Sebbene le ottimizzazioni finali di qualsiasi progetto elettronico possano variare, la miniaturizzazione e l’efficienza energetica rappresentano di solito una priorità assoluta. In qualità di produttore, onsemi è costantemente impegnata a individuare le modalità più adatte per ridurre dimensioni e consumi di componenti e assemblaggi. Una maggiore integrazione contribuisce a diminuire il peso e il volume degli assemblaggi, dando nel contempo l’opportunità di includere un maggior numero di funzionalità in uno spazio predefinito. La riduzione del consumo di potenza permette di incrementare la fattibilità dei dispositivi portatili e di soddisfare la richiesta di una maggiore sostenibilità dei dispositivi elettronici.

Per quanto concerne l’elettronica embedded, una strategia utile per raggiungere questi obiettivi prevede la riduzione della tensione di funzionamento. Ciò consente da un lato di migliorare l’efficienza del dispositivo e dall’altro di favorire un’ulteriore miniaturizzazione. Tuttavia, l’utilizzo da parte di alcuni componenti di tensioni di funzionamento più basse ha contribuito ad ampliare la gamma dei livelli di tensione all’interno dei circuiti elettronici, creando problemi a livello di interfacciamento.

In questo articolo verrà analizzata l’importanza del ruolo, nei moderni sistemi elettronici, dei traslatori di livello logico (conosciuti anche come convertitori di tensioni o di livello), come i dispositivi proposti da onsemi, per garantire l’interoperabilità e consentire di superare i numerosi ostacoli tipici dei sistemi che prevedono la presenza di dispositivi che operano con differenti tensioni di lavoro.

Traslatori di livello: un ruolo sempre più importante

La crescente richiesta di traslatori di livello logico è dovuta al fatto che i circuiti integrati (IC) operano utilizzando livelli di tensione sempre più bassi. Nell’elettronica digitale, tensioni di funzionamento inferiori contribuiscono a ridurre in maniera significativa la dissipazione di potenza dinamica, in quanto la potenza dissipata è proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione secondo la formula:

P = CV²f

Dove: P è la potenza, C è la capacità, V è la tensione e f è la frequenza.

Questo aumento di prestazioni ha favorito lo sviluppo di tecnologie di processo sempre più piccole, in grado di operare a tensioni inferiori. Negli ultimi decenni, i nodi di processo dei circuiti integrati sono passati da 40 nm a 10 e 7 nm, che utilizzano tensioni di funzionamento e di I/O inferiori. Questa riduzione della tensione contribuisce alla diminuzione dei consumi di potenza, in quanto è necessaria una quantità minore di energia per commutare un transistor dal livello logico basso (0 V) a quello alto (1,2 o 1,8 V), quindi da 0 a 5 V.

Inoltre, la diminuzione della tensione operativa può contribuire a migliorare l’integrazione all’interno di un semiconduttore, in quanto una tensione di lavoro minore consente l’utilizzo di transistor più piccoli. Ciò permette di ridurre le dimensioni del die, oppure di integrare un maggior numero di transistor, aumentando così le prestazioni. Poiché i componenti con una tensione di lavoro inferiore generano anche meno calore, è possibile utilizzare dissipatori più piccoli ed eseguire un posizionamento in prossimità ad altri componenti elettronici che generano calore, a tutto vantaggio dell’integrazione a livello di sistema.

Intervalli di tensioni operative sempre più estesi

Il percorso che porta all’utilizzo di tensioni sempre più basse non è privo di ostacoli che è necessario superare. Storicamente, il valore di 5 V ha rappresentato lo standard per le prime famiglie logiche in tecnologia CMOS e TTL (Transistor-Transistor Logic), semplificando l’interfacciamento dei dispositivi nell’elettronica embedded. Tuttavia, gli odierni circuiti elettronici sono assai diversificati e prevedono un’ampia gamma di tensioni di funzionamento, con numerosi dispositivi periferici digitali, sia nuovi sia tradizionali, che operano ancora con una tensione di 5 V.

