Una soluzione emergente è l'architettura del convertitore DC-DC a 3 livelli, che può offrire notevoli vantaggi in termini di efficienza, riducendo al contempo i costi della distinta base (BOM) e le dimensioni della scheda.
Perché un convertitore DC-DC a 3 livelli?
Un controller Buck a 2 livelli utilizza due FET (esterni o interni) e un singolo induttore per il trasferimento di potenza. Sono chiamati controller a 2 livelli perché il nodo di fase dell'induttore (V_SW) oscilla tra VIN e massa, ovvero solo due livelli. In questa topologia, i FET devono bloccare l'intera tensione VIN quando sono spenti e l'ondulazione dell'induttore raggiunge il suo massimo con un duty cycle del 50%.
Figura 1: Topologia tipica di un convertitore DC-DC a 2 livelli
Il convertitore buck a tre livelli (3N) è costituito da due interruttori aggiuntivi e un condensatore flyback rispetto a un convertitore buck convenzionale a due livelli (2N). Gli interruttori Q1 e Q4 sono sfasati, e analogamente anche Q2 e Q3. Il nodo di commutazione (V_SW) alterna tra VIN e VIN/2, oppure tra VIN/2 e massa, da cui il nome "3 livelli"
Figura 2: Topologia tipica CC-CC a 3 livelli
In condizioni di regime stazionario, il condensatore flyback mantiene VIN/2, riducendo la tensione ai capi degli interruttori. Ciò consente l'utilizzo di FET a bassa tensione con un fattore di merito migliore, con conseguente riduzione delle perdite di conduzione e di commutazione proporzionali a V².
Questa topologia permette inoltre l'utilizzo di un induttore di dimensioni inferiori, poiché quest'ultimo è soggetto solo alla metà di VIN. L'ondulazione dell'induttore si verifica al doppio della frequenza di commutazione del FET, rendendo l'ondulazione picco-picco pari a solo un quarto di quella di un convertitore a 2 livelli, con conseguente riduzione delle perdite nel nucleo dell'induttore e delle perdite in corrente continua (DCR).
Figura 3: Ondulazione dell'induttore in funzione del ciclo di lavoro per convertitori buck a 2 e 3 stadi
Opportunità di riduzione della distinta base
: sfruttando la maggiore efficienza termica ed elettrica dei progetti a 3 livelli, gli ingegneri possono:
- Ridurre le dimensioni di induttori e condensatori senza compromettere le prestazioni.
- Ridurre il numero di componenti semplificando i circuiti di snubber e il filtraggio EMI.
- Selezionare MOSFET con tensioni nominali inferiori, che sono più convenienti e presentano minori perdite di conduzione.
Esempi di applicazioni reali:
caricabatterie USB-PD multiporta.
Nei caricabatterie USB-PD ad alta potenza (in particolare EPR >65 W), l'efficienza e il controllo termico sono fondamentali. Un convertitore DC-DC a 3 livelli può operare a frequenze di commutazione più elevate senza penalizzazioni, consentendo l'utilizzo di componenti magnetici più piccoli e una risposta ai transitori più rapida. La riduzione del carico termico permette di realizzare contenitori più compatti senza necessità di ventilazione forzata, riducendo direttamente i costi di produzione e dei materiali.
Figura 4: Schema di un caricabatterie USB-PD multiporta con convertitore DC-DC a 3 livelli
Prodotti di alimentazione per i consumatori:
in prodotti come laptop, stazioni di connettività e apparecchiature audio portatili di fascia alta, lo spazio sulla scheda è spesso limitato. Uno stadio di alimentazione più piccolo non solo riduce il costo dei materiali, ma libera anche spazio per funzionalità aggiuntive, un'estetica migliore o un fattore di forma complessivo più compatto. Caratterizzata da un design innovativo dello stadio di alimentazione che incorpora un nodo di commutazione a 3 livelli e un nodo di commutazione a 2 livelli tramite l'induttore, questa architettura consente le modalità buck, buck-boost o boost.
Figura 5: Prodotto di consumo energetico con diagramma CC-CC a 3 livelli
Vantaggi della riduzione di tensione:
Poiché ogni componente in un convertitore a 3 livelli è soggetto a minori oscillazioni di tensione, i requisiti di riduzione della tensione sono meno stringenti. Ad esempio, in un convertitore buck a 2 livelli che riduce la tensione da 24 V a 5 V, il MOSFET high-side potrebbe essere sottoposto all'intera tensione di 24 V durante lo stato di off, richiedendo un dispositivo da 30 V–40 V con una R_DS(on) più elevata e un costo maggiore. In una topologia a 3 livelli, il MOSFET riceve solo circa la metà (≈12 V), consentendo l'utilizzo di un MOSFET da 15 V–30 V con una R_DS(on) molto inferiore, migliori prestazioni di commutazione e un costo inferiore.
