CORSO DI CIRCUITI ELETTRONICI DI POTENZA I Prof. Nicola Femia N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 1
Obiettivi del corso: Studio ed applicazione dei metodi di progetto di convertitori dc-dc Organizzazione del corso: 30h metodi, 20h applicazioni, simulazioni numeriche, esperienze di laboratorio Libro di testo: R.W.Erickson, D.Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Publishing Modalità di esame: Progetto di un convertitore e discussione orale del progetto Conoscenze propedeutiche: Teoria dei circuiti, fondamenti di dispositivi elettronici ed elettronica analogica, fondamenti di dinamica dei sistemi e controlli automatici Orario di ricevimento: Lunedì e Mercoledì ore 16.00-18.00, Laboratorio di Circuiti Elettronici di Potenza T17 (piano terra), Stanza 267 (secondo piano) Contatti: Tel.: 089 964279/964160, e-mail: femia@unisa.it N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 2
Output: 3.3V @ 10A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 3
Input: 36 75V Output: 3.3V @ 10A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 4
Output: 2.5V @ 50A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 5
Input: 36 75V Output: 2.5V @ 50A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 6
Output: 27V @ 30A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 7
Input: 36 75V 850W Application Schematic PP FETs Output Choke Power Transformer Output: 27V @ 30A Feedback Network LM5030 Controller Input Inductor Current sense transformer Optical-isolated Feedback N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 8
Specifiche di mercato per gli alimentatori switching Basso costo Basso costo Basso costo elevata efficienza (>95%) dimensioni ridotte peso contenuto dinamica veloce regolazione precisa basse interferenze elettromagnetiche ampi range di variazione in ingresso/uscita N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 9
Sorgente SMPS Carico N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 10
SORGENTI: AC MAINS USA: 110VAC (95-135), 120VAC PRESE 208VAC ELETTRODOMESTICI 120VAC, 277VAC LAMPADE FLUORESCENTI 60Hz±3Hz EUROPA: 230VAC, 50Hz±3Hz AUSTRALIA: 240VAC N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 11
SORGENTI: BATTERIE 12VDC PIOMBO 3.6VDC (3-4.2VDC) Li-Ion 1.2VDC (1-1.4VDC) NiCd NiMH(Nickel Metal Hydride) NiH( Nickel Hydrogen) induttanza/cella 200nH N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 12
SORGENTI: PANNELLI SOLARI 10 9 8 7 A 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 13
SORGENTI: PANNELLI SOLARI 200 180 160 140 W 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 14
SORGENTI: PANNELLI SOLARI 3000 2500 2000 W 1500 T 300 K 1000 330 K 500 360 K 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 15
SORGENTI: PANNELLI SOLARI 1800 1600 1400 1200 S 1000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 300 350 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 16
SORGENTI: PILE A COMBUSTIBILE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 17
SORGENTI: PILE A COMBUSTIBILE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 18
Processo di trattamento dell energia dalla sorgente DC/DC MPPT + DC/AC PFC out a ) al carico AC/DC PFC in + DC/DC post regulator N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 19
MPPT ideale trasformatore ideale a basse frequenze controllo a banda larga che impedisca la propagazione del disturbo a 100Hz dal condensatore di bulk ai pannelli INVERTER ideale IN=resistore non dissipativo OUT=generatore di corrente PFC ideale IN=resistore non dissipativo OUT=generatore di potenza P in(t)=p out(t) P in(t)=p out(t) condensatore di condensatore di bulk che sostenga bulk che sostenga una ondulazione di una ondulazione di tensione a 100Hz tensione a 100Hz + controllo a + controllo a banda stretta banda stretta DC-DC ideale IN=pozzo di potenza OUT=generatore di tensione controllo a banda larga che impedisca la propagazione del disturbo a 100Hz dal condensatore di bulk al carico N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 20
CARICHI: MICROPROCESSORI E PERSONAL COMPUTERS PENTIUM II N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 21
SPECIFICHE DI PROGETTO: PENTIUM III N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 22
SPECIFICHE DI PROGETTO: PENTIUM IV N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 23
TREND SEMICONDUTