Power management allows for improved management of energy expenditures, increased safety and environmental effect mitigation.

It provides a highly integrated, high-performance architecture for a broad range of application categories, such as storage computing, networking, telecommunications, automotive, and consumer electronics. Today's systems require power supply design to be integrated with the system design in order to maintain high efficiency.

Power management ICs (PMIC) are employed for voltage conversion, voltage regulation and battery management. They are essentially a system-in-a-package solution. A single PMIC can manage multiple external power sources, supply power to multiple loads, and shield against unsupported overvoltage & under-voltage conditions, over-currents, and thermal faults. Less power consumption under varied load circumstances, less space, excellent dependability and a wide input voltage are some of the major needs of today's power management systems. In a wide range of applications, these criteria are driving the demand for highly efficient, wide VIN, low quiescent current (IQ) switching regulators.

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Alimentazione elettrica

Un alimentatore è un dispositivo elettrico che fornisce elettricità a un carico. In generale, si riferisce alla generazione e al controllo delle tensioni regolate necessarie per il funzionamento di un sistema elettronico. La principale funzione di un alimentatore è convertire la corrente elettrica da una sorgente nella tensione, corrente e frequenza corrette per alimentare il carico. Gli elementi dell’alimentatore possono comprendere componenti dell’IC, quali ad esempio regolatori di commutazione, regolatori di tensione lineare, convertitori di tensione a condensatore commutato, convertitori CC-CC, soluzioni CA-a-CC, circuiti di gestione energetica PMIC, gestione delle batterie, PoE (Power over Ethernet) e riferimento di tensione.

Alcuni alimentatori sono forniti sotto forma di unità indipendenti, mentre altri sono integrati nelle apparecchiature di carico che alimentano. Richiedono un’elevata stabilità e protezione di sicurezza. Gli utilizzi abbracciano un’ampia varietà di tipologie di prodotto, dalle apparecchiature di consumo agli impianti industriali, dai milliwatt ai megawatt e dagli utensili portatili alle comunicazioni satellitari. Gli alimentatori industriali variano, dal punto di vista della capacità, da pochi watt a molti kilowatt e possono essere costruiti per soddisfare criteri complessi come quelli del raffreddamento a convezione/senza ventole, rinforzati, con rivestimento conforme o con classificazioni IP per ambienti ostili.

Gli alimentatori sono in grado di limitare la corrente ricevuta dal carico a livelli di sicurezza e di interrompere la corrente in caso di guasto elettrico. Possono eseguire il condizionamento dell’energia, per evitare il rumore elettronico o che i picchi di tensione all’ingresso raggiungano il carico. Effettuano la correzione del fattore di potenza e immagazzinano energia in modo da poter continuare ad alimentare il carico anche in caso di temporanea interruzione dell'alimentazione. Dato che i molti dispositivi elettronici richiedono diversi livelli di tensione, i progettisti devono sviluppare un metodo per trasformare i potenziali delle fonti energetiche convenzionali nelle tensioni specificate dal carico. La conversione di tensione deve essere flessibile, efficiente e affidabile.

Gli alimentatori a commutazione vengono comunemente utilizzati per fornire i diversi livelli di potenza in uscita CC richiesti per applicazioni di corrente e sono fondamentali per la produzione di sistemi di conversione di potenza CC-CC altamente efficienti e affidabili. Tra i più popolari vi sono quelli buck, boost, buck-boost, a inversione e split rail.

Il Power over Ethernet è una tecnologia ampiamente utilizzata che consente a dispositivi collegati in rete, come telefoni IP, LAN wireless, punti d’accesso, videocamere di sicurezza in rete e altri terminali basati su IP di ricevere potenza in parallelo con i dati sull’infrastruttura Ethernet CAT-5 esistente senza il bisogno di un'alimentazione separata. Riduce al minimo sia la complessità, sia i rischi associati all’elaborazione della potenza CA. L’ultimo aggiornamento dello standard PoE è lo standard IEEE 802.3at, anche nota come PoE+. Questi dispositivi offrono un’uscita di potenza massima di 30 watt per porta.

