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Regolatori Switching

Regolatori Switching. INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011. Regolatori Lineari. I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona lineare

byron-vaughan
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Presentation Transcript

  1. Regolatori Switching INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011

  2. Regolatori Lineari • I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC • I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona lineare • Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un reference di tensione • Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso

  3. Regolatori Lineari • La potenza dissipata sul dispositivo è grande • I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio (alette,ventole) • Il trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo ingombrante

  4. Regolatori Switching • I regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra l’interdizione e la saturazione • Un elemento reattivo (un induttore) immagazzina l’energia che viene poi ceduta al carico • Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabili • Una rete di controreazione confronta l’uscita con un reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso

  5. Regolatori Switching • E’ possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione di ingresso • I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all’ 85%) • I sistemi di raffreddamento sono meno ingombranti • Le commutazioni introducono rumore sull’uscita • Il trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le dimensioni del nucleo sono ridotte

  6. Regolatore switching step-down Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttanza. La relazione V : L = ΔI : Δt mette in relazione le grandezze sull’induttanza. La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare. Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare di corrente.

  7. Regolatore switching step-down • La variabile di controllo è allora il tempo di carica dell’induttanza • Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza dell’impulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene modulato il tempo di carica dell’induttore.

  8. Regolatore switching step-down • Vogliamo convertire una tensione da 10V a 5V, per alimentare un carico di 500mA • Il circuito di controllo è al momento sostituito da un generatore di onda quadra 50kHz, con duty cycle fisso. • Il circuito per la simulazione è il seguente:

  9. Regolatore switching step-down • Stato : INTERRUTTORE CHIUSO La tensione di ingresso è riportata sull’induttanza. La corrente cresce e viene immagazzinata energia.

  10. Regolatore switching step-down • Stato: INTERRUTTORE APERTO Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere. L’induttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/L

  11. Regolatore switching step-down • Corrente nell’induttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e 60%)

  12. Regolatore switching step-down • La tensione di uscita dipende dal duty-cycle: Vout = δ * Vin • La controreazione viene dimensionata per avere la tensione di uscita voluta • Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del circuito (diodo, resistenza serie dell’induttanza, resistenza Ron del transistor)

  13. Regolatore switching step-down • Lo step successivo è passare dal modello dell’architettura al circuito definitivo • Occorre scegliere l’interruttore; un MOSFET ha alcuni vantaggi sui BJT: -ridotto consumo di accensione -velocità di commutazione Scegliamo un IRF9630, capace di (vedere datasheet) -sopportare una Vds di 200V -sopportare una Id di 6.5 A • Inseriamo anche la perdita sull’induttanza, stimata in 1Ω

  14. Regolatore switching step-down

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