Allo stesso modo, numerosi prodotti analogici richiedono tensioni di funzionamento più elevate per poter soddisfare vari requisiti, quali gestione della potenza, integrità del segnale e possibilità di disporre di margini di tensione più ampi. Nel caso di dispositivi a segnali misti come i convertitori DAC (Digital-to-Analog Converter), l’utilizzo di una tensione di funzionamento maggiore risulta vantaggioso in quanto permette di aumentare il valore di fondo scala di uscita, con conseguente miglioramento del range dinamico e del rapporto tra segnale e rumore (SNR): ciò contribuisce a semplificare la riproduzione accurata del segnale analogico.

Nel caso di circuiti elettronici più complessi, come quelli utilizzati nell’automazione industriale, nell’implementazione di soluzioni di elaborazione potenziate dall’intelligenza artificiale (AI) e nella realizzazione di funzionalità in ambito automotive come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), i traslatori che aumentano o riducono i livelli del segnale tra i vari componenti sono assolutamente indispensabili. La loro integrazione assicura una comunicazione continua e la massima flessibilità nella scelta dei componenti, consentendo ai progettisti di ottimizzare ciascuna funzione grazie alla possibilità di scegliere il prodotto più efficiente ed economico.

Superare i limiti dei tradizionali traslatori di livello

Per espletare un compito critico come la traslazione di livello tra dispositivi elettronici embedded si è fatto ricorso a circuiti discreti formati da transistor a giunzione bipolari (BJT) o transistor a effetto campo (FET), oppure a circuiti integrati CMOS. Soluzioni di questo tipo, tuttavia, non sono in grado di superare parecchi ostacoli di natura tecnica che sono comuni nei moderni circuiti elettronici.

Tensioni minori, maggiore sensibilità

La diminuzione della tensione di lavoro ha un impatto negativo sul rapporto tra segnale e rumore, che si traduce in una minore tolleranza per quanto riguarda l’ampiezza della tensione di rumore. L’ampiezza del gradino di tensione tra due dispositivi contribuisce ad aumentare la complessità, specialmente nei casi in cui è necessario passare da bassi valori di tensione (1,2 V o inferiori) a valori di 5 V, a causa dell’aumento del rischio di deterioramento del segnale provocato dall’amplificazione del rumore.

Aumento della velocità di trasmissione dati e ambienti con tensioni miste

In applicazioni molto complesse, come i data center e i veicoli, l’accuratezza della traslazione dei livelli logici deve essere adattata alla velocità di trasmissione dati. Nel caso dei veicoli autonomi, ad esempio, dove la traslazione dei livelli logici avviene tra dispositivi a bassa tensione come i sensori usati per la percezione e l’elettronica di controllo, qualsiasi ritardo o perdita di informazioni può pregiudicare la sicurezza del veicolo. In numerosi settori, la continua necessità di ampliare le funzionalità, come l’aggiunta di modelli per l’apprendimento automatico (ML – Machine Learning) e per l’intelligenza artificiale (AI), contribuisce ad accrescere questa esigenza.

I più recenti traslatori di livello devono supportare protocolli ad alta velocità, che consentono una comunicazione bi-direzionale rapida tra diversi livelli di tensione, senza provocare ritardi o compromettere l’integrità del segnale. L’interfaccia SPI, ad esempio, utilizzata in un gran numero di moderni dispositivi embedded, può raggiungere velocità di trasferimento dati fino a 100 Mbps, nettamente superiore rispetto a quella dei protocolli più datati, come I²C, caratterizzato da velocità di picco di alcuni Mbps.

