ElapE1 23/11/2015 SENSORI. 23/11/ ElapE DDC. 23/11/ ElapE DDC

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1 Ing. Informatica/Telecomunicazioni Sistemi elettronici ELETTRONICA APPLICATA E MISURE Dante DEL CORSO Leonardo REYNERI SENSORI CONDIZIONAMENTO INGR. CONVERSIONE A D ELABORAZIONE CONVERSIONE D A CONDIZIONAMENTO OUT CIRCUITI DI POTENZA ATTUATORI E1 CIRCUITI DI POTENZA» Dispositivi di potenza» Limiti operativi» Analisi termica» Circuiti di comando AA SISTEMA DI ALIMENTAZIONE Problemi: - gestire alte correnti (tensioni) - dissipazione/temperatura - ottenere buona efficienza 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Gruppo E: Gestione dell energia Lezione E1: circuiti di potenza Caratteristiche di componenti di potenza Limiti di correnti/tensioni Problemi termici, Safe Operating Area (SOA) Come fornire energia a un sistema elettronico Alimentatori Batterie primarie e secondarie (ricaricabili) Esempi di circuiti di potenza Stadi di uscita Protezioni Alimentatori e regolatori lineari Regolatori a parzializzazione (commutazione) Parti di potenza in un sistema elettronico Dispositivi: modelli e parametri (da Sist e Tecn. ELN) Diodi raddrizzatori, Zener, Transistori: MOS, BJT, altri V, I Safe Operating Area Temperatura di giunzione Analisi termica Dispositivi BJT e MOS usati come interruttori Riferimenti: M. Zamboni: Elettronica dei sistemi di interc. e acq.: cap. 6 F. Maloberti: Understanding Microelectr : /11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Dove occorre gestire potenza Altri moduli funzionali di potenza Alimentatore (fornisce energia quasi costante) Fornire energia ai vari moduli, partendo da» Tensione di rete (220/110V, 50/60 Hz)» Batterie, accumulatori, celle solari, Tensione di uscita ben definita, al variare di» Energia di ingresso (rete, stato batterie, )» Energia richiesta in uscita (corrente al carico)» Temperatura e altri parametri ambientali Amplificatori/circuiti di potenza (energia variabile) Visti come alimentatori variabili Per entrambi: alto rendimento/basse perdite Conversione dell energia AC DC: alimentatore classico DC DC: alimentazioni a batteria, alim. isolate, regolatori, DC AC: inverter (generare 220V da batterie) AC AC: trasformatori Chimica DC: batterie, accumulatori Meccanica AC/DC: generatori e motori Altro: Celle solari, Per tutti: alto rendimento/basse perdite 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 1

2 Esempio 1: Conversione AC DC Diodi Zener Raddrizzatore a una semionda V I èac C per tensione di uscita costante V I (DC o quasi) V O è DC con ondulazione Circuito base per la conversione da AC a DC Lezione E2 (Alimentatori) V O Ogni giunzione ha una tensione di breakdown Normalmente occore evitare di causare breakdown (possibili danni permanenti a circuiti/dispositivi) Alcuni dispositivi sono progettati per lavorare in zona di breakdown senza danni: diodi ZENER Usati per Circuiti di protezione Regolatori di tensione (per basse potenze) Generare tensioni di riferimento (a basso costo) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Caratteristica i(v) di diodo Zener Circuito equivalente del diodo Zener I Z e V Z hanno polarità invertita rispetto a Id e Vd I diodi standard lavorano in polarizzazione diretta/inversa» Il breakdown è una situazione di malfunzionamento Gli Zener lavorano in polarizzazione inversa (breakdown) V Z0 : V Z per I = 0 (modello lineare) R Z : ΔV/ΔI (resistenza differenziale r z ) I V + R Z V ZO I D v D I Z V Z I Zmin : corrente minima per uscire dalla zona di ginocchio Pd max (o I Zmax ): limitate dall incremento di temperatura Limite da Pdmax Izmin I Pendenza ΔV/ΔI = R Z ; uso come regolatore Vzo V 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Impiego del diodo Zener Diodo Zener: punto di funzionamento La tensione di breakdown inversa può essere usata per generare un riferimento stabile di tensione Tensione di breakdown V Z La tensione di uscita è pari a V Z, anche in caso di variazioni della tensione di ingresso V La resistenza R limita la corrente nel diodo Per analisi dettagliata Tener conto della corrente a riposo Caratteristica I(V) del bipolo di sinistra (Vs + R) Caratteristica I(V) dello Zener Punto di funzionamento nell intersezione Tensione di uscita V: V = Va Zener in breakdown: piccole variazioni di V al variare di I e Vsu Regolazione della V + Dz Vsu/Rs Zona di breakdown Rs Vsu I I V Va, Ia V Vsu 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 2