La carica wireless elimina l'esigenza di cavi per caricare cellulari, apparecchi cordless e altri dispositivi elettronici indossabili. Il sistema di ricarica wireless è composto da un set di chip trasmettitore e ricevitore che possono essere fatti su misura per varie esigenze applicative e sono conformi ai principali standard di ricarica wireless, tra cui il Wireless Power Consortium's Qi (WPC). La batteria in qualsiasi dispositivo a batteria può essere caricata con un caricatore wireless semplicemente posizionando l’apparecchio accanto a un trasmettitore di alimentazione wireless o una stazione di carica certificata. La ben nota legge di Faraday sulla tensione indotta è il concetto base utilizzato nella carica wireless.

CA – CC

L’alimentazione all’ingresso può essere corrente alternata (CA) o corrente continua (CC). La corrente elettrica in CA inverte periodicamente la sua direzione, mentre quella CC si verifica quando la corrente scorre in un’unica direzione costante. La CC è il tipo di alimentazione preferita per i dispositivi elettronici. I convertitori da CA a CC risultano essere tra i più gettonati nell'elettronica di potenza perché vengono utilizzati in molte applicazioni della vita quotidiana in cui è necessario convertire una tensione CA (50Hz/60Hz onda sinusoidale) in un’uscita CC.

I convertitori CA-CC possono avere uscite multiple e caratteristiche come la protezione da sovracorrente, sovratensione o cortocircuito. Per convertire la CA fornita in CC pura, un tipico convertitore da CA a CC effettua quattro passaggi principali. Questi sono: riduzione della tensione di alimentazione; raddrizzamento dell’onda sinusoidale; livellamento della forma d’onda per ridurre al minimo l’ondulazione; regolazione della tensione per produrre l’uscita CC finale.

Il processo di conversione della corrente alternata in corrente continua è detta raddrizzamento. I raddrizzatori sono costruiti con dispositivi semiconduttori che conducano esclusivamente corrente in una sola direzione, come i diodi. I tiristori sono raddrizzatori a semiconduttori più avanzati. I raddrizzatori sono classificati in base a fattori come i tipi di fornitura, la configurazione del ponte e i componenti utilizzati. Si può classificare come fase singola o trifase, a seconda del numero di diodi utilizzati. Può essere a mezza onda, onda intera o raddrizzatore a ponte e può anche essere di tipo controllato o non controllato. I raddrizzatori non controllati forniscono una tensione di uscita CC per una data fornitura CA. I raddrizzatori controllati utilizzano tiristori e diodi, che offrono una tensione di uscita CC regolabile controllando la fase alla quale vengono accesi i dispositivi.

La conversione da CA a CC si può ottenere utilizzando topologie lineari o a commutazione. I convertitori CA-CC di tipo lineare sono semplici ed economici ma sono anche ingombranti e inefficienti. La potenza in eccesso viene convertita in calore, fatto che in alcune applicazioni sensibili alla temperatura può non essere desiderabile, ma hanno il vantaggio di generare poco rumore. I convertitori CA-CC di tipo a commutazione utilizzano una tecnica di conversione della potenza a commutazione e sono più complicati rispetto a quelli lineari. La logica dietro all’utilizzo di topologie più complicate è generalmente quella di migliorare l'efficienza, ridurre il rumore o funzionare con un controllo della potenza superiore.

Per un’elevata efficienza energetica, spesso un convertitore CA/CC richiede eccellenti performance di commutazione. Le si possono ottenere attraverso l’utilizzo di tecniche e tecnologie all'avanguardia come carburo di Silicio (SiC) e MOSFET. Per attenuare la distorsione e aumentare il fattore di potenza, alcuni convertitori a commutazione includono una correzione del fattore di potenza attivo o passivo. Un regolatore di commutazione effettua il passaggio dagli stato completamente acceso e completamente spento in tempi relativamente brevi, riducendo gli sprechi di energia. I convertitori a commutazione sono più efficienti, più piccoli e più leggeri di quelli lineari, ma sono anche più complessi. Se sprovvisti di un adeguato filtro anti disturbo, possono causare problemi di rumore elettrico; inoltre, i design più semplicistici potrebbero avere un basso fattore di potenza.

