regolatori switching

G.

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adi, C

. Paglia

C

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o d

i Sim

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zione E

lett

ronic

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Regolatori Regolatori SwitchingSwitching

INFNINFN

Laboratori Nazionali di FrascatiLaboratori Nazionali di Frascati

20/06/201120/06/2011

G.

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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

G.

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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

G.

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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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• 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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• 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

l

0

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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.

G.

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•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

G.

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• 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%)

G.

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• 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)

G.

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• 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

G.

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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

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100u

D1D1N4148

C110u

I1500m

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0

Vin

Vcon

trol

M2IRF9630

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R210R

regolatori switching

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