, mentre un amplificatore current-sense all’ingresso, sul lato ad alto livello, consente un rilevamento preciso della corrente d’ingresso e l’autocalibrazione della DCR dell’induttore.

Un sistema di acquisizione a 16 bit genera letture digitali delle correnti e tensioni di ingresso e uscita, del duty cycle e della temperatura. I valori di picco di misure importanti possono quindi essere controllati dall’utente. I parametri di controllo critici possono essere programmati attraverso il PMBus. La funzionalità di registrazione dei guasti include un flag di interrupt e un registratore black box in una memoria non volatile che memorizza le condizioni di funzionamento immediatamente prima di un guasto.

Ciò che distingue l’LTC3883 è un regolatore LDO su chip pensato per ottenere una maggiore integrazione, mentre l’LTC3883-1 è alimentato da una tensione di polarizzazione di 5 V esterna, ai fini di una maggiore efficienza. Entrambi i componenti sono disponibili in un package QFN di 5 x 5 mm a 32 conduttori, con dissipatore avanzato, che presenta un range della temperatura di giunzione di esercizio da -40 °C a 105 °C (versione E) oppure da -40 °C a 125 °C (versione I).

Confronto tra il loop di controllo analogico dell’LTC3883 e un loop di controllo digitale. Il loop analogico presenta una rampa regolare, mentre quello analogico presenta una gradinata che può causare problemi di stabilità, risposta al transitorio più lenta, capacità di uscita maggiore necessaria in alcune applicazioni nonché jitter e ripple di uscita più elevati sui segnali di controllo PWM a causa degli effetti di quantizzazione.

REGOLAZIONE PMBUS

L’interfaccia PMBus dell’LTC3883/-1 consente sia la programmazione digitale di parametri cruciali dell’alimentatore che l’acquisizione di importanti condizioni in tempo reale. Le configurazioni dei parametri possono essere scaricate nella EEPROM interna mediante il software di sviluppo LTpowerPlay di Linear Technology. La figura a chiusura di articolo mostra la piattaforma di sviluppo LTpowerPlay basata su PC con un adattatore da USB a I2C/SMBus/PMBus. Una volta configurato un componente come si desidera, questo funzionerà autonomamente senza controllo da parte dell’host, per cui non è necessario alcun ulteriore firmware o microcontroller.

Il PMBus consente la programmazione dei seguenti parametri dell’alimentatore: tensione di uscita e tensioni di margine; soglia del limite di corrente, con compensazione di temperatura in base alla temperatura dell’induttore; frequenza di commutazione; soglie di sotto e sovratensione del supervisor ad alta velocità; ritardi del tempo on/off della tensione di uscita; tempi di salita e discesa della tensione di uscita; soglie on/off della tensione d’ingresso; inserimento/disinserimento della linea di alimentazione di uscita; margine basso/alto della linea di alimentazione di uscita; risposte a guasti interni o esterni; propagazione dei guasti.

Il PMBus consente all’utente di monitorare le seguenti condizioni dell’alimentatore: tensione di ingresso/uscita; corrente di ingresso/uscita; temperatura della piastrina interna; temperatura dell’induttore esterno; stato del componente; stato di guasto; stato del sistema; corrente di uscita di picco; tensione di uscita di picco; temperatura interna/esterna di picco; stato del registro dei guasti.

LOOP DI CONTROLLO ANALOGICO

Numerose funzioni del controller LTC3883/-1 sono programmabili in modalità digitale: tensione di uscita, setpoint del limite di corrente e sequenziazione. Il loop di controllo rimane però solo analogico, offrendo stabilità ottimale dell’anello e risposta al transitorio senza l’effetto di quantizzazione di un loop di controllo digitale.

Nell’immagine prima di quella di chiusura articolo sono messi a confronto gli andamenti a rampa di un regolatore realizzato con un circuito integrato e dotato di loop di controllo di retroazione analogico, rispetto a un loop di controllo di retroazione digitale. Il loop analogico presenta una rampa regolare, mentre quello analogico presenta una gradinata che può causare problemi di stabilità, risposta al transitorio più lenta, capacità di uscita maggiore necessaria in alcune applicazioni, nonché jitter e ripple di uscita più elevati sui segnali di controllo PWM a causa degli effetti di quantizzazione.

Il loop di controllo in modalità di corrente presenta la massima stabilità dell’anello e limite di corrente ciclo per ciclo ottimale, oltre a risposte veloci e precise ai transitori di linea e di carico. Questa semplice compensazione con loop è indipendente dalle condizioni operative e dalla configurazione del convertitore. Sono supportate tutte e tre le modalità di controllo della corrente dell’induttore: continua, discontinua e Burst Mode®.

AUTOCALIBRAZIONE DELLA DCR DELL’INDUTTORE

L’uso della resistenza cc dell’induttore, anziché di un’apposita resistenza per il rilevamento della corrente di uscita di un convertitore cc/cc offre numerosi vantaggi: attenuazione di potenza ridotta, complessità inferiore del circuito e contenimento dei costi. Tuttavia, qualsiasi differenza tra il valore specificato per la DCR nominale dell’induttore e quello effettivo causa un errore proporzionale sia nella corrente di uscita misurata che nel limite della corrente di picco.