Gli alimentatori convertitori CA-CC sono disponibili in svariati tipi di pacchetto e possono essere di tipo chiuso, aperto, oltre ad avere diverse opzioni come il montaggio su PCB, montaggio su rack, guida DIN, esterna, ecc. In più, sono anche disponibili in base alla capacità di potenza di picco oppure offrire un controllo della corrente costante semplice.

CC - CC

I convertitori CC-CC sono alimentatori che convertono il voltaggio a corrente continua (CC) in vari livelli di tensione CC diversi. Sono componenti fondamentali di quasi tutti i circuiti elettrici in cui sono necessari voltaggi diversi per alimentare diversi componenti del circuito. L’ingresso di un convertitore cc-cc è una tensione cc non regolata che viene convertita in una tensione di uscita cc regolata.

Deve funzionare all’interno di parametri CC definiti, come l’intervallo di tensione di ingresso, l’intervallo di tensione in uscita e la corrente in uscita massima richiesta per una determinata applicazione. Efficienza, ondulazione in uscita, controllo del carico, reattività ai transienti, temperatura di esercizio, dimensioni e peso sono alcune delle caratteristiche aggiuntive delle prestazioni da tenere in considerazione. Un altro elemento importante che ha un impatto sull'efficienza e il rumore è la frequenza di commutazione. Frequenze di commutazione più alte consentono componenti esterni più piccoli, correnti di picco più basse e perdite I2R ridotte, ma aumentano anche le perdite di core, le correnti di carico del gate e le perdite di commutazione.

I convertitori CC-CC sono classificati in due tipi: lineari e commutati. Mentre un convertitore CC/CC lineare genera e regola una determinata tensione di uscita attraverso un calo di tensione resistivo, una modalità di commutazione la converte memorizzando periodicamente l’energia in ingresso e poi la rilascia all’uscita a una tensione variabile. La memorizzazione può essere in un componente del campo magnetico (induttore, trasformatore) o un componente del campo elettrico (condensatore). Questo metodo di conversione può aumentare o diminuire il livello di tensione. I regolatori lineari forniscono un rumore inferiore e un’ampiezza di banda più alta.

La modalità commutata CC-CC è ulteriormente classificata in convertitori isolati e non isolati. I convertitori isolati offrono una barriera isolante dall’ingresso all’uscita con l’aiuto di trasformatori e optoaccoppiatori. Ciò consente alla tensione in uscita di essere flottante e venire utilizzata come polarità positiva o negativa rispetto agli 0V del sistema. I convertitori isolati sono utili per interrompere i circuiti chiusi di terra, separando così le parti di un circuito che sono sensibili al rumore. I requisiti di sicurezza sono uno dei motivi più diffusi per l’utilizzo di un convertitore di potenza CC-CC isolato. L’isolamento separa l’uscita dalle tensioni pericolose sull’ingresso e protegge da scarica elettrica o cortocircuito. Le applicazioni ad alta velocità e alta potenza utilizzano convertitori CC/CC isolati.

Quando l’oscillazione di tensione è minima, si usano i convertitori non isolati. In questo circuito, i terminali di ingresso e di uscita condividono una terra comune. Si utilizza un circuito chiuso di feedback per mantenere una tensione di uscita costante con tensioni di ingresso e carichi di uscita variabili.

Un convertitore CC/CC di commutazione, anche noto come regolatore, è un circuito che trasferisce energia dall’ingresso all’uscita utilizzando un commutatore di potenza, un induttore, un diodo e un condensatore. Questi possono essere combinati in svariati modi per produrre i tipi buck, boost o buck-boost. Un convertitore buck genera una tensione in uscita più bassa rispetto alla tensione in ingresso, perciò è denominato convertitore “step-down”. La topologia di convertitore boost produce una tensione maggiore di quella in ingresso ed è anche detta convertitore “step-up”. Un convertitore buck-boost è una combinazione dei circuiti buck e boost: qui le tensioni del convertitore possono essere più alte o più basse della tensione in ingresso.

