Elettronica per l'informatica 29/10/03

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1 Contenuto dell unità D 1 Conversione dell energia metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck e boost accumulatori e caricabatterie Pilotaggio di carichi tecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi Gestione della potenza Sistemi low-power, ottimizzazione potenza/prestazioni 2 Lezione D2 Riferimenti nel testo 3 4 Indice della lezione D2 Diodi P-I-N Schottky Transistori Bipolari MosFet 5 6 Lezione D2 - MC

2 Diodi - Caratteristiche Statiche V br - Tensione di Breakdown V on Caduta fase ON R on Impedenza fase ON I max Corrente massima I leak Corrente di pol. inversa OFF V br BRK V on R on ON 7 Diodi - Caratteristiche Statiche Tecnologie a confronto: P - Schottky iodi P sono progettati per sostenere tensioni inverse molto elevate (kv), lo strato intrinseco necessario ha un comportamento debolmente resistivo in fase ON ed una tensione di soglia intorno al volt, si hanno quindi perdite per conduzione OFF V br BRK ON R on V on 8 Diodi - Caratteristiche Statiche Tecnologie a confronto: P - Schottky iodi Schottky hanno una tensione di soglia Von più bassa (giunzione metallo- Si), ma sopportano tensioni inverse più modeste (<100V), inoltre hanno una corrente di perdita (inversa) relativamente alta ed estremamente sensibile alla temperatura OFF V br BRK ON R on V on 9 Diodi - Caratteristiche Dinamiche In fase di spegnimento i diodi non si interdicono istantaneamente, ma conducono corrente al contrario per un breve istante (carica iniettata nella giunzione), questo fenomeno causa una perdita energetica rilevante Q rr Carica Inversa Iniettata T rr Tempo di recupero inverso I rr Picco di corrente inversa massima I rr t rr 25% I rr Q rr 10 t Diodi - Caratteristiche Dinamiche Tecnologia P Diodi - Caratteristiche Dinamiche Tecnologie a confronto: Schottky Durante la conduzione diretta lo strato intrinseco dei diodi P è una zona di spazio densa di cariche mobili: quando la tensione si inverte questa zona deve svuotarsi, per trasporto o per ricombinazione, affinchè il diodo possa spegnersi I rr t rr 25% I t rr Q rr iodi Schottky non hanno lo strato intrinseco, ed il semiconduttore sfrutta i portatori iniettati nello strato n dal metallo (solo elettroni) quindi sono molto veloci e presentano valori di Q rr e t rr estremamente bassi (dai 10 ai 40 ns). I rr t rr 25% I t rr Q rr Il t rr per i diodi P in genere va dai 40 ai 100 ns (per un diodo ordinario si parla di µs) Lezione D2 - MC

3 BJT La capacità di polarizzazione inversa è elevata, dovuta alla sottile (ad alto drogaggio) regione n svuotata all interfaccia metallo-si rispetto ai diodi P. t rr 25% I t rr I transistori bipolari di potenza sono a tecnologia verticale (rispetto al chip il flusso di corrente è verticale), questo permette di aumentare la densità di corrente trasportata a parità di area occupata dal dispositivo I rr Q rr 13 Parametri fondamentali: Vce br - Tensione di Breakdown giunzione C-E Vce sat Caduta C-E con transistore saturo β Guadagno di corrente Ic max Corrente massima 14 BJT I BJT sono dispositivi che sfruttano i Portatori minoritari per la conduzione, quindi in generale hanno una dinamica relativamente lenta e conducono meglio all aumentare della temperatura Il problema di questi dispositivi è che la corrente di base che serve per pilotare il dispositivo può essere rilevante e questo è un inconveniente, e.g.: volendo erogare una corrente di 8 A può essere sgradevole dover fornire 1 A solo per pilotare il BJT (la concentrazione dei portatori minoritari aumenta) BJT Per aumentare la Vce br la regione di base viene drogata poco ed allungata, così diminuisce il campo elettrico imposto a parità di tensione sostenuta, ed aumenta la rigidità dielettrica. Purtroppo attraversando una regione di base lunga aumenta la probabilità di ricombinazione dei portatori (minoritari in base), e quindi scende il β del transistore. In breve, maggiore è la Vce br, minore sarà il β Lezione D2 - MC

4 MosFet I g MosFet Il transistori MosFet di potenza sono V a tecnologia verticale come i bipolari gs Anche se i processi sono differenti, la densità di corrente resta infatti un parametro critico Parametri fondamentali: Vds br - Tensione di Breakdown D-S Rds on Resistenza in fase ON Vgs th Tensione di soglia Q g Carica totale iniettata nel Gate (specificata per una V gs nota) Id max Corrente massima Drain 19 s I MosFet di potenza sono dispositivi che sfruttano i portatori maggioritari per la conduzione, quindi in generale hanno una dinamica molto veloce e presentano una resistenza crescente con la temperatura (gli urti con i fononi del reticolo cristallino sono preponderanti). I g V gs 20 s Il vantaggi di questi dispositivi sono l elevata velocità di commutazione e la relativa semplicità di pilotaggio. Il gate si comporta in prima approssimazione come un condensatore, quindi una volta carico non assorbe corrente anche se il MosFet è in conduzione. I g V gs s Indice della lezione D2 per applicazioni di potenza Nelle applicazioni di potenza i filtri non sono semplicemente degli oggetti che eseguono un operazione su un segnale restituendone un altro, infatti interagiscono con il circuito di cui fanno parte, modificandone in modo anche sostanziale il funzionamento, e scambiano con esso energia Lezione D2 - MC

5 Esistono molti tipi di filtri attivi e passivi, ma possiamo definire come tali tutti quei circuiti in grado di discriminare alcune componenti di un segnale in base a caratteristiche date, e di trattarne di conseguenza l energia associata per applicazioni di potenza Gli alimentatori contengono sempre un fitro di ingresso, che permette di isolare i radiodisturbi provenienti dalla rete, ma anche di non irradiare quelli generati dall apparato stesso Esistono in materia precise norme da rispettare per tutte le apparecchiature collegate alla rete elettrica (norme EMC - compatibilità elettromagnetica) Questo genere di filtro è di tipo L-C, quindi presenta minime perdite di energia, e normalmente include anche un filtro non lineare per la protezione da sovratensioni (e.g. uno scaricatore a gas o un varistore), esempio: raddrizzatore a singola semionda filtrato: Esistono anche altri tipi di filtri, che non agiscono sulla RF, ma modificano il comportamento del circuito, un esempio già visto è il condensatore per filtrare l uscita di un raddrizzatore, in linea di principio anche questo è un filtro 27 I in 28 Raddrizzatore a singola semionda filtrato: I in I in V pk V max τ = 29 I in Raddrizzatore a doppia semionda filtrato: I in t La frequenza del disturbo raddoppia, e l ondulazione diminuisce 30 Lezione D2 - MC

6 Raddrizzatore con trasformatore N 1 N 2 Modificando il rapporto di trasformazione è possibile ottenere la tensione media voluta sull uscita. La tensione contiene anche delle componenti di ondulazione alla frequenza di Le commutazioni dei diodi danno luogo a radiodisturbi (dovuti soprattutto al recupero inverso), che non devono propagarsi fino all ingresso, è quindi necessario un filtro Indice della lezione D2 di tensione lineari I regolatori si comportano come una resistenza variabile in serie alla sorgente di energia Al loro interno possiedono un sistema di controllo in grado di variare questa resistenza equivalente per mantenere costante la tensione di uscita al variare delle condizioni di carico rop N 1 N 2 REG I leak di tensione lineari I regolatori si comportano come una resistenza variabile in serie alla sorgente di energia Integrano un sistema di controllo in grado di variare questa resistenza equivalente per mantenere costante la tensione di uscita al variare delle condizioni di carico di tensione lineari Parametri fondamentali Dropout Minimo rop V - Low Drop Out Minimo rop V - Standard Drop Out Corrente di perdita rop rop rop REG N 1 N 2 I leak Lezione D2 - MC

7 di tensione lineari rop di tensione lineari standard N 1 N 2 I leak L efficienza di conversione di questi regolatori dipende direttamente dal salto di tensione su cui operano (la rop ) P η = OUT P = VOUT ( I I LEAK ) ( V V ) I OUT DROP Se si trascura la corrente I LEAK, si può notare che maggiore è il salto di tensione, peggiore è il rendimento rop t 37 V η V OUT Nel caso dei regolatori standard la corrente di perdita è generalmente bassa 38 di tensione lineari LDO L efficienza di conversione di questi regolatori è generalmente più alta perché la rop può essere limitata. Vale sempre l espressione P η = OUT P = VOUT ( I I LEAK ) ( VOUT VDROP ) I La topologia LDO è affetta da una I LEAK maggiore, ma è in grado di regolare la tensione di uscita con una minore V DROP a disposizione, per questo è utile nelle applicazioni di bassa potenza alimentate a batteria Indice della lezione D2 41 In elettronica spesso sono necessari dei circuiti in grado di fornire una tensione molto precisa al variare di alcuni parametri ambientali, come la temperatura o la tensione di alimentazione Questo genere di circuiti trova ovviamente largo impiego nei regolatori di tensione, di cui rappresentano l intelligenza e nei circuiti di conversione A/D e D/A, in cui è necesario confrontare o generare delle tensioni con un certo valore assoluto 42 Lezione D2 - MC

8 Questi circuiti sono basati sulla polarizzazione in valanga di diodi zener: il diodo è in conduzione inversa per effetto tunnel, e questa scarica avviene ad una tensione precisa, poco sensibile alla temperatura ed alle variazioni di corrente di polarizzazione Si ottiene in questo modo un riferimento in grado di pilotare un amplificatore: usare direttamente lo zener è infatti estremamente inefficiente c R pol V z 43 La presenza dell amplificatore permette di assorbire la potenza direttamente dalla sorgente, senza passare per il circuito di polarizzazione dello zener, che quindi lavorerà in condizioni costanti al variare del carico In questo caso l amplificatore è impiegato per ottenere una tensione costante di uscita al variare della sua tensione di alimentazione: solitamente avviene il contrario c R pol V z 44 Verifica lezione D2 Nelle applicazioni commerciali il circuito di riferimento è modificato per ottenere una migliore compensazione in temperatura Questo genere di riferimenti compensati è detto di tipo band-gap, ed è particolarmente adatto all uso nei regolatori integrati monolitici, dove la temperatura può variare anche notevolmente in quanto i dispositivi di potenza sono sullo stesso chip di quelli di controllo Quali sono le caratteristiche più significative dei dispositivi di potenza analizzati? Cosa si intende per alimentatori lineari? A cosa servono i filtri negli alimentatori? Cosa sono i regolatori LDO? R pol c BAND-GAP V z Prossima lezione (D3) Alimentatori a commutazione Tecniche PWM Schemi circuitali di principio Switching: buck e boost Accumulatori Caricabatterie 47 Lezione D2 - MC