Evitare i costi nascosti nella progettazione dell’isolamento: come gestire i rischi di progetto con soluzioni di nuova generazione

L’isolamento è una parte essenziale del progetto, e non è certo la più semplice. Determinare il livello di isolamento richiesto, fornire energia isolata per completare il percorso dei dati, rendere la soluzione adatta allo spazio disponibile: ecco alcune soluzioni per ridurre tempi e costi. 

Oggi esiste un’innegabile tendenza a realizzare sistemi elettrici sempre più piccoli e leggeri, soprattutto nel settore automotive. La società di servizi professionali PwC stima che entro il 2024 i veicoli ibridi o completamente elettrici rappresenteranno il 40% delle vendite globali. Con un simile aumento dei veicoli elettrici cresce anche il bisogno di isolare sempre più i vari componenti e sistemi. Per esempio sono sempre più comuni i veicoli elettrici con stack di batterie a 400 V cc, con ovvie implicazioni per la sicurezza

Più sistemi elettrici implicano più isolamento

Per fornire soluzioni di isolamento di nuova generazione è necessario affrontare sfide sempre più varie e numerose. I nuovi sistemi, soprattutto per quanto riguarda l’isolamento, comportano architetture e processi complessi che limitano l’agilità e la flessibilità, ponendo al contempo barriere al cambiamento. Il ritmo accelerato della concorrenza e della globalizzazione ha costretto le aziende a concentrarsi maggiormente su time-to-market (TTM) e ritorno sull’investimento (ROI). Ciò significa che i team di sviluppo devono lavorare in modo impeccabile e con tempistiche compresse. Anche se le risorse di progettazione e sviluppo sono sempre più dettagliate ed estese, non esiste un profondo livello di esperienza in tutte le discipline critiche. I passaggi devono essere ridotti al minimo per raggiungere l’obiettivo di ROI e tuttavia, allo stesso tempo, la pressione della concorrenza obbliga a differenziare ulteriormente i prodotti, rapidamente e senza sosta. Inoltre, i nuovi organismi di controllo e i regolamenti più severi impongono un ulteriore livello di test applicativi e di certificazione. I requisiti, quindi, sono molto stringenti e i rischi concreti.

Capire la progettazione dell’isolamento

L’isolamento è una parte essenziale del progetto, e non è certo la più semplice. Determinare il livello di isolamento richiesto, fornire energia isolata per completare il percorso dei dati, rendere la soluzione adatta allo spazio disponibile: complessivamente bisogna valutare molti compromessi progettuali. Eppure ogni nuovo progetto porta con sé una serie di obiettivi e requisiti di progettazione del tutto unici. Diversi fattori, tra cui la difficoltà tecnica, la somiglianza con i progetti precedenti, la programmazione e le risorse, si combinano per determinare quanto può essere riutilizzato rispetto alle opzioni di progettazione Greenfield. Il riutilizzo di progetti precedenti o di approcci architetturali con modifiche minime comporta in genere un rischio minore e un’esecuzione più rapida. Tuttavia, caratteristiche inedite o livelli di prestazioni più elevati impongono frequentemente di cercare nuovi approcci. Un altro fattore che spinge a valutare tecnologie nuove e migliorate per creare componenti a valore aggiunto può anche essere la scarsità di risorse di sviluppo.

I limiti degli approcci tradizionali

L’avvento dei convertitori cc-cc isolati integrati ha risolto molti di questi problemi fornendo una soluzione compatta e facile da usare, con certificazioni di sicurezza documentate. Prendiamo come esempio l’approvazione di un nuovo progetto, in cui un design precedente deve essere aggiornato con metriche di prestazioni più elevate e caratteristiche aggiuntive. I membri del team sono entusiasti e pronti a tuffarsi nel lavoro, ma il responsabile tecnico del progetto deve preoccuparsi di tutti i possibili intoppi e gestire la crescente complessità, rispettando nello stesso tempo vincoli di bilancio e tempi sempre più stretti.

Tra le sfide da affrontare c’è quella di soddisfare requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) sempre più stringenti. Molte applicazioni e mercati emergenti richiedono la conformità a numerose specifiche EMC, e l’asticella continua a salire con limiti di prestazione sempre più severi.

Le soluzioni discrete esistenti, come i convertitori flyback isolati, presentano alcuni vantaggi come il basso costo dei materiali (BOM), ma hanno anche degli svantaggi. Un tipico progetto di un flyback (Figura 1) contiene un controller che aziona un trasformatore di isolamento, con raddrizzamento e filtraggio sul circuito secondario, e una rete di feedback otticamente isolata. L’amplificatore di errore richiede un certo sforzo di progettazione per sviluppare una rete di compensazione che stabilizzi il loop di tensione, e dipende dalla variabilità delle prestazioni dell’optoaccoppiatore. Spesso usato come isolatore a basso costo per dispositivi di alimentazione, quest’ultimo presenta una variazione nel rapporto di trasferimento di corrente (CTR) che limiterà le prestazioni di retroazione della tensione e l’effettiva gamma di temperatura operativa. Il parametro CTR è definito come il rapporto tra la corrente dei transistor di uscita e la corrente dei LED di ingresso e non è lineare, con una sostanziale variabilità da unità a unità. Gli optoaccoppiatori hanno tipicamente un’incertezza di 2:1 nel CTR iniziale, che può degradarsi fino al 50% dopo anni di utilizzo in ambienti ad alta temperatura, come quelli che si trovano negli alimentatori ad alta potenza e ad alta densità. Per un project manager l’approccio discreto del flyback sembra migliore dal punto di vista dei costi, ma bisognerà accettare un compromesso tra sforzo ingegneristico e rischio tecnico.