I convertitori a commutazione con capacità di potenza bassa o alta hanno un’ampia gamma di applicazioni, tra cui alimentatori, sistemi di immagazzinamento dell’energia, sistemi di trasmissione dell’energia, veicoli elettrici, sistemi di propulsione navali e ferroviari, applicazioni di energia rinnovabile e azionamenti motore cc.

Sotto Carica

L’alimentazione proveniente dalla rete è sempre corrente alternata (CA). Quando si caricano i dispositivi elettronici portatili (come cellulari e auto elettriche), l’elettricità viene convertita da corrente alternata (CA) a corrente continua (CC). Un sistema di carica è un dispositivo che trasferisce l’energia da una rete di fornitura a tensione costante e frequenza costante a una corrente continua al fine di ricaricare la batteria e far funzionare gli impianti elettrici mentre sono collegati.

Nei sistemi a batteria, la qualità del circuito di carica ha un impatto significativo sulla durata e l’affidabilità della batteria. Un buon caricabatterie aumenta la capacità, allunga la durata della batteria e tiene traccia del processo di carica. Per affrontare i problemi legati alla conversione dell’alimentazione portatile, sono necessarie numerose soluzioni di gestione delle batterie che supportano una serie di composizioni chimiche della batteria stessa. I controller di gestione della carica della batteria sono sistemi di regolazione dell’attenzione affidabili, economici e altamente precisi che hanno bisogno di pochi componenti esterni, consentendo design più piccoli, meno costosi e più sofisticati.

Le applicazioni portatili richiedono sia un’alta efficienza di conversione, sia un basso consumo di energia in stand by per sostenere la durata della batteria. Per mantenere livelli di energia costanti quando le batterie si scaricano, i pacchi batterie multi-cella potrebbero richiedere conversioni step-down (buck), mentre le batterie a cella singola potrebbero richiedere conversioni step-up (boost). La carica della batteria richiede una regolazione costante della corrente o della tensione. Questi dispositivi di carica delle batterie includono caratteristiche come il precondizionamento della batteria, correnti di carica programmabili, soglie di fine carica e timer, massimizzano la capacità di alimentazione e riducono al minimo il tempo di carica pur mantenendo la vita utile della batteria in circuiti di piccole dimensioni e composti da pochi componenti che sono ideali per le applicazioni portatili.

La carica può avvenire tramite ricarica cablata/conduttiva, ricarica wireless/induttiva oppure sostituendo la batteria (swapping). I sistemi di carica che utilizzano la tecnica cablata/conduttiva fanno contatto diretto tra il connettore e l’ingresso di carica. Il cavo può essere alimentato da una normale presa elettrica o una stazione di carica. La carica conduttiva viene preferita in quanto considerevolmente più economica e più efficiente.

La carica tramite metodo wireless/induttivo impiega un campo elettromagnetico per trasmettere l’energia tra due oggetti. Ciò avviene generalmente con l’aiuto di una stazione di carica. L’energia viene trasferita a un dispositivo elettrico attraverso un accoppiamento induttivo, che può successivamente utilizzare tale energia per caricare le batterie o alimentare il dispositivo. I caricatori a induzione utilizzano una bobina di induzione all’interno di una base di carica per generare un campo elettromagnetico alternato e una seconda bobina di induzione all’interno del dispositivo portatile, che trasforma l’alimentazione proveniente dal campo elettromagnetico in corrente elettrica per ricaricare la batteria.

I veicoli elettrici (EV) sono alimentati da grandi moduli di batterie, costituiti da lunghe serie di batterie. Il pacco di batterie è un insieme di singole batterie che fungono da principale alimentazione del veicolo. I caricatori EV si differenziano in base alla velocità con cui ricaricano le batterie EV. L’uso ottimale e sicuro di queste batterie richiede un BMS, che include sistemi di monitoraggio e controllo dell’immagazzinamento dell’energia della batteria, i quali garantiscono la salute delle cellule della batteria e forniscono energia ai sistemi del veicolo. Ospita un connettore di carica ad alta tensione che collega la sorgente ad alta tensione per caricare la batteria all’interno del veicolo.