Questo effetto si estende all'intero progetto: la riduzione di tensione consente ai progettisti di scegliere tra famiglie di componenti a tensione inferiore e prestazioni superiori, che spesso presentano un fattore di merito (FOM) migliore e minori perdite di conduzione e di commutazione. Il risultato netto è uno stadio di potenza più piccolo, più fresco e meno costoso.
Vantaggi relativi alle dimensioni e all'efficienza dell'induttore:
Poiché la corrente di ripple in un convertitore a 3 livelli è naturalmente ridotta, anche le dimensioni dell'induttore necessarie si riducono. Ad esempio, in un convertitore buck a 2 livelli che riduce la tensione da 24 V a 12 V, l'induttore deve controllare l'intera transizione da 24 V a 0 V in ogni ciclo. Ciò si traduce in una corrente di ripple picco-picco più elevata, costringendo i progettisti a selezionare valori di induttanza più alti e induttori fisicamente più grandi con un volume del nucleo e avvolgimenti in rame maggiori. Induttori più grandi non solo aumentano i costi, ma introducono anche una maggiore resistenza in corrente continua (DCR), che aggiunge perdite di conduzione e riduce ulteriormente l'efficienza.
In un convertitore buck a 3 livelli, la tensione effettiva ai capi dell'induttore è dimezzata perché le transizioni di commutazione avvengono tra nodi di tensione intermedi (circa da 12 V a 0 V o da 24 V a 12 V). Ciò riduce la corrente di ripple di quasi il 50%, consentendo un valore di induttanza inferiore per ottenere la stessa corrente di ripple. Induttori più piccoli con una minore resistenza in corrente continua (DCR) comportano direttamente una riduzione delle perdite di conduzione, una risposta transitoria più rapida e un design più compatto. Allo stesso tempo, una minore ondulazione riduce la tensione del condensatore di uscita e migliora l'affidabilità del sistema. Il risultato combinato è una maggiore efficienza, un ingombro ridotto e un costo complessivo del sistema inferiore, rendendo la topologia a 3 livelli particolarmente interessante per applicazioni ad alta corrente e con spazio limitato.
Impatto a livello di sistema
Il passaggio a un'architettura CC-CC a 3 livelli non rappresenta solo una modifica a livello di componente, ma ha implicazioni a livello di sistema che possono tradursi in vantaggi quantificabili nell'intera progettazione del prodotto
• Riduzione dei requisiti di progettazione termica
: grazie alla topologia a 3 livelli che riduce le perdite di commutazione e di conduzione, si genera meno calore nello stadio di potenza. Ad esempio, in un caricabatterie USB-PD da 200 W, la dissipazione di calore potrebbe essere ridotta di 1-2 W rispetto a un design a due livelli. Ciò consente di sostituire un ingombrante dissipatore di calore in alluminio con un componente in metallo stampato più piccolo o addirittura di eliminarlo completamente, eliminando la necessità di pad termici o heat pipe e riducendo i costi dei materiali e la complessità di assemblaggio.
• Area PCB ridotta dedicata alla conversione di potenza:
grazie a perdite e tensioni inferiori, induttori e condensatori possono essere fisicamente più piccoli. In un tipico alimentatore per laptop, l'area della fase di alimentazione potrebbe essere ridotta del 20-30%, liberando spazio prezioso sulla scheda per porte aggiuntive, bobine di ricarica wireless o un design meccanico migliorato. Componenti più piccoli consentono inoltre una maggiore densità di componenti, facilitando il raggiungimento degli obiettivi di dimensioni o peso del case.
• Una maggiore efficienza si traduce in minori costi operativi per l'utente finale.
Nei dispositivi di consumo ad alto volume, anche un aumento di efficienza dello 0,5-1% si traduce in un risparmio energetico tangibile durante l'intero ciclo di vita del prodotto. Ad esempio, un caricabatterie USB-PD a 3 livelli da 240 W con un'efficienza del 95% consumerà 12 W in meno di energia al giorno rispetto a un modello a 2 livelli con un'efficienza del 93% se utilizzato a pieno carico per otto ore, riducendo i costi dell'elettricità e l'accumulo di calore per l'utente finale. Ciò è particolarmente importante negli ambienti aziendali o nei data center, dove possono essere implementate decine o centinaia di tali unità.
Conclusione:
Il convertitore DC-DC a 3 livelli offre una soluzione interessante per massimizzare il valore nei sistemi di alimentazione. Riducendo i costi dei materiali, diminuendo le dimensioni dei componenti e semplificando la gestione termica, questa topologia consente ai progettisti di realizzare prodotti ad alte prestazioni e a costi ottimizzati, in grado di soddisfare le esigenze delle applicazioni moderne. Con la continua crescita di USB-PD e di altri mercati ad alta potenza, l'approccio a 3 livelli diventerà un'opzione sempre più interessante per gli ingegneri focalizzati sia sulle prestazioni che sull'efficienza dei costi.
A cura di Alex Zhou, Direttore Marketing di Prodotto presso Renesas
