Un convertitore ibrido semplifica la conversione step-down 48 V/54 V nei sistemi telecom e data center

I principali produttori di sistemi d’alimentazione per telecom e data center  stanno sostituendo i complessi e costosi convertitori isolati 48V/54V con regolatori step-down in versione non isolata, più efficienti e a densità elevata. Nei bus-converter dei regolatori l’isolamento non è necessario, perché la tensione di 48V o 54V all’ingresso è già isolata dalla pericolosa rete AC.

Per un’applicazione con rapporto di tensione ingresso/uscita elevato (da 48V a 12V), un convertitore buck tradizionale non rappresenta una soluzione ideale poiché tende a utilizzare componenti più ingombranti. In altri termini, per raggiungere alti livelli di efficienza, con un rapporto di tensione ingresso/uscita elevato, un convertitore buck deve funzionare a frequenza di switching bassa (per esempio, da 100kHz a 200kHz). La densità di potenza di un convertitore buck è limitata dalle dimensioni dei componenti passivi, specialmente da quelle del voluminoso induttore, le quali possono essere ridotte aumentando la frequenza dello switch; ma questo, a causa delle perdite legate alla commutazione, riduce l’efficienza del convertitore e porta a uno stress termico di livello inaccettabile.

Rispetto ai tradizionali convertitori buck basati su induttore, i convertitori a capacità commutata (di tipo “charge pump”) aumentano sensibilmente il livello di efficienza e riducono le dimensioni della soluzione di sistema. In un circuito charge pump, per immagazzinare e trasferire l’energia dall’ingresso all’uscita, invece dell’induttore, si utilizza un condensatore flottante.

La densità energetica dei condensatori è molto più elevata di quella degli induttori, e permette di migliorare la densità di potenza per un fattore 10 rispetto a un regolatore buck. Tuttavia, i convertitori basati su charge pump sono frazionali, non regolano la tensione d’uscita e non sono scalabili per applicazioni a corrente elevata.

Figura 1. Architettura del sistema di alimentazione di una scheda telecom, di tipo tradizionale, con un convertitore a bus isolato. Quest’ultimo non è necessario nei sistemi dove la tensione a 48V è già isolata rispetto alla linea di rete ac. Sostituendo il convertitore isolato, con un ibrido non isolato, si riducono in modo significativo complessità, costi e spazi richiesti su scheda.

 

Un convertitore ibrido basato sull’LTC7821 possiede sia i vantaggi dei convertitori buck tradizionali che quelli ottenibili con un charge pump: regolazione della tensione d’uscita, scalabilità, alta efficienza e alta densità. Un convertitore ibrido regola la propria tensione d’uscita con un controllo closed-loop, proprio come avviene in un convertitore buck. Con la modalità di controllo peak current, diventa semplice scalare un convertitore ibrido per ottenere livelli di corrente più elevati (per esempio, passando da un progetto monofase, da 48V a 12V/25A, a uno a 4-fasi, da 48V a 12V/100A).

Durante il funzionamento stabile, tutti gli switch di un convertitore ibrido lavorano a una tensione pari alla metà di quella d’ingresso, rendendo possibile l’impiego di MOSFET con specifiche a bassa tensione, e raggiungendo un buon livello di efficienza. In un convertitore ibrido, le perdite legate alla commutazione sono più basse di quelle di un convertitore buck tradizionale, permettendo la commutazione a frequenza più elevata. In un’applicazione tipica da 48V a 12V/25A, facendo commutare l’LTC7821 a 500kHz, è possibile ottenere un’efficienza superiore al 97% a pieno carico. Per raggiungere un valore equivalente, usando un controllore buck, l’LTC7821 dovrebbe lavorare a un terzo della frequenza, che porterebbe a una soluzione dalle dimensioni notevolmente più ampie. Frequenze di switching più elevate permettono di utilizzare induttori più piccoli, offrendo una risposta più veloce al transiente e consentono soluzioni dalle dimensioni più contenute (Figura 2).

