Tra le più importanti sfide di progettazione che gli ingegneri elettronici devono affrontare oggi, quelle legate ai requisiti di consumo energetico con una maggiore densità di potenza e una migliore gestione termica sono tra le più impegnative.
Dai dispositivi consumer ai satelliti nello spazio, l’elettronica utilizza più energia che mai. Con l’aumento del consumo di energia arriva la necessità di una maggiore efficienza e più potenza in spazi più piccoli.
Sono soprattutto le innovazioni nel packaging e nei processi produttivi dei circuiti che consentono di generare meno calore, migliorare la dissipazione e ottenere una maggiore densità di potenza.
Per quanto riguarda il packaging, Texas Instruments ha introdotto una serie di configurazioni avanzate che consentono di ottenere più potenza in spazi più piccoli; tra le più importanti segnaliamo:
- Raffreddamento dal lato superiore
- HotRod QFN
- Enhanced HotRod QFN
- Thermally-enhanced PowerCSP
I pacchetti HotRod quad-flat-no lead (QFN) utilizzano DAP (Die-attach Pad) più grandi per facilitare una maggiore dissipazione del calore, come nel caso dei converter step-down TLVM13660 da 6 A e 36 V.
Il TLVM13660 dispone di quattro pad termici sul fondo e ha tutti i pin di segnale e alimentazione accessibili dal perimetro per una più facile disposizione e gestione.
Per generare meno calore è anche importante migliorare le tecnologie di processo. Su questo fronte, Texas Instruments continua ad investire sui nodi di processo a 45 e 65 nm che, insieme alle efficienze di produzione garantite dai wafer da 300 mm, offrono prodotti ottimizzati in termini di costi, prestazioni, potenza, precisione e livelli di tensione.
I progressi nella tecnologia di processo consentono anche di creare prodotti che mantengono prestazioni elevate in differenti condizioni termiche. Ad esempio, riducendo la resistenza del dispositivo di potenza nello stato di conduzione, è possibile ridurre al minimo le dimensioni del die migliorando le prestazioni termiche. Questa considerazione vale per tutti i tipi di dispositivi di potenza, compresi quelli che utilizzano il nitruro di gallio (GaN) o il carburo di silicio (SiC).
Un dispositivo che sfrutta sia le tecnologie di layout avanzate che nodi di processo ottimizzati è il nuovo convertitore buck TPS566242 in grado di fornire una corrente di uscita di 6A in un package SOT-563 che misura appena 1,2 mm x 1,6 mm e che integra anche il condensatore di bootstrap.
Il TPS566242 utilizza la topologia D-CAP3 per fornire una risposta veloce ai transitori e che risulta adatta ai condensatori low-ESR a bassa resistenza serie equivalente. Il dispositivo offre un’efficienza di conversione fino al 98% anche in condizioni di carico leggero.
Altri prodotti ad elevata densità di potenza e prestazioni termiche avanzate sono i cosiddetti eFuses, fusibili elettronici per la protezione dei sistemi elettronici e la gestione dell’alimentazione.
Texas Instruments ha recentemente introdotto il dispositivo TPS25985x da 60A che fornisce protezione utilizzando pochissimi componenti esterni e rappresenta una valida difesa contro sovraccarichi, cortocircuiti ed eccessiva corrente di picco.
All’interno, è presente uno switch da 0,59 mΩ che è in grado di intervenire in meno di 200 ns in caso di cortocircuito; un timer che controlla la durata dei picchi di sovracorrente è in grado di gestire transitori da 80A senza fare scattare il fusibile elettronico.
Inoltre, il package è ottimizzato per garantire una bassa resistenza di contatto con il PCB.
Collegando più dispositivi in parallelo è possibile realizzare sistemi in grado di gestire correnti di oltre 300A.
Esistono due varianti di questo chip: il TPS259850 rimane in blocco dopo un intervento mentre il TPS259851 si riavvia automaticamente dopo un tempo prefissato. Il monitoraggio della corrente di carico analogico ha attualmente una precisione del ±1,4% con una larghezza di banda di 500 kHz.
Alla stessa famiglia appartiene il dispositivo TPS25990, che integra un’interfaccia PMBus per consentire a un microcontrollore host di monitorare, controllare e configurare i parametri in tempo reale, che possono anche essere archiviati in una memoria non volatile che viene utilizzata per registrare gli eventi in modo da facilitare il debug.
Il TPS25990 utilizza un elemento di potenza da 0,79 mΩ ed è in grado di raggiungere picchi di 60 A. In questo caso la precisione del sensore è del 2,1% è il tempo di risposta è di 280 ns, mentre il ripristino automatico può essere scelto dall’utente fleggando un registro.
Tra le soluzioni ad elevata densità di potenza con raffreddamento dal lato superiore per un rendimento termico ottimale, Texas Instruments offre anche dispositivi con tecnologia GaN HEMT con gate driver integrato come l’LMG3522R030-Q1, un GaN da 650 V, 30 mΩ qualificato per automotive, con frequenza di commutazione massima di 2,2 MHz e velocità di risposta fino a 150 V/ns.
Le funzionalità avanzate di gestione dell’alimentazione includono la segnalazione digitale della temperatura mediante un’uscita PWM che consente la gestione ottimale del carico, mentre la modalità a diodo ideale riduce le perdite nel terzo quadrante mediante un controllo adattivo del dead-time.
Il dispositivo è adatto per sistemi di alimentazione da 2÷5 kW.