Ci sono numerosi tipi di connettori di carica, moduli di gestione dell’energia, IC di alimentazione e controller di carica che si possono utilizzare per un’ampia gamma di applicazioni di metodi di carica conduttiva e induttiva.

Gestione batterie

La crescita del settore delle batterie ricaricabili è spinta da un aumento dei dispositivi portatili, dei veicoli elettrici, dell’immagazzinamento dell’energia e delle applicazioni industriali. Le varie composizioni chimiche delle batterie includono piombo-acido, nichel cadmio, nichel-metallo idruro e ioni di litio e questi richiedono una corrente di carica e tensioni in uscita estremamente precise per soddisfare gli standard. Per mantenere in buona salute le celle all’interno del pacco batteria ed erogare la potenza necessaria, è richiesto un sistema di gestione delle batterie (BMS). Il portafoglio di gestione delle batterie include circuiti integrati di autenticazione della batteria, circuiti integrati di carica della batteria, circuiti integrati indicazione del livello delle batterie, circuiti integrati di protezione batterie, circuiti integrati di monitoraggio e supervisione della batteria, che si possono utilizzare per un’ampia gamma di applicazioni.

Un BMS è un sistema elettronico che gestisce la carica, controlla la scarica e fornisce altre funzionalità avanzate come la protezione delle celle, il monitoraggio e bilanciamento delle celle, calcola la vita utile della batteria, ne controlla l’ambiente, ecc. La funzione principale di un BMS è proteggere la batteria e prevenire eventuali funzionamenti al di fuori dei limiti di sicurezza. Ha svariati blocchi funzionali, come i FET di cut-off, un monitor del livello, un monitor della tensione della cella, un bilanciamento della tensione della cella, un orologio in tempo reale, monitor della temperatura e una macchina dello stato.

Esistono numerosi tipi di circuiti integrati di gestione delle batterie disponibili. I componenti funzionali sono organizzati in svariati modi, da un semplice AFE (analog front end) che fornisce il bilanciamento e il monitoraggio a un sistema che richiede un controller attivo, un sistema altamente integrato che funziona autonomamente. Il microcontrollore utilizzato nel BMS misura la tensione e la corrente della cella in tempo reale e commuta i MOSFET di conseguenza.

In termini di struttura hardware, le architetture centralizzata, distribuita e modulare sono i tre tipi di topologia implementate in un BMS. Numerosi sensori sono posizionati all’interno del pacco batteria per raccogliere dati nel livello di monitoraggio. I dati acquisiti in tempo reale vengono utilizzati per garantire la sicurezza del sistema e valutare lo stato della batteria.

La protezione della cella include l’acquisizione di dati delle tensioni, temperature e corrente della cella. L’analisi dei dati determina lo stato di carica (SoC) e lo stato di salute (SoH) del pacco batterie. Assicura il controllo dei componenti esterni per mantenere le celle nelle condizioni raccomandate dal produttore (ad es. ventole, riscaldatori) e controllare i componenti per isolare il pacco batteria in caso di guasto di una cella (contattori).

Il bilanciamento delle cellule fornisce un modo per compensare le cellule più deboli equalizzando La carica su tutte le cellule del pacco batterie al fine di prolungare la vita utile di quest’ultimo. Spesso vengono impiegati due metodi di bilanciamento delle cellule: attivo e passivo. Nel metodo passivo, i resistore di by pass vengono utilizzati per scaricare la tensione in eccesso ed equalizzare con le altre cellule. Nel metodo attivo, la carica in eccesso di una cella viene trasferita ad un’altra cella con una carica bassa. Si fa uso di induttori e condensatori di immagazzinamento della carica.

I veicoli elettrici sono alimentati da grandi moduli di batterie, costituiti da lunghe file di batterie collegate in serie. L’uso ottimale e sicuro di queste batterie richiede l’utilizzo di un BMS, che include la capacità di effettuare il monitoraggio e controllo dell’immagazzinamento dell’energia della batteria, oltre a garantire la salute delle cellule della batteria e fornire energia ai sistemi del veicolo.