Figura 1. Un tipico convertitore flyback cc-cc isolato.

Un altro problema dell’approccio discreto è il rispetto delle norme di sicurezza. Gli organismi di controllo esaminano con maggiore attenzione la progettazione discreta, perciò per ottenere le certificazioni necessarie bisogna spesso modificare e integrare il progetto più volte.

L’isolamento aggiunge ulteriore complessità alla progettazione dell’alimentazione. Un normale progetto non isolato ha dei vincoli, come intervalli di tensione in ingresso e in uscita, corrente di carico massima, rumore e ripple, prestazioni transitorie, caratteristiche di avvio, ecc. Per sua stessa natura, la barriera di isolamento elimina la possibilità di monitorare facilmente le condizioni di ingresso e di uscita simultaneamente, rendendo più difficile ottenere metriche delle prestazioni. Inoltre i domini di massa separati formano un’antenna a dipolo e qualsiasi corrente di modo comune che attraversa la barriera ecciterà il dipolo, creando una dispersione indesiderata di energia.

Superare i test

Perché un progetto di alimentazione discreta ottenga la certificazione EMC possono essere necessari diversi tentativi prima di trovare la giusta soluzione. I test EMC sono lunghi e costosi e richiedono molte ore di preparazione e monitoraggio dei test presso un laboratorio esterno. Quando si riscontrano problemi, il progetto deve ritornare in laboratorio per essere modificato. Spesso deve essere completamente ridefinito per garantire che le metriche di prestazioni standard non siano compromesse dalle modifiche, dopodiché ritorna alla struttura di valutazione per il nuovo test.

La fase finale consiste nell’ottenere le necessarie certificazioni di sicurezza. Si tratta di un altro processo lungo e costoso, eseguito da un’agenzia esterna. Il team di progettazione deve predisporre una fitta documentazione che viene attentamente esaminata dall’agenzia. Qualsiasi novità viene scrutinata di nuovo, il che rende molto comodo il riutilizzo di circuiti precedentemente certificati. Se l’agenzia decide che il progetto di alimentazione isolata discreta non soddisfa i requisiti di sicurezza, può essere necessario modificarlo o rifarlo. A questo punto, una volta modificato, il progetto deve essere nuovamente caratterizzato e sottoposto a test EMC.

Una soluzione migliore

La risposta a questi problemi è una soluzione completamente integrata e certificata, con performance EMC documentate. Un esempio possono essere i convertitori isolati cc-cc a basse emissioni ADuM5020/ADuM5028 con tecnologia isoPower®, che possono fornire fino a 0.5 W di potenza isolata da una fonte cc di 5 V e operano in un intervallo di temperatura da –40°C a 125°C. Questi prodotti sono certificati per diversi sistemi e requisiti di sicurezza UL, CSA, e VDE, e soddisfano i criteri della normativa CISPR 22/EN 55022 in materia di emissioni per la classe B, in condizioni di pieno carico su un semplice circuito stampato a due livelli (PCB, Figura 2).

Figura 2. Progettazione semplice e compatta con ADuM5020.

Il formato ridotto (SOIC a 16 e 8 pin) consuma pochissima area di PCB, e non è richiesta alcuna capacità di sicurezza per raggiungere gli obiettivi di emissione. Tutto ciò rende il circuito di alimentazione isolato più piccolo e meno costoso rispetto a un approccio discreto, come per esempio un condensatore stitching incorporato che richiede un PCB a quattro o più strati con distanza personalizzata per ottenere la corretta capacità.

Ottenere un isolamento migliore senza moltiplicare le difficoltà

Con la diffusione di auto e altri veicoli elettrici cresce anche la richiesta di isolamento. Allo stesso tempo, la concorrenza crescente aumenta il bisogno di ridurre costi e time-to-market, senza contare i requisiti più stringenti degli enti regolatori e le complessità intrinseche della progettazione dell’isolamento. L’insieme di tutte queste esigenze e sfide sul mercato non può essere affrontato efficacemente con gli approcci tradizionali. I convertitori isolati cc-cc, completamente integrati e certificati con performance EMC documentata, offrono ai progettisti di sistemi una soluzione migliore. Possono ridurre sensibilmente la complessità della progettazione e garantire migliori prestazioni EMC. Risparmiando tempo nella progettazione, nella caratterizzazione e nei test, i produttori possono ridurre ingombri, rischi, costi e time-to-market.

A cura di David Carr, Analog Devices, Inc.