3 Dispositivi bipolari (BJT) di potenza Interruttore o amplificatore? Relazione base per transistori bipolari: Ic= β Ib Parametri più significativi per applicazioni di potenza: Vcebr tensione C-E di breakdown Icmax massima corrente di collettore β guadagno di corrente (basso per correnti alte) I c Vcesat tensione C-E in saturazione I b Parametri termici» Potenza massima (Pdmax) V be» Resistenza termica (R θ ) V ce Amplificatore Vce, Ic 0 Regione attiva Interruttore ON Vce 0 Saturazione Interruttore OFF Ic 0 Interdizione (Cutoff) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Transistore BJT come interruttore Parametri critici in saturazione Punti di funzionamento sulla retta di carico (load line) Funzionamento basato sui portatori minoritari Dinamica lenta, dipendenza dalla temperatura Elevata Vcesat (dipende da I C ; circa V) R B β diminuisce per correnti elevate Basso guadagno (5 20), inferiore per dispositivi alta V Comportamento critico in prossimità della saturazione I C elevata, residua V CE elevata potenza dissipata Criteri di progetto Garantire saturazione profonda (elevata corrente I B, configurazioni Darlington, ) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Modello per BJT in interdizione MOS-FET di potenza I B = 0 I C = 0 (caso ideale) Corrente di perdita della giunzione BC: I CB0 Se la Base è aperta, Icbo rientra come I B I CE0 = β I CB0 Iceo causa dissipazione Incremento di temperatura maggiore corrente di perdita ulteriore incremento T Thermal runaway Dispositivi multipli, con ripartizione di corrente Rimuovere I CB0 dalla Base Resistenza verso massa Polarizzazione inversa giunzione BE (senza breakdown!) Dispositivi a bassa corrente Strutture planari I MAX e V breakdown dipendono da W e L del canale Dispositivi ad alta corrente Strutture verticali Vbreakdown legata a drogaggio e spessore dello strato N (verticale) Imax funzione di W e L Struttura verticale: adatta per elevate V e I 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 3

4 Componenti parassiti nei MOS-FET MOS-FET: caratteristiche di uscita La struttura verticale crea una giunzione pn tra body (S) e substrato (D) La corrente può S sempre scorrere da S a D G Il MOS di potenza D è un interruttore a 1-quadrante 1-quad. unica polarità di V e I Interruttori a 4-quadranti richiedono almeno due MOS La struttura verticale crea anche un BJT parassita (non indicato) Interruttore ON Interruttore OFF Amplificatore Saturazione nei MOS ha diverso significato (nel BJT è detta regione attiva ) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Parametri di MOS in commutazione Confronto MOS-FET / BJT ON: Resistenza equivalente Ron OFF: Corrente di perdita Ioff Parametri dinamici Capacità GS Capacità DS Capacità parassite verso il substrato Il MOS-FET usa portatori maggioritari Elevata velocità di commutazione Ridotta dipendenza dalla temperatura Il MOS-FET richiede circuiti di pilotaggio più semplici No corrente DC nel Gate carica di capacità Gate-body Commutazione rapida pilotaggio di carico capacitivo Stato ON Modello per BJT : tensione V CEsat (+R ON ) Modello per MOS : R ON Stato OFF Modello per entrambi : corrente di perdita (leakage) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Dispositivi a quattro strati (4-layer) SCR nei circuiti digitali CMOS Esistono dispositivi particolari progettati per lavorare solo in commutazione: Struttura fisica particolare (pnpn: 4-strati o più) Usabili come interruttori (non per amplificatori lineari) Esempi: Silicon Controlled Rectifier (SCR), Tyristori, TRIAC/DIAC Integrati CMOS: struttura SCR intrinseca Può entrare un conduzione (latch up) per:» Tensioni di ingresso esterne all intervallo GND-Vcc» Particelle ad alta energia (applicazioni spaziali) pmosfet nmosfet V G DD G S D D S V SS Un SCR parassita è presente negli ingressi CMOS Se ON, la corrente elevata può danneggiare il dispositivo Richiede precauzioni di progetto p+ p+ n+ n+ n+ p+ n-substrate T1 p-well T2 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 4

