Page 1. ElapE3 03/12/ DDC 1 ELETTRONICA APPLICATA E MISURE. Lez. E3: regolatori a commutazione. Ingegneria dell Informazione
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- Rachele Savino
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1 Ingegneria dell Informazione ez. E3: regolaori a commuazione EETTRONICA APPICATA E MISURE ane E CORSO AA E3 REGOATOR COMMUTAZIONE» Regolaori a parzializzazione» Regolaori buck e boos» Valuazione dei parameri» Scela dei componeni Conrollo di poenza a commuazione Conrollo con variazione del duy cycle Regolaori a commuazione Buck, Boos, Buck-boos Accumulaori Caraerisiche e ecniche di ricarica Riferimeni: Maloberi: Undersanding Microelecronics : Cap 3.6, 7 (J.Wiley&Sons, 202) 03/2/202 - ElapE3-202 C 03/2/202-2 ElapE3-202 C Regolaori a commuazione Filro passa-basso in uscia Energia conrollaa ramie un inerruore ON piena poenza; OFF poenza zero Filro passa-basso verso il carico (può essere il carico sesso) Conrollo modificando il duy cycle ON/OFF Alo rendimeno Inerruori ideali nessuna dissipazione, nessuna perdia Inerruori reali perdie da Ron, Ioff, ransiori Applicazioni Amplificaori: classe, E,. Alimenaori e regolaori a commuazione (swiching) Energia fornia al carico come onda reangolare Valor medio legao al duy cycle (uscia uile) Segnale a froni ripidi, fore conenuo di armoniche» disurbi, energia persa, Necessario filro passa-basso in uscia Inrinseco nel carico (auaore meccanico) Risposa molo più lena della cadenza del comando ON/OFF Filro esplicio verso l uscia (passa-basso) RC perdie nella R, basse poenze C basse perdie, poenze elevae 03/2/202-3 ElapE3-202 C 03/2/202-4 ElapE3-202 C Regolaore a commmuazione C sorage&averaging circui Amplificaore in classe Poenza erogaa al carico conrollaa dal duy cycle di SW Ic carico media l energia (fd ipo passa-basso) Alo rendimeno (inerruore ideale, nessuna perdia) SW Squarewave requires wo swiches Replace a SW wih a diode + V I V I The inducor ries o keep consan curren The diode provides curren pah when SW is open 03/2/202-5 ElapE3-202 C 03/2/202-6 ElapE3-202 C Page 202 C
2 Swiching regulaor wih feedback Swiching volage regulaors Swiching power conrol Vo is compared wih reference volage Vz V F = V O R2/(R+R2) V O = V Z (R+R2)/R2 Feedback loop makes V F = V Z C C converers, wih various opologies: Buck Vou < Vin Boos Vou > Vin Buck-Boos invered polariy Flyback galvanic isolaion Benefi: high efficiency (close o ) No high dissipaion as in linear regulaors osses only from parasiic R,, C High frequency, smaller and C rawbacks Oupu ripple, EMI generaion 03/2/202-7 ElapE3-202 C 03/2/202-8 ElapE3-202 C Review of inducor behavior Buck regulaor Ideal inducor No curren sep Rs= 0 riven by () + V V T d Swiches SW and SW2 complemenary commands, ON duy cycle for SW, ON duy cycle - for SW2 V sep response Curren (I) ramp - SW SW2 V ou < V ou Periodic squarewave driving volage V() Triangular curren I() SW ON SW2 OFF SW OFF SW2 ON 03/2/202-9 ElapE3-202 C 03/2/202-0 ElapE3-202 C Buck regulaor, ON sae Buck regulaor, OFF sae SW closed, curren flows from Vin o Vou hrough ON sae - Curren in he ON sae - V ou Curren change in he OFF sae OFF sae - TOFF Curren in he OFF sae - V ou Curren change in he ON sae V TON d Curren change in ON and OFF saes is balanced; he ransfer raio corresponds o he swiching duy cycle TON T OFF V OUT 03/2/202 - ElapE3-202 C 03/2/202-2 ElapE3-202 C Page C 2