Figura 2. Confronto tra le dimensioni di un convertitore buck non isolato e l’equivalente ibrido da 48V a 12V/20A.

 

L’LTC7821 è un controllore per convertitore ibrido in modalità peak-current, dalle caratteristiche necessarie a realizzare una soluzione completa per un convertitore step-down non isolato, ad alta efficienza e alta densità, destinato al bus intermedio dei sistemi telecom e data center.

Le caratteristiche principali dell’LTC7821 includono:

• Ampio intervallo di tensione V_IN: da 10V a 72V (80V max. assoluti)
• Frequenza fissa “phase-lockable”: da 200kHz a 1,5MHz
• Quattro driver MOSFET a canale-N ~5V integrati
• Sense di corrente R_SENSEo DCR
• Funzionamento in CCM, DCM, o Burst Mode programmabile
• Pin CLKOUT per funzionamento multifase
• Protezione dai cortocircuiti
• Ingresso EXTV_CCper una migliore efficienza
• Tensione d’uscita di start-up monotona
• Package QFN a 32-pin (5 × 5 mm)

Convertitore ibrido da 48V a 12V a 25A con densità di potenza di 640 W/in³

La Figura 3 illustra un convertitore ibrido da 300W che utilizza l’LTC7821, con frequenza di switching a 400kHz. L’intervallo della tensione d’ingresso va da 40V a 60V con uscita a 12V con carichi fino a 25A. Per tutte le posizioni indicate con CFLY e CMID vengono utilizzati 12 condensatori ceramici da 10µF (package 1210). L’induttore da 2µH, di dimensioni relativamente contenute (SER2011-202ML, 0,75in × 0,73in), può essere utilizzato grazie all’alta frequenza di switching e al fatto che lo stesso induttore, al nodo di switch, lavori soltanto dalla metà di VIN (basso valore volt/secondo). Come illustrato in Figura 4, la dimensione approssimativa della soluzione è di 1,45in × 0,77in, che risulta in una densità di potenza di circa 640W/in³.

Figura 3. Un convertitore ibrido da 48V a 12V/25A che utilizza l’LTC7821.

 

Figura 4. Un possibile layout per un bus converter completo che utilizza entrambi i lati della scheda, occupando solo 2,7cm² del suo lato superiore.

 

Dato che i tre switch inferiori lavorano sempre alla metà della tensione d’ingresso, si possono utilizzare FET con specifiche a 40V. Per lo switch superiore si usa invece un FET con specifiche a 80 V, perché durante lo startup (in assenza di commutazione), all’inizio del periodo di precarica di CFLY e CMID, funziona alla piena tensione d’ingresso. Durante il funzionamento stabile, tutti i quattro switch “vedono” la metà della tensione d’ingresso; per questo motivo, in un convertitore ibrido le perdite di commutazione sono molto più ridotte rispetto a quelle di un convertitore buck, dove tutti gli switch sono coinvolti dalla piena tensione d’ingresso. La Figura 5 illustra l’efficienza del progetto: il suo valore di picco è del 97,6% e quello a pieno carico del 97,2%. Con un livello di efficienza alto (perdita di potenza bassa), le prestazioni termiche sono molto buone, come illustrato dalla termografia di Figura 6. Il punto più caldo del circuito raggiunge 92°C alla temperatura ambiente di 23°C, senza ventilazione forzata.

Figura 5. Curva di efficienza con ingresso a 48V, uscita a 12V e f_SW di 400kHz.

 

L’LTC7821 implementa una tecnica di prebilanciamento unica per CFLY e CMID, che, durante lo startup, previene lo spunto di corrente all’ingresso. Durante la fase iniziale di power-up, vengono misurate le tensioni ai capi dei condensatori flottanti CFLY e CMID: se una qualsiasi di queste tensioni non si trova a VIN ∕ 2, ha inizio la carica del condensatore TIMER e, quando la sua tensione raggiunge 0,5V, vengono attivati i generatori di corrente interni per portare la tensione di CFLY a VIN ∕ 2. Dopodiché, CMID viene caricato e portato a VIN ∕ 2. Durante questo lasso di tempo, il pin TRACK/SS viene tenuto basso e tutti i MOSFET esterni restano disattivati. Se le tensioni ai capi di CFLY e CMID raggiungono VIN ∕ 2, prima che la tensione del condensatore TIMER arrivi a 1,2V, il pin TRACK/SS viene rilasciato, dando inizio a un normale soft start. La Figura 7 mostra questo periodo di prebilanciamento e la Figura 8 illustra il soft start di VOUT con ingresso a 48V, uscita 12V a 25A.