Per garantire la sincronizzazione delle interfacce ad alta velocità come SPI, molti degli attuali traslatori utilizzano un clock di retroazione, anche se una soluzione di questo tipo comporta sia un maggiore utilizzo della CPU e dei GPIO (General Purpose I/O) sia un aumento dei consumi. Nei progetti industriali e automotive più complessi vi è una sempre maggiore esigenza di integrare Gigabit Ethernet per supportare in maniera adeguata sistemi di controllo sempre più veloci e intelligenti. Per raggiungere velocità dell’ordine di 1 Gbps è solitamente richiesta un’interfaccia RMGII, che trasmette simultaneamente 4 bit di dati a 250 Mbps utilizzando un clock a 125 KHz con segnalazione di tipo DDR (Double Data Rate). Tuttavia, per gestire le rapide transizioni dei segnali e adattarsi ai diversi livelli di tensione esistenti tra i livelli MAC e PHY di Ethernet, è indispensabile ricorrere a traslatori di livello logico ad alte prestazioni.

Gestione della potenza ed efficienza termica

Pressati dalla costante richiesta di incrementare il grado di integrazione e ridurre il volume dei loro design, i progettisti devono includere un numero sempre maggiore di funzionalità in spazi via via più ridotti. Di conseguenza, la dissipazione del calore e i consumi di potenza assumono un’importanza crescente.

Spesso, i tradizionali traslatori di livello non sono in grado di soddisfare le esigenze di applicazioni in ambito automotive e industriale particolarmente complesse, dove è richiesto il funzionamento a temperature elevate. Allo stesso modo, i dispositivi che supportano velocità di trasmissioni dati elevate, in particolare nel caso di comunicazioni bi-direzionali, devono garantire un elevato livello di efficienza, in quanto le perdite di energia per ciascuna traslazione tendono a sommarsi rapidamente in ambienti caratterizzati da alte velocità di trasferimento dati. In entrambi i casi, le traslazioni logiche che prevedono elevate escursioni della tensione possono complicare ulteriormente le problematiche correlate alla potenza e all’efficienza termica.

Una nuova piattaforma per i traslatori di livello della prossima generazione

La molteplicità di problematiche tecniche che caratterizza gli odierni circuiti elettronici richiede la disponibilità di traslatori di livello con caratteristiche superiori, in grado di operare negli ambienti più gravosi senza compromettere l’affidabilità del sistema.

I più recenti traslatori di livello di onsemi, come T30LxXT4T245 e T30LxXT4T244, sono tra le prime famiglie di prodotto della società basate sulla piattaforma Treo che sfrutta l’innovativa tecnologia di processo BCD65 (Bipolar-CMOS-DMOS) a 65 nm. Grazie all’integrazione di avanzate funzionalità di rilevamento, potenza, analogiche e digitali in un singolo circuito integrato, la piattaforma Treo si pone l’obiettivo di incrementare l’affidabilità, le prestazioni e il livello di integrazione, proponendosi come un nuovo punto di riferimento per quanto riguarda le piattaforme analogiche e a segnali misti destinate allo sviluppo di soluzioni di potenza e di rilevamento intelligenti.

Traslatori di livello T30LxXT3V245/T30LxXT3V244 di onsemi

Nel caso di applicazioni sensibili al rumore, come quelle che prevedono la presenza di dispositivi operanti con tensioni estremamente basse o di escursioni significative tra le tensioni della logica di ingresso e quella di uscita, il dispositivo T30LxXT3V245 assicura una serie di vantaggi rispetto ai tradizionali traslatori di livello.

Sfruttando i vantaggi di un elemento digitale CMOS di precisione a bassa tensione, questo compatto dispositivo può assicurare una traslazione più accurata e affidabile tra i livelli logici. La tecnologia di base contribuisce a mantenere l’integrità del segnale e a una gestione efficace del rumore, specialmente in presenza di tensioni di valore ridotto e di elevate velocità di trasmissione dati.

