Regolatori Switching
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Regolatori Regolatori SwitchingSwitching
INFNINFN
Laboratori Nazionali di FrascatiLaboratori Nazionali di Frascati
20/06/201120/06/2011
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Regolatori LineariRegolatori Lineari• I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DCI regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC• I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore,
(BJT,MOSFET) in zona (BJT,MOSFET) in zona linearelineare• Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita,
con un reference di tensione con un reference di tensione • Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per
adeguarsi alle variazioni di carico e di ingressoadeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso
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Regolatori LineariRegolatori Lineari
• La potenza dissipata sul dispositivo è grandeLa potenza dissipata sul dispositivo è grande• I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio
(alette,ventole)(alette,ventole)• Il trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo Il trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo
ingombranteingombrante
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Regolatori SwitchingRegolatori Switching• I regolatori switching impiegano un elemento attivo, I regolatori switching impiegano un elemento attivo,
funzionante tra l’funzionante tra l’interdizioneinterdizione e la e la saturazionesaturazione• Un elemento reattivo (un Un elemento reattivo (un induttoreinduttore) immagazzina l’energia ) immagazzina l’energia
che viene poi ceduta al caricoche viene poi ceduta al carico• Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a
valori accettabilivalori accettabili• Una rete di controreazione confronta l’uscita con un Una rete di controreazione confronta l’uscita con un
reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingressonell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso
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Regolatori SwitchingRegolatori Switching
• E’ possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione E’ possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione di ingressodi ingresso
• I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all’ 85%)I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all’ 85%)• I sistemi di raffreddamento sono meno ingombrantiI sistemi di raffreddamento sono meno ingombranti• Le commutazioni introducono rumore sull’uscitaLe commutazioni introducono rumore sull’uscita• Il trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le Il trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le
dimensioni del nucleo sono ridottedimensioni del nucleo sono ridotte
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttanza. La Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttanza. La relazione relazione
V : L = V : L = ΔΔI : I : ΔΔtt
mette in relazione le grandezze sull’induttanza.mette in relazione le grandezze sull’induttanza.
La proporzionalità tra tensione e La proporzionalità tra tensione e variazionevariazione di corrente è di corrente è linearelineare.
Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare di corrente. lineare di corrente.
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
• La variabile di controllo è allora il tempo di carica La variabile di controllo è allora il tempo di carica dell’induttanzadell’induttanza
• Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza dell’impulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene dell’impulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene modulato il tempo di carica dell’induttore.modulato il tempo di carica dell’induttore.
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
• Vogliamo convertire una tensione da 10V a 5V, per Vogliamo convertire una tensione da 10V a 5V, per alimentare un carico di 500mAalimentare un carico di 500mA
• Il circuito di controllo è al momento sostituito da un Il circuito di controllo è al momento sostituito da un generatore di onda quadra 50kHz, con duty cycle fisso.generatore di onda quadra 50kHz, con duty cycle fisso.
• Il circuito per la simulazione è il seguente:Il circuito per la simulazione è il seguente:
V1
TD = 1n
TF = 10nPW = 1PER = 1
V1 = 0
TR = 10n
V2 = 10
V2
TD = 10n
TF = 10nPW = 10uPER = 20u
V1 = 0
TR = 10n
V2 = 1
+ -
+ - S1SVON = 1.0VVOFF = 0.0V
L1
100u
D1D1N4148
C110u
I1500m
VoutVinVc
ontro
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down•Stato : INTERRUTTORE CHIUSOStato : INTERRUTTORE CHIUSO
La tensione di ingresso è riportata sull’induttanza. La corrente La tensione di ingresso è riportata sull’induttanza. La corrente cresce e viene immagazzinata energia. cresce e viene immagazzinata energia.
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
•Stato: INTERRUTTORE APERTOStato: INTERRUTTORE APERTO
Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere. Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere. L’induttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/LL’induttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/L
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
• Corrente nell’induttanza e segnale di controllo (duty cycle del Corrente nell’induttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e 60%)50% e 60%)
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
• La tensione di uscita dipende dal duty-cycle:La tensione di uscita dipende dal duty-cycle:
Vout = Vout = δδ * Vin * Vin
• La controreazione viene dimensionata per avere la tensione La controreazione viene dimensionata per avere la tensione di uscita volutadi uscita voluta
• Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del circuito (diodo, resistenza serie dell’induttanza, resistenza circuito (diodo, resistenza serie dell’induttanza, resistenza Ron del transistor)Ron del transistor)
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
• Lo step successivo è passare dal modello dell’architettura al Lo step successivo è passare dal modello dell’architettura al circuito definitivocircuito definitivo
• Occorre scegliere l’interruttore; un MOSFET ha alcuni Occorre scegliere l’interruttore; un MOSFET ha alcuni vantaggi sui BJT:vantaggi sui BJT:
-ridotto consumo di accensione-ridotto consumo di accensione
-velocità di commutazione -velocità di commutazione
Scegliamo un IRF9630, capace di (vedere datasheet)Scegliamo un IRF9630, capace di (vedere datasheet)
-sopportare una Vds di 200V-sopportare una Vds di 200V
-sopportare una Id di 6.5 A-sopportare una Id di 6.5 A• Inseriamo anche la perdita sull’induttanza, stimata in 1Inseriamo anche la perdita sull’induttanza, stimata in 1ΩΩ
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Regolatore switching step-downRegolatore switching step-down
V1
TD = 1n
TF = 10nPW = 1PER = 1
V1 = 0
TR = 10n
V2 = 10
V2
TD = 10n
TF = 10nPW = 10uPER = 20u
V1 = 0
TR = 10n
V2 = 10
L1
100u
D1D1N4148
C110u
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Vout
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Vin
Vcon
trol
M2IRF9630
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