La tolleranza della DCR dell’induttore rispetto al valore nominale può essere misurata e compensata dall’LTC3883/-1 utilizzando l’algoritmo – brevetto in corso di registrazione – di Linear. È sufficiente completare una semplice procedura di calibrazione di 180 ms tramite comando PMBus, mentre il convertitore è in una condizione di stato stazionario con una corrente di carico abbastanza elevata per eseguire misure precise della corrente di ingresso e uscita.

La temperatura dell’induttore viene misurata con precisione dall’LTC3883/-1 per continuare a ottenere letture precise di corrente nell’intero range della temperatura di funzionamento. Il controller LTC3883 modella dinamicamente l’aumento di temperatura dal sensore di temperatura esterna al nucleo dell’induttore per tenere conto dell’effetto di autoriscaldamento dell’induttore stesso. Questo algoritmo, il cui brevetto è in corso di registrazione, semplifica i requisiti di collocazione del sensore di temperatura esterna e compensa il notevole errore di temperatura nella condizione di transitorio e di stato stazionario dal nucleo dell’induttore al dissipatore primario.

PIÙ SISTEMI DI CIRCUITI INTEGRATI

Grandi schede di alimentazione multirail in genere consistono di un convertitore di bus intermedio isolato che trasforma la tensione a -48 V del backplane a una tensione di bus intermedia (IBV) inferiore, in genere 12 V, che viene distribuita nei vari punti di una scheda PC. Convertitori cc/cc individuali al punto di carico riducono la IBV alle tensioni di alimentazione necessarie, che normalmente sono comprese fra 0,5 V e 5 V con correnti di uscita comprese fra 0,5 A e 120 A. Queste schede presentano elevata densità di componenti e non si può accettare un ingombro eccessivo dei circuiti di gestione digitale del sistema di alimentazione sulla scheda PC.

I controller LTC PMBus dalle prestazioni elevate, come l’LTC3883/-1, e i circuiti integrati che li accompagnano, come l’LTC2978, funzionano insieme con efficienza e senza problemi per soddisfare i rigorosi requisiti relativi alla gestione digitale della potenza esistenti per le attuali complesse schede di circuiti: sequenziazione, precisione della tensione, limiti di sovracorrente e sovratensione, funzionamento ai margini, supervisione e controllo dei guasti. Qualsiasi combinazione di questi dispositivi facilita il progetto del circuito di sequenziazione per qualsiasi numero di alimentatori. Impiegando un algoritmo basato sul tempo; gli utenti possono inserire e disinserire in sequenza le linee di alimentazione con un semplice ritardo programmabile. La sequenziazione su più chip è resa possibile utilizzando il bus SHARE_CLK a 1 filo e uno o più dei pin I/O universali (GPIO) bidirezionali.

SOFTWARE LTPOWERPLAY

Il software LTpowerPlay facilita il controllo e monitoraggio simultanei di più dispositivi Linear compatibili con PMBus. Si modifica la configurazione del controller cc/cc in tempo reale scaricando i parametri del sistema nella EEPROM interna dell’LTC3883/-1. Si riduce così il tempo di sviluppo del progetto, poiché risulta possibile regolare le configurazioni del sistema con un software, anziché ricorrere alle complesse operazioni di scambio di componenti e ricablaggio manuale delle schede. L’immagine a chiusura di articolo mostra come vengono regolati la tensione di uscita, i limiti di protezione e le rampe on/off. La forma d’onda mostra l’avvio e l’arresto graduali della tensione di uscita. Sono illustrate anche le condizioni di allarme e di guasto.

Sistemi di alimentazione semplificati. LTpowerPlay mette a portata di mano il controllo completo dell’alimentatore.

CONCLUSIONI

Il controller LTC3883/-1 combina la regolazione a commutazione analogica dalle prestazioni elevate con conversione di precisione dei dati e un’interfaccia digitale flessibile. È possibile impiegare più LTC3883 in parallelo con altri dispositivi per creare agevolmente sistemi di alimentazione digitale multirail ottimizzati.

Tutti i prodotti Linear PMBus funzionano con il sistema di sviluppo software LTpowerPlay, che aiuta i progettisti di schede a eseguire velocemente il debug dei sistemi. LTpowerPlay è utilizzabile per il monitoraggio, il controllo e la regolazione di tensioni di alimentazione, di limiti e della sequenziazione. I test dei margini di produzione sono eseguibili agevolmente tramite un paio di comandi PMBus standard. Combinare l’LTC3883/-1 con altri dispositivi Linear PMBus rappresenta il modo migliore per introdurre velocemente sul mercato alimentatori controllati in modalità digitale. ©tecnelab

(*) Hellmuth Witte, Design Engineer, Power Management Products di Linear Technology, ora parte di Analog Devices.

 

 

 



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