In grado di supportare velocità di trasmissione dati fino a 400 Mbps, T30LxXT3V245 permette di gestire senza problemi protocolli ad alta velocità come SPI. Esso garantisce l’integrità del segnale grazie a una conversione accurata dei livelli di tensione a velocità elevate senza ricorrere a un clock in retroazione, riducendo sia la complessità del progetto sia i consumi di potenza (Fig. 1).

Fig. 1 – Il traslatore di livello T30LMxT3V245 di onsemi è in grado di supportare elevate velocità di trasferimento dati senza ricorrere a un clock in retroazione (fonte: onsemi)

Grazie alla capacità di gestire elevate velocità di trasmissione dati, T30LxXT3V245 può essere utilizzato in applicazioni particolarmente complesse, come, ad esempio, i sistemi ADAS per l’automotive e quelli impiegati nel campo dell’automazione industriale, che si basano su un funzionamento rapido e affidabile per poter espletare i loro compiti in maniera autonoma. Questo traslatore di livello è stato espressamente ideato per supportare in maniera efficace reti Gigabit ad alta velocità con ritardi minimi (Fig. 2).

Fig. 2 – I dispositivi T30LxXT3V24x sono stati progettati per supportare le più recenti reti di trasmissione dati (fonte: onsemi)

 Un altro importante vantaggio del processo BCD65 di onsemi, che rappresenta la base tecnologica della piattaforma Treo, è la capacità di assicurare maggiori prestazioni in presenza di tensioni di funzionamento inferiori. Anche se molti dispositivi operanti a 5 V possono supportare tensioni di 1,8 V, il loro funzionamento risulta rallentato in maniera significativa. Allo stesso modo, i componenti a 3,3 V funzionano meglio a 1,8 V e tendono a diventare meno efficienti quanto la tensione si avvicina a 1,2 V. La piattaforma Treo di onsemi risulta nettamente migliore rispetto ad altre soluzioni che supportano una tensione di funzionamento di 3,3 V, in quanto assicura velocità di commutazione decisamente più elevate a 1,8 e 1,2 V. Ciò consente a T30LxXT3V245 di offrire prestazioni migliori, supportando velocità di trasmissione dati più elevate anche a basse tensioni.

La tecnologia BCD a 65 nm su cui si basa Treo permette a T30LxXT3V245 di operare in un ampio intervallo di temperatura, compreso tra -40 e +125 °C, assicurando una maggior durata del sistema in ambienti caratterizzati da temperature elevate e creando le premesse per ridurre il volume del dissipatore. La piattaforma Treo è stata progettata per assicurare una gestione efficiente della potenza e attenuare gli effetti parassiti grazie a un layout innovativo che permette di controllare i componenti resistivi e capacitivi. La sua architettura prevede il ricorso a tecniche di isolamento avanzate che consentono di ridurre le interferenze EMI e aumentare la durata, assicurando un funzionamento preciso e affidabile di T30LxXT3V245.

Negli odierni progetti elettronici, T30LxXT3V245 consente ai componenti di funzionare ai loro livelli di tensione ottimali, con conseguente riduzione della dissipazione di potenza e miglioramento delle prestazioni e della durata complessive del sistema.

Considerazioni conclusive

T30LxXT3V245 è stato progettato per soddisfare le più recenti esigenze della tecnologia di traslazione del livello logico, assicurando alta velocità, robusta gestione del rumore e funzionamento efficiente e affidabile per un’ampia gamma di livelli di tensione.

Esso sfrutta i punti di forza della piattaforma Treo per garantire una traslazione affidabile dei livelli logici per un’ampia gamma di escursioni di tensione e in ambienti particolarmente gravosi dal punto di vista delle temperature. In grado di soddisfare in maniera efficace la richiesta di traslatori di livello efficienti e ad alte prestazioni, la piattaforma Treo di onsemi e il dispositivo T30LxXT3V245 rappresentano una soluzione essenziale per i moderni sistemi elettronici a bassa tensione e ad alta velocità utilizzati in svariati settori, dall’automotive al  consumer, dal medicale all’industriale.

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