5 Lezione E1: circuiti di potenza Limiti operativi Dispositivi: modelli e parametri (richiami) Dispositivi BJT e MOS di potenza Safe Operating Area Dissipazione di potenza Modelli termici Interruttori con BJT Interruttori con MOS-FET Tensione di Breakdown Con tensioni troppo alte vengono perforati gli isolamenti Corrente massima Se I è troppo alta, fili o piste possono fondere Potenza massima La potenza dissipata determina incremento di temperatura Temperatura massima Silicio e metallo possono fondere, modificando i drogaggi Applicazioni speciali Resistenza alle radiazioni (spazio), vibrazioni,. 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Safe Operating Area Safe Operating Area (BJT) Ogni dispositivo elettronico ha limiti di tensione, corrente, potenza gestibile La regione di V, I, P accettabili è detta Safe Operating Area (SOA), definita da limiti di Potenza (V x I > Pd MAX )» Potenza eccessiva determina innalzamento di temperatura» Breakdown secondario: riscaldamento locale e deriva termica Tensione (V < V BRK )» Tensione eccessiva causa breakdown della giunzione Corrente (I < I MAX )» Corrente eccessiva causa riscaldamento dei conduttori Corrente limite Active & Safe Operating Area (SOA) Potenza (V x I) limite Flusso I non uniforme; elevata dissipazione locale Tensione limite (breakdown) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Potenza dissipata Derating della potenza Un dispositivo elettrico dissipa una potenza Pd = V I La potenza dissipata causa aumento di temperatura Ogni dispositivo ha limiti in temperatura limiti di potenza Dissipazione modellata da circuito equivalente termico Potenza corrente Temperatura tensione ai nodi Conduzione del calore resistenza termica θr ( C/W) Diodi/MOS/BJT dissipazione alle giunzioni Il calore deve essere portato fuori del dispositivo, attraverso» Giunzione-contenitore parametri forniti dal fabbricante» Contenitore-ambiente controllati dal progettista (dissipatore) Il fabbricante specifica Massima potenza dissipabile: P Dmax Massima temperatura di giunzione: Tj MAX La dissipazione determina incremento di temperatura La potenza dissipabile diminuisce al crescere della temperatura ambiente (Ta) Se T A = Tj MAX P D = 0 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 5

6 Modello termico R θ dalla giunzione all ambiente Il comportamento termico viene modellato con una rete elettrica Potenza P D generatore di corrente Temperatura T tensione Conduzione del calore resistenza termica θ ( C/W) Rete elettrica equivalente percorso termico dalla giunzione all ambiente: Giunzione Case: θ JC» Resistenza termica legata al contenitore Case dissipatore: θ CS» Bloccaggio Case/dissipatore Giunzione Case T j T A = P D θ JA T jmax = T A + P D max θ JA Dispositivi in silicio: T jmax = 150 C Dissipatore ambiente: θ SA» Dissipatore e condizioni operative (ventilazione) Dissipatore Il progettista può intervenire su θ CS e θ SA Ambiente 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Esempio: specifiche termiche Lezione E1: circuiti di potenza Dal datasheet TIP30 (transistore di potenza) Esempio: calcolare temp. di giunzione per Pd = 0,8 W ΔTj = P D R θja = 62,5 x 0,8 = 50 C Tj= Ta + ΔTj = 75 C Dispositivi: modelli e parametri (richiami) Dispositivi BJT e MOS di potenza Uso di dispositivi BJT e MOS come interruttori Parametri nello stato ON Parametri nello stato OFF Circuti di comando 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Pilotaggio di SW da circuiti logici Potenza dissipata Parametri elettrici del circuito logico pilota Parametri del carico Tipo: R, L, C, I, V V e I richiesti Tempi di transizione (sovratensione, EMI, ) Richieste particolari (isolamento galvanico, ) Parametri del dispositivo di potenza V, I, Pmax; SOA Configurazione: High/Low side, fluttuante Parametri dei dispositivi attivi (guadagno, Vt, ) Comportamento dinamico Condizioni ON o OFF potenza nulla (minima) (Pd = V x I; V oppure I sono prossimi a 0) Stati intermedi (regione attiva) Attraversata nei transitori V e I sono 0 Potenza dissipata Pd = V x I Pd massima per Vce = Val/2 (derivare Pd per trovare max) Pd max durante i transitori commutazione rapida! Commutazioni veloci disturbi elevati (EMI) Valutare compromesso potenza/emi 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 6

