INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore del PC - 
Il futuro

 

Cosa riserva il futuro

Uno dei possibili  miglioramenti che si possono ancora introdurre è il raddrizzamento sincrono (synchronous rectifier).  Lo schema seguente ne da una idea :

D3 e D4 costituiscono il sistema classico fino ad oggi utilizzato. Si tratta di diodi ultra fast o Schottky, con una bassissima caduta di tensione, ma che difficilmente scende sotto gli 0,5V. 

Il problema si pone nel momento in cui le correnti diventano molto intense ed è necessario contenere la perdita in calore : a 20A, vuol dire 10W persi per effetto Joule.

L' idea è quella di sostituire D3 e D4 con due MOSFET, Q3 e Q4, che normalmente sono in stato di off e vengono posti in conduzione solo al momento opportuno da un apposito controller (Sync nello schema).

Quali sono i vantaggi ?
A fronte di una certa complicazione circuitale, si ottiene una immediata riduzione delle perdite in calore in quanto la resistenza diretta dei MOSFET può essere abbassata a millesimi di ohm (10 milliohm o meno), creando una caduta di tensione molto minore di quella possibile con i diodi : con 10 milliohm a 20A la perdita per effetto Joule è solo 4W.

La caduta di tensione sul diodo dipende dalla costruzione della giunzione e, per una certa tecnologia costruttiva, è un dato fisso, indipendente dalla corrente che lo attraversa; quindi, la potenza persa sul diodo per puro effetto Joule è pari al prodotto della caduta di tensione per la corrente e, essendo costante la prima, è direttamente proporzionale alla seconda. Anche ponendo più diodi in parallelo, la potenza complessivamente persa è praticamente uguale (mentre si riduce la resistenza termica tra la giunzione ed il sistema di dissipazione del calore).
Al momento la tecnologia Schottky è quella con cui si possono realizzare diodi di potenza con la minore caduta di tensione, mediamente di 0,6V; sfortunatamente è anche una delle più costose e, comunque, è ben difficile scendere al di sotto degli 0,5 volt. Tra l' altro, va notato che la caduta di tensione del diodo Schottky è dipendente dalla temperatura della giunzione, ovvero si riduce con l' aumentare di questa, con una differenza del 30% o più, il che porta al paradosso che se il diodo lavora "freddo" avrà una perdita di potenza maggiore che se lavora "caldo".
Invece la caduta di tensione sul MOSFET dipende dalla sua resistenza Drain-Source, parametro che è legato alla sua tecnologia costruttiva e che può scendere a valori di pochi milli ohm, il che corrisponde ad una minore potenza persa nel prodotto R * I^2. Inoltre, trattandosi in un parallelo di questi semiconduttori, trattandosi di resistenze e non di cadute di tensione fisse, diminuisce la potenza persa in funzione quadratica. 

In dipendenza dalla minore perdita di potenza, il calore perso sulla giunzione si riduce e quindi necessita minore superficie di raffreddamento; il calore da asportare con la ventilazione forzata è minore e quindi si possono usare ventole con portata e rumore inferiori. Alcuni studi valutano la differenza di temperatura tra diodi standard e rettificazione sincrona in almeno 10 gradi.

Tutto questo considera solamente la potenza persa per effetto Joule in modo "statico", ma sono in gioco altri fattori. In sostanza, quando i diodi passano dallo stato di conduzione a quello di blocco e viceversa, queste commutazioni non sono istantanee, ma, anche se brevissime, comportano una perdita di energia che si trasforma in calore. Se in un normale sistema di raddrizzamento della tensione di rete (50 hertz) il problema è trascurabile, l' elevata frequenza di funzionamento dei sistemi switch mode esalta questo problema.  Per i  diodi, i tempi di commutazione e la relativa potenza persa sono fissi e dipendono dalla realizzazione del diodo stesso; nei sistemi a raddrizzamento sincrono, invece, i MOSFET facenti funzione di diodi sono portati a condurre e a bloccarsi con un comando esterno che deve essere dato al momento opportuno : questa possibilità, unita alle caratteristiche di commutazione dei MOSFET stessi porta ad avere minori perdite durante queste transizioni conduzione - blocco e vicevrsa, il che riduce ulteriormente la potenza persa in calore. 

Come abbiamo visto, la zona di maggior perdita di calore è quella dei raddrizzatori finali, interessati dalle forti correnti richieste sulle basse tensioni; una riduzione della potenza persa in questa sezione, da varie decine di watt a pochi watt sarebbe un bel passo avanti. 

Ancora, va considerato che la riduzione della potenza persa sui raddrizzatori si riflette sulla minore necessità di potenza che lo switch primario deve trattare e quindi di una riduzione del calore pure in questa sezione, oltre che di un aumento complessivo del rendimento del sistema.

Per contro, il circuito di un raddrizzatore sincrono è più complesso e richiede che Q3 e Q4 siano accesi e spenti esattamente al momento giusto, altrimenti non solo i benefici sfumano, ma si possono creare situazioni di guasto. Questa criticità è stata fino ad ora uno dei elementi (subito dopo il costo) che ha limitato fino ad ora l' applicazione di questa tecnologia solamente ai prodotti di fascia più elevata (militare, aerospaziale, industriale).
Come base, il segnale di innesco dei MOSFET è ottenuto da avvolgimenti ausiliari, trasformatori o simili artifici, che semplificano gli schemi, ma mantengono una certa criticità e non molto adattabili alla produzione di massa richiesta dal mercato PC, dove il costo è il fattore primario. 

Da qualche tempo, però, i costruttori di semiconduttori (ad es. International Rectifier) hanno reso disponibili nuove specifiche famiglie di circuiti integrati che risolvono il problema dell' innesco dei MOSFET - raddrizzatori sincroni, riducendo drasticamente le criticità.

Certamente, come viene osservato da più parti, questa applicazione dei rettificatori sincroni non è la panacea di tutti i mali, ma potrebbe essere un altro passo avanti verso la realizzazioni di prodotti più efficienti e meno caldi; è solo un altro punto che i progettisti possono considerare. Infatti le "fonderie" di silicio sfornano in continuazione nuovi prodotti :  sono disponibili  MOSFET con resistenza sempre più bassa e frequenze di lavoro sempre maggiori, in package più piccoli o in array che ne contengono più di uno, aumentando il wattaggio per centimetro cubo e riducendo le perdite; nuovi integrati per il controllo del PWM e del PFC, ecc, mentre i costi per quantità sono in discesa.

Va notato, poi, che una aumentata sensibilità dell' utente al rumore prodotto dal PC, che, con l'aumentare della potenza richiesta, è pure aumentato in modo tale da cominciare a creare problemi. Un certa presenza sul mercato degli alimentatori Zero-Noise, che, forzatamente, devo avere la minima potenza persa in calore, sta spingendo nella direzione dei sistemi a basso rumore. E basso rumore vuol solo dire che ventole potenti e rumorose non sono più necessarie, proprio per la ridotta quantità di calore da smaltire.

Ci si può certamente attendere per il futuro generazioni di alimentatori con migliore rendimento, minore calore e minore rumore.

 


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Aggiornato il 16/01/08 .