Sviluppo di controllori digitali
integrati per l’alimentazione della futura generazione di microprocessori.
- introduzione
-
Lo sviluppo di sistemi di alimentazione per
microprocessori della futura generazione, che assicurino buone prestazioni
dinamiche, elevati rendimenti e bassi costi, sta diventando uno dei più
stimolanti problemi da risolvere nell’ambito dell’elettronica di potenza con
molteplici risvolti scientifici ed industriali. Infatti, con l’aumento della
frequenza del clock dei microprocessori al di sopra del
GHz è stata necessaria una notevole diminuzione della
tensione di alimentazione al fine di limitare la dissipazione di potenza. Attualmente la tensione di alimentazione è di circa 1.5V e si ridurrà negli anni futuri. Per questi livelli di
tensione, la deviazione della tensione di uscita
rispetto al valore nominale deve essere limitata, anche in condizioni
transitorie, a valori molto piccoli, attualmente sull’ordine dei 100mV. Per completare la panoramica sulle specifiche
richieste al sistema di alimentazione, si deve tener
conto che il progredire dei livelli di integrazione ha portato ad elevatissimo
assorbimento di corrente che attualmente è dell’ordine dei 50A
per i nuovi Pentium, ma aumenterà notevolmente per le
future generazioni di microprocessori. Infatti, è previsto che entro il 2005 le
tensioni si abbassino fino ad 0.9V-1.2V, con
frequenze di clock dell’ordine dei 3.5 GHz
e con assorbimenti di potenza dell’ordine dei 160W,
ovvero assorbimenti di corrente dell’ordine dei 130A [1]. E’ infine da menzionare l’esistenza di
veloci variazioni di carico (attualmente dell’ordine
dei 50A/microsec, ma
arriveranno a 350 A/microsec nelle future
generazioni), corrispondenti a improvvise variazioni di stato del
microprocessore, quale ad esempio l’uscita dal funzionamento “sleep-mode”, che impongono delle severissime specifiche
dinamiche al controllo del sistema di alimentazione. A queste specifiche
statiche e dinamiche, si aggiungono una serie di funzioni accessorie come, ad
esempio, la variazione della tensione nominale di alimentazione
in funzione del livello di utilizzo del microprocessore al fine di minimizzare
l’energia dissipata nelle applicazioni portatili.
In questa panoramica è evidente che i sistemi di alimentazione
per microprocessori, usualmente denominati Voltage Regulator Modules (VRM), hanno delle specifiche senza precedenti, il cui
soddisfacimento ha richiesto un notevole sforzo tecnico e scientifico, partendo
dallo sviluppo di topologie e di tecniche di controllo adatte all’applicazione
arrivando fino a studi per l’integrazioni di parti magnetiche ed all’ottimizazione del layout e del packaging.
Molti aspetti che riguardano le topologie, le tecniche di controllo analogiche,
le ottimizzazioni del layout sono stati affrontati
principalmente negli ultimi due-tre anni in numerose
pubblicazioni ed alcuni esempi sono riportati in [2-23]
. La ricerca, invece, nella realizzazione di soluzioni di controllori digitali
sembra ancora un campo poco esplorato, ma allo stesso tempo estremamente
interessante e stimolante sia da un punto di vista scientifico che industriale.
I vantaggi che una realizzazione di controllo digitale per VRM potenzialmente fornisce rispetto alle attuali soluzioni
analogiche sono molteplici. In primo luogo, il
controllo digitale permette una maggiore immunità alle variazioni parametriche
ed al rumore, la possibilità di incorporare nello stesso sistema funzioni di interfacciamento con altre
strutture digitali e funzioni di autotaratura e di
diagnostica del sistema stesso. A questo si aggiunge ovviamente la possibilità
di utilizzare particolari algoritmi di controllo, i cui parametri possono
essere riprogrammati via software, con sofisticate gestioni per limitare le escursioni di
transitori e/o in generale la possibilità di utilizzare tecniche non-lineari di
controllo. Infine, nei sistemi di alimentazione per
microprocessori, la realizzazione di controlli digitali permette la generazione
di impulsi di comando molto precisi e potrebbe consentire l’ottenimento di una
uguale suddivisone delle correnti nei convertitori in parallelo senza dover
utilizzare un controllo di corrente per ciascun convertitore.
Da un punto di vista della realizzazione del
circuito integrato, la soluzione digitale comporta notevoli vantaggi sia da un
punto di vista del progetto, sia da un punto di vista della potenza dissipata
dal circuito di controllo stesso. Da un punto di vista del progetto, la
realizzazione di strutture digitali, anche se complesse, può essere svolta in
tempi (e quindi costi) estremamente ridotti grazie
alla maggiore conoscenza di progettazione digitale e soprattutto grazie alla
presenza di CAD automatici di sviluppo (quale ad esempio Cadence)
che a partire da descrizione del controllo con linguaggio ad alto livello
(quale ad esempio il VHDL) permette una notevole
assistenza alla sintesi del layout del circuito. Inoltre, le strutture
digitali, contrariamente a quelle analogiche, sono direttamente scalabili in presenza di miglioramenti tecnologici dei livelli di
integrazione e quindi facilmente aggiornabili per i futuri livelli di
integrazione. Da un punto di vista del consumo, un controllore digitale,
dissipando meno di una soluzione analogica, sarebbe una alternativa
estremamente interessante per le applicazioni portatili, soprattutto se si
tiene conto che attualmente la potenza dissipata dal circuito di controllo è
una parte non trascurabile della potenza totale del sistema di alimentazione
specialmente durante il funzionamento “sleep-mode”.
In conclusione, la letteratura attualmente
esistente sulla regolazione digitale di convertitori cc/cc in generale mostra come vi siano una serie di
interessantissime problematiche da risolvere, soprattutto nel caso di
alimentazione dei microprocessori delle future generazioni. Tali problematiche
riguardano sia la realizzazione di tecniche non convenzionali di controllo
(quali ad esempio quelle predittive, quelle ad isteresi digitale, quelle basate
su stima della corrente di carico, etcc..), sia la possibilità di sviluppare tecniche di tipo voltage-mode con opportune non-linearità per il
miglioramento della risposta dinamica. Le prestazioni ottenibili in presenza di un basso numero di bit del campionatore e del modulatore a PWM,
oltre che all’utilizzo di una aritmetica semplice e con basso numero di bit
sono altri aspetti interessanti da investigare. Inoltre, pensando ad una
realizzazione integrata è possibile svolgere una serie di operazioni
non sequenziali, contrariamente alla normale programmazione di controlli real-time per microcontrollori e DSP, aprendo la porta a particolari gestioni per i
transitori e/o per protezioni e diagnostica. A tutte queste fondamentali
problematiche di sistema, si associano una serie di problematiche relative all’integrazione diretta nel silicio, sia per la
valutazione della struttura di controllo più adeguata, sia per lo studio delle
periferiche del controllo stesso.
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