3 Buck regulaor final diagram Buck regulaor efficiency SW2 replaced by a diode SW closed iode has reverse bias (SW2 OFF) SW open The inducor keeps consan curren, which can flow only hrough he diode (SW2 ON) SW V ou < V ou Ideal SW and diode no loss Efficiency η = Real circui iode losses: Vd, (Is) SW losses: Ron (Ioff) Transiion losses (linear MOS operaion) losses (series R, magneics) C losses (Equivalen Series Resisance: ESR) Efficiency η < ( ), relaed wih SW frequency Similar parameers for all SW regulaors 03/2/202-3 ElapE3-202 C 03/2/202-4 ElapE3-202 C Boos regulaor Boos regulaor, ON sae Inver SW and inducor from Buck Similar operaion and analysis Oupu volage is higher han inpu: Vou > Vin Use diode as SW2 - ON sae - Curren in he ON sae - V ou V ou V IN T ON Inducor Curren change during ON phase 03/2/202-5 ElapE3-202 C 03/2/202-6 ElapE3-202 C SW open: V=-(Vo Vi); is a ramp OFF sae - Vin The ransfer raio is conrolled by he duy cycle Boos regulaor, OFF sae Curren in he OFF sae - V ou TON TOFF Coninuous curren mode (CCM) No volage drop on SW and SW closed: = V I ; linear increase of SW open: curren l decreases and flows hrough V i C i S C u R V u I u 03/2/202-7 ElapE3-202 C 03/2/202-8 ElapE3-202 C Page C 3
4 CCM analysis Inpu and oupu curren SW closed: i() = Ia+ VI / A T:» Ib = Ia+TVI /» Ib Ia =TVI / V i V i -V u v Inpu curren I S = flows when he swich SW is closed Inpu curren I i is he average of Capacior curren Ic corresponds o SW open: i() = Ib+ (-VU + VI ) / A T2:» Ia = Ib -T2 (VU Vi ) / Ib Ia = T2 (VU Vi ) / V U = V I (T +T 2 ) /T V U /V I = / (- ) I b I a i T on T T sw T off T 2 Oupu curren Curren flows in he diode when he swich SW is open Oupu curren I u corresponds o average value of diode curren. 03/2/202-9 ElapE3-202 C 03/2/ ElapE3-202 C Buck-boos regulaor Buck-boos regulaor, ON/OFF sae Combines buck and boos opologies ON PHASE OFF PHASE Generaes invered oupu volage Vin V ou V ou TON TOFF Negaive oupu volage, conrolled by he duy cycle 03/2/202-2 ElapE3-202 C 03/2/ ElapE3-202 C Swiching regulaor design isconinuous Curren Mode Selec Selec C Selec swiches (MOS and iode) Selec operaing frequency Evaluae efficiency In CM, I = 0 during Tidle Three ime slos Ton, T2, Tidle Same analysis: VI Ton / = -VuT2 / VU /VI = -Ton / T2 T2 unknown 03/2/ ElapE3-202 C 03/2/ ElapE3-202 C Page C 4
5 Fly-back PSU Muliple oupu flyback Basically a buck-boos converer, wih he inducor replaced by a ransformer. Provides galvanic isolaion. Regulaion requires isolaed feedback (phoocoupler). Inpu swich can be low-side Muliple (isolaed) oupus Feedback loop for regulaion S C u R V u V i C i p C i C u R V u S 2 C u2 R 2 V u2 03/2/ ElapE3-202 C 03/2/ ElapE3-202 C Block diagram of swiching PSU esson E3 final es A. EMI Filer B. AC (mains) o C C. Swiching volage regulaor (C o AC). AC o AC (HF small isolaion ransformer) E. AC o C Feedback for regulaion 220V SW Vou = REG 50 Hz A B C 500 khz E escribe he PWM regulaion echnique raw he block diagram of a PSU wih swiching regulaor, and describe he funcion of each uni. Compare benefis and drawbacks of linear and swiching regulaors. raw he block diagram of wo basic swiching regulaor opologies. Which parameers influence he oupu ripple in swiching PSU? Which parameers influence efficiency? escribe differences beween BUCK and BOOST PSU? 03/2/ ElapE3-202 C 03/2/ ElapE3-202 C Page C 5
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