7 Pilotaggio low-side di SW BJT MOS-FET come interruttori Con BJT npn Emettitore a massa Carico sul Collettore Comando alla Base (prossima a GND) Stato ON Icon = Vs/Rl Fornire sufficiente corrente di Base: Ib > Icon/β V S R L L I C Stato OFF Corrente di base nulla: Vbe sotto soglia o inversa Evitare breakdown inverso della giunzone BE (5 V circa) Evitare fuga termica per moltiplicazione della Icbo I B OFF: Vgs< Vt Id=0 (interdizione) ON Vgs> Vt Id=Vds/Rd (regione a triodo) Rd dipende da Vgs, Vds, Temperatura,.. 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Pilotaggio low-side di SW MOS Pilotaggio SW MOS da circuiti logici Carico collegato a V S, interruttore verso massa Con dispositivi n-mos V S Source a GND, carico su Drain R Comando al Gate (prossimo a GND) L L ON: V GS > V T ; OFF: V GS < V T Comandabile da logiche standard Con dispositivi p-mos Usabile se V S negativo Tensione di controllo riferita a V S Può richiedere livelli non standard necessario un traslatore di livello V GS I D Se V T < V H pilotaggio diretto OK per MOS di potenza medio-bassa I MOS di potenza hanno elevata capacità di Gate Transizioni rapide per limitare la dissipazione Elevata corrente (dinamica) per carica veloce di Cgate Richiede circuiti di pilotaggio particolari L induttanza parassita di Gate e il condensatore formano un risonatore LC con elevato Q Può determinare sovratensioni sul Gate Necessaria resistenza di smorzamento (damping) collocata in prossimità del Gate 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC Pilotaggio di SW MOS fluttuanti Carico fluttuante ponte a H Usato per Sample/hold o carichi fluttuanti (floating) D e S sono a tensioni variabili; come imporre V GS? V GS ottenuta come caduta di tensione su un resistore fluttuante Pilotaggio con trasformatore Carico fluttuante: ponte a H con comandi complementari sui due lati Permette di invertire V e I sul carico 2 x Valim, 4 x potenza Necessati due comandi Active/OFF Direction Nessun consumo quando il carico è OFF Usato anche per amplificatori (no DC a riposo) 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 7

8 Protezioni da sovratensioni Lezione E1: verifica conclusiva I carichi induttivi possono generare sovratensioni significative all apertura Prevedere un percorso per l L nel passaggio ON OFF Limitare la tensione su Collettore/Drain Diodo di clamp (Catch) SW Fornisce un percorso a bassa impedenza per l energia I LON accumulata nell induttanza» SW chiuso: corrente = 0 SW aperto: la corrente I LON accumulata in L può circolare attraverso il diodo Nei MOS di potenza diodo è già presente, ma» Può dissipare energia limitata I LON Descrivere la caratteristica I(V) dei diodi Zener. Come possiamo garantire che un BJT si porti nello stato ON? Elencare i parametri più significative dei transistori MOS e BJT usati come interruttori. Quali paramteri definiscono i limiti della SOA per i MOS di potenza? Traciare un circuito che permetta di pilotare un interruttore MOS fluttuante con un segnale logico. Tracciare la caratteristica di uscita V(I) di dispositivi di potenza MOS o BJT, e identificare le diverse zone operative. Quali parametri definiscono i limiti della Safe Operating Area (SOA)? Come potremmo misurare la temperatura effettiva delle giunzioni di un dispositivo bipolare di potenza? 23/11/ ElapE DDC 23/11/ ElapE DDC 2015 DDC 8