 

Figura 6. Termografia della soluzione di convertitore ibrido di Figura 2.

 

Figura 7. Il periodo di prebilanciamento allo startup dell’LTC7821 evita gli spunti di corrente.

 

Figura 8. Avvio dell’LTC7821 con ingresso a 48V, uscita a 12V e 25A (nessuno spunto di corrente).

 

Figura 9. Collegamento dei segnali principali di un LTC7821 in un progetto a 2-fasi.

 

Convertitore ibrido multifase da 1,2kW

La facile scalabilità dell’LTC7821 lo rende la scelta ideale per applicazioni a corrente elevata, come quelle utilizzate da telecom e data center. La Figura 9 mostra i collegamenti dei principali segnali per un convertitore ibrido a 2-fasi che utilizza più LTC7821.

Il pin PLLIN di un LTC7821 e il pin CLKOUT dell’altro integrato sono collegati tra loro per sincronizzare i segnali PWM.

Per progetti con più di due fasi, i pin PLLIN e CLKOUT vengono collegati in configurazione daisy chain. Dato che l’uscita di clock sul pin CLKOUT è sfasata di 180° rispetto al clock principale dell’LTC7821, le uscite di numero pari sono reciprocamente in fase, mentre le dispari sono in controfase rispetto alle pari.

Nella Figura 10 è illustrato un convertitore ibrido a 4-fasi, 1,2kW. Lo stadio di potenza di ciascuna delle fasi è identico a quello del progetto monofase mostrato in Figura 3. L’intervallo della tensione d’ingresso va da 40V a 60V, con uscita a 12V, e corrente di carico fino a 100A. Il massimo livello di efficienza è del 97,5% e quello a pieno carico 97,1%, come illustrato in Figura 11.

Le prestazioni termiche sono illustrate invece in Figura 12. Il punto più caldo del circuito raggiunge 81°C alla temperatura ambiente di 23°C, con ventilazione forzata da 200 LFM. In questo progetto si utilizza un sistema di sense DCR. Come si vede in Figura 13, la ripartizione della corrente è ben bilanciata tra le quattro fasi.

 

Figura 10. Un convertitore ibrido a 4-fasi, 1,2kW che utilizza quattro LTC7821.

 

Figura 11. Curva di efficienza di un progetto a 4-fasi, 1,2kW.

 

Figura 12. Immagine termografica del convertitore multifase illustrato in Figura 9.

 

Figura 13. Ripartizione della corrente per il convertitore multifase illustrato in Figura 9.

 

Conclusione

L’LTC7821 è un convertitore ibrido, in modalità peak-current, che consente un approccio innovativo, semplificato all’implementazione di un convertitore di bus intermedio, per sistemi telecom e data center. In un convertitore ibrido, tutti gli switch funzionano alla metà della tensione d’ingresso, riducendo sensibilmente le perdite di commutazione, correlate alle applicazioni con un elevato rapporto di tensione ingresso/uscita. Pertanto, un convertitore ibrido può funzionare a frequenze di switching da 2 a 3 volte superiori rispetto a quelle di un convertitore buck, senza comprometterne l’efficienza, ed è facilmente scalabile per applicazioni a correnti più elevate. Costo complessivo inferiore e facile scalabilità distinguono i convertitori ibridi da quelli isolati, tradizionalmente utilizzati nei bus converter.

A cura di Ya Liu, Jian Li, San-Hwa Chee e Marvin Macairan, Analog Devices, Inc.