Protezione dei Circuiti

La protezione del circuito è l’uso previsto di un dispositivo fail-safe che provoca un’interruzione in un circuito elettrico quando rileva un carico eccessivo e pericoloso di alimentazione in un circuito (siano esse condizioni di sovracorrente o sovratensione). Una condizione di sovraccarico può essere definita come il funzionamento di un’apparecchiatura al di sopra del suo normale carico nominale massimo, oppure il funzionamento al di sopra della sua capacità nominale. Le correnti di cortocircuito (correnti di guasto) solitamente si verificano con un flusso di corrente eccezionalmente elevato dovuto al guasto dell’isolamento del conduttore.

I fusibili sono dispositivi sensibili alla corrente progettati con un pezzo di filo che si scioglie velocemente quando il flusso di corrente è troppo alto, interrompendo così il circuito. I fusilli resettabili, quelli a cartuccia e quelli a elevato potere di interruzione sono tutti i tipi di fusibili.

I fusibili sono dispositivi di protezione del circuito, disponibili in una selezione molto eterogenea. Questa linea di prodotti comprende diversi tipi di dispositivi di protezione del circuito e prodotti correlati. Fusibili, blocchi fusibili, porta fusibili e dispositivi resettabili a coefficiente di temperatura positivo (PTC) sono solo alcuni esempi di prodotti per sovracorrente. Tra i prodotti per sovratensione troviamo i varistori in ossido di metallo (MOV) i diodi discreti a soppressione delle tensioni transitorie (TVS), tiristori, soppressori di cariche elettrostatiche (ESD) e tubi a scarica gassosa (GDT).

I diodi Zener sono tra i dispositivi di protezione del circuito più comunemente utilizzati. Se utilizzati in modalità polarizzata in senso diretto, bloccano le tensioni a circa 0,6 V come qualunque altro diodo siliconico; tuttavia, quando sono utilizzati in modalità polarizzata in senso inverso, bloccano la tensione a un valore specifico.

I varistori sono dispositivi sensibili alla tensione utilizzati per salvaguardare i circuiti dai picchi di tensione transitori. I varistori multistrato (MLV) sono dispositivi principalmente a montaggio superficiale con una struttura multistrato in ceramica; hanno lo scopo di proteggere le schede di circuito nell’elettronica miniaturizzata dai transienti provocati dalle scariche elettrostatiche (ESD), il carico induttivo, la commutazione e le sovratensioni transitorie da fulmine. I MOV Sono dischi in ossido di zinco all’interno di un guscio epossidico e possono avere conduttori radiali o assiali. I MOV sono dispositivi a medio raggio utilizzati per proteggere i piccoli macchinari, gli alimentatori e i componenti.

Una sovratensione transitoria è un improvviso aumento (più breve di un millisecondo) nel flusso di alimentazione. Le sovracorrenti transitorie derivano da una serie di fonti, delle quali la più comune è quella interna, come la commutazione di carico e addirittura le normali operazioni dell'apparecchiatura. Tali transienti danneggiano, consumano o distruggono l’apparecchiatura elettronica. Un dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD) è un componente che riduce il quanto di energia nociva che scorre in un sistema. Gli SPD sono i tipi più comuni e meglio organizzati di dispositivi di protezione dalle sovratensioni. Nel circuito di alimentazione elettrica, il dispositivo SPD è solitamente posizionato in parallelo al binario conduttore e può essere utilizzato in qualunque fase dell’alimentazione. Gli SPD sono prodotti principalmente utilizzando uno o più tipi tra le seguenti tecnologie: Spinterometri o tubi a scarica gassosa, MOV, diodi Zener, diodi a valanga in silicio.

Gli interruttori magnetotermici, noti anche come MCB, sono principalmente meccanici e funzionano come un interruttore elettrico che si apre quando una corrente eccessiva attraversa un circuito. Possono essere resettati senza provocare danni e un meccanismo di latch mantiene chiuse le connessioni primarie. Rendono l'elettricità più sicura nella vita di tutti i giorni.

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