Pilotaggio high-side

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1 Interruttori allo stato solido Introduzione Il pilotaggio high-side è più difficile da realizzare del low-side in quanto nel secondo un capo dell interruttore è a massa Non sempre è possibile il pilotaggio low-side, ad esempio quando il carico deve essere costantemente collegato a massa Il pilotaggio high-side può essere realizzato con BJT o MOS di entrambe le polarità in modo più o meno semplice 003 Politecnico di Torino

2 High-side con BJT High-side con MOS 3 High-side con BJT Politecnico di Torino

3 High-side con BJT Scelte possibili: Utilizzo di finale NPN Utilizzo di finale PNP 5 High-side con BJT High-side con NPN Politecnico di Torino 3

4 NPN high-side L utilizzo di NPN è problematico: Il transistor non può saturare: caduta di tensione non trascurabile L interruttore sulla base è ancora high side (ma commuta meno corrente) 7 Pilotaggio di NPN high-side Questa configurazione non è molto usata a causa dell elevata dissipazione su T quando il carico è spento Politecnico di Torino 4

5 Pilotaggio di NPN high-side Questa configurazione migliora il rendimento a costo di un aumento della caduta di tensione su T Pilotaggio di NPN high-side Quest ultima configurazione rappresenta un buon compromesso tra caduta sullo switch e rendimento T e T 3 formano una coppia Darlington complementare (circuito di Sziklay) Politecnico di Torino 5

6 High-side con BJT High-side con PNP PNP high-side L utilizzo di PNP ha alcuni vantaggi: Se R B è bassa il transistor satura (bassa caduta) L interruttore sulla base è di tipo low side (facilmente realizzabile) 003 Politecnico di Torino 6

7 PNP high-side Vi sono però anche degli svantaggi: Il PNP ha guadagno basso: grossa corrente di base in R B verso massa che abbassa il rendimento Il PNP è lento a commutare 3 PNP high-side Per migliorare il rendimento si può usare un darlington: Si perde il vantaggio della bassa caduta sull interruttore Politecnico di Torino 7

8 PNP high-side La configurazione a fianco è una realizzazione del primo schema, con esplicitato l interruttore low-side La resistenza R serve a velocizzare lo spegnimento di T 5 PNP high-side Come per gli interruttori low-side, esistono due alternative di tipo Darlington: Prima alternativa: elevata efficienza perché entrambe le correnti di collettore fluiscono nel carico ma elevata caduta sui transistor che sottrae tensione al carico Politecnico di Torino 8

9 PNP high-side Come per gli interruttori low-side, esistono due alternative di tipo Darlington: seconda alternativa: minore efficienza perché la corrente di collettore di T non passa nel carico ma bassa caduta sui transistor ed elevata tensione al carico 7 High-side con MOS Politecnico di Torino 9

10 Modalità di pilotaggio Scelte possibili: Utilizzo di transistor PMOS Utilizzo di transistor NMOS 9 High-side con MOS High-side con PMOS Politecnico di Torino 0

11 PMOS high-side L utilizzo di PMOS in high-side è semplice. Questo è un possibile schema di principio: Il valore di R può essere elevato (peggiora la velocità di commutazione) Questo schema è utilizzabile quando V AL è compatibile con V GS Svantaggi PMOS high-side Occorre però considerare che: i PMOS sono lenti nella commutazione rispetto ai transistor NMOS non esistono per correnti elevate (R ON relativamente alta) 003 Politecnico di Torino

12 Pilotaggio PMOS high-side Una realizzazione pratica del circuito precedente è riportata a fianco 3 Pilotaggio PMOS high-side Quando la tensione d alimentazione è troppo elevata occorre inserire un partitore sul gate Se l alimentazione non è stabilizzata è opportuno inserire uno zener a protezione del gate (in grigio) Politecnico di Torino

13 Pilotaggio PMOS high-side Per sistemi alimentati a 5V è possibile uno schema molto semplice utilizzando un PMOS a bassa tensione di soglia Nessuno degli schemi visti funziona con logica a bassa tensione (meno di 3V ), a meno di utilizzare PMOS speciali 5 High-side con MOS High-side con NMOS Politecnico di Torino 3

14 NMOS high-side L utilizzo di NMOS in high-side soffre degli stessi problemi dei BJT NPN: Per la conduzione deve essere V GS >V TH ma la tensione di source non è fissa Alta caduta di tensione sul transistor e alta dissipazione di potenza In alternativa: V G >V AL 7 NMOS high-side È possibile portare la tensione di gate a livelli maggiori di V AL in due modi: Ricavando V G da un opportuna tensione già presente nel circuito (possibile solo in casi particolari) Creando appositamente una tensione, utilizzando un trasformatore o un circuito a condensatori commutati Politecnico di Torino 4

15 Pilotaggio NMOS con trasformatore Utilizzando un trasformatore, la tensione sul secondario è riferita al source del MOS e quindi è libera di variare in funzione del carico 9 Pilotaggio NMOS con trasformatore L uso di un trasformatore pone parecchie limitazioni: Non è possibile applicare una continua per lungo tempo (saturazione del nucleo) V GS è a valor medio nullo Questa tecnica è approfondita trattando l isolamento galvanico Politecnico di Torino 5

16 Pilotaggio NMOS con bootstrap Altre tecniche di pilotaggio fanno uso di condensatori di bootstrap, come nell esempio a fianco, utilizzabile quando nel circuito esista una tensione circa pari alla V GS desiderata (+V nello schema) Pilotaggio NMOS con bootstrap Quando T è in saturazione, C si carica, attraverso il diodo e il carico, ad una tensione di circa V + 3 Spegnendo T si porta in conduzione T 3, che a sua volta accende il MOS La tensione sul source sale, ma la tensione tra le armature di C rimane inalterata Politecnico di Torino 6

17 Pilotaggio NMOS con bootstrap Questo fa sì che la tensione sul gate salga con quella sul carico + 3 Quando il MOS è acceso, in T 3 non scorre corrente, così l accensione può durare svariati secondi Per spegnere il circuito si attiva T. Il gate si scarica tramite T 33 Dimensionamento bootstrap C deve essere molto più grande della capacità d ingresso del MOS + 3 R determina sia la velocità di accensione del circuito, sia la dissipazione di potenza con MOS spento (T in saturazione) Lo zener protegge il gate da sovratensioni possibili con carico capacitivo Politecnico di Torino 7

18 Inconvenienti bootstrap Il circuito presentato non è adatto a mantenere il MOS acceso per un tempo indefinito per l autoscarica di C + 3 T deve poter sopportare V AL sul collettore, T e T 3 possono essere a bassa tensione 35 Pompa di carica Un altro modo per ottenere una tensione maggiore di V AL è tramite un circuito a pompa di carica La pompa di carica genera una tensione più alta di V AL, utilizzabile per alimentare il circuito di bootstrap Politecnico di Torino 8

19 Pompa di carica Con V Q bassa (0V ) C si carica a V AL V D tramite D Se V Q si porta istantaneamente a V pp, V C non cambia e il nodo A si trova a tensione V AL V D + V pp 37 Pompa di carica Il diodo D entra in conduzione e la carica di C si ripartisce su C In assenza di carico, dopo alcuni cicli V C sarà pari a V pp V D e V B di conseguenza sarà V AL +V pp V D Politecnico di Torino 9

20 Driver integrati Il circuito a pompa di carica e l oscillatore si possono ora trovare in circuiti integrati con funzione di driver highside, che pilotano il MOS a partire da un segnale logico, in modo trasparente per il progettista Politecnico di Torino 0