metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari

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1 Elettronica per l informatica 1 Contenuto dell unità D Conversione dell energia metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari 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

2 Lezione D2 Alimentatori lineari Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori Riferimenti di tensione Riferimenti nel testo 3 Elettronica per l informatica 4

3 Indice della lezione D2 Alimentatori lineari Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori Riferimenti di tensione 5 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi P-I-N Schottky Transistori Bipolari MosFet 6

4 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Statiche I d V br - Tensione di Breakdown V d V on Caduta fase ON OFF I d ON R on Impedenza fase ON R on V br I max Corrente massima V on V d I leak Corrente di pol. inversa BRK 7 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Statiche Tecnologie a confronto: PIN - Schottky I diodi PIN 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 I d V on R on ON V d 8

5 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Statiche Tecnologie a confronto: PIN - Schottky I diodi 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 I d V on R on ON V d 9 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Dinamiche I d 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 I d V d t rr V d causa una perdita energetica rilevante 25% I rr t Q rr Carica Inversa Iniettata T rr Tempo di recupero inverso I rr Q rr I rr Picco di corrente inversa massima 10

6 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Dinamiche Tecnologia PIN Durante la conduzione diretta lo strato intrinseco dei diodi PIN 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 d V d I rr t rr 25% I rr Q rr t Il t rr per i diodi PIN in genere va dai 40 ai 100 ns (per un diodo ordinario si parla di µs) 11 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza Diodi - Caratteristiche Dinamiche Tecnologie a confronto: Schottky I diodi 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 d V d I rr t rr 25% I rr Q rr t 12

7 Componentisica e tecnologie La capacità di polarizzazione inversa è elevata, dovuta alla sottile (ad alto drogaggio) regione n svuotata all interfaccia metallo-si rispetto ai diodi PIN. I d V d t rr 25% I rr t I rr Q rr 13 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza BJT I c 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 b V be V ce Parametri fondamentali: Vce br - Tensione di Breakdown giunzione C-E Vce sat Caduta C-E con transistore saturo ß Guadagno di corrente Ic max Corrente massima 14

8 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza BJT I c I b 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 (la concentrazione dei portatori minoritari aumenta). V be V ce 15 Componentisica e tecnologie 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 I b V be I c V ce 16

9 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza BJT I c I b 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. V be V ce 17 Componentisica e tecnologie Purtroppo attraversando una regione di base lunga aumenta la probabilità di ricombinazione dei portatori (minoritari in base), e quindi scende il ß del transistore. I b V be I c V ce In breve, maggiore è la Vce br, minore sarà il ß. 18

10 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza MosFet I d I g Il transistori MosFet di potenza sono a tecnologia verticale come i bipolari Anche se i processi sono differenti, la densità di corrente resta infatti un parametro critico V gs V ds 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 Componentisica e tecnologie Semiconduttori per elettronica di potenza MosFet I d 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 V ds 20

11 Componentisica e tecnologie 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 MosFetè in conduzione. I g V gs I d V ds 21 Elettronica per l informatica 22

12 Indice della lezione D2 Alimentatori lineari Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori Riferimenti di tensione 23 Filtri Filtri 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 24

13 Filtri 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 25 Filtri Filtri 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) 26

14 Filtri 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) 27 Filtri Filtri, 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 V in I in C f + I out R load V out 28

15 Filtri Raddrizzatore a singola semionda filtrato: V in I in C f + I out R load V out V in I in V pk V max t = R load C f V out I out 29 Filtri Raddrizzatore a doppia semionda filtrato: V in I in C f + I out R load V out V in I in V out I out t La frequenza del disturbo raddoppia, e l ondulazione diminuisce 30

16 Filtri Raddrizzatore con trasformatore N 1 N 2 + V in C f R load V out Modificando il rapporto di trasformazione è possibile ottenere la tensione media voluta sull uscita. La tensione V out contiene anche delle componenti di ondulazione alla frequenza di V in 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. 31 Elettronica per l informatica 32

17 Indice della lezione D2 Alimentatori lineari Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori Riferimenti di tensione 33 Regolatori Regolatori 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 V drop N 1 N 2 REG + I out Vin C f R load I leak V out 34

18 Regolatori Regolatori 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 V drop V drop REG + + V in V out V in V out R load R load 35 Regolatori Regolatori di tensione lineari Parametri fondamentali Dropout Minimo V drop V - Low Drop Out Minimo V drop V - Standard Drop Out Corrente di perdita V drop N 1 N 2 + R load Vin C f I leak I out V out 36

19 Regolatori Regolatori di tensione lineari V drop N 1 N 2 + R load Vin C f V in I leak I out V out V in V out V drop t 37 Regolatori Regolatori di tensione lineari standard L efficienza di conversione di questi regolatori dipende direttamente dal salto di tensione su cui operano (la V drop ) P η = P V η V OUT IN OUT IN = VOUT ( I IN 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 Nel caso dei regolatori standard la corrente di perdita è generalmente bassa IN 38

20 Regolatori Regolatori di tensione lineari LDO L efficienza di conversione di questi regolatori è generalmente più alta perché la V drop può essere limitata. Vale sempre l espressione P η = P OUT IN = VOUT ( IIN ILEAK ) ( VOUT + VDROP ) IIN 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 39 Elettronica per l informatica 40

21 Indice della lezione D2 Alimentatori lineari Componentistica e tecnologie Filtri Regolatori Riferimenti di tensione 41 Riferimenti di tensione Riferimenti di tensione 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

22 Riferimenti di tensione Riferimenti di tensione 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 V dc R pol V z 43 Riferimenti di tensione Riferimenti di tensione 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 R pol V dc V z 44

23 Riferimenti di tensione Riferimenti di tensione 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 R pol V dc BAND-GAP V z 45 Verifica lezione D2 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? 46

24 Prossima lezione (D3) Alimentatori a commutazione Tecniche PWM Schemi circuitali di principio Switching: buck e boost Accumulatori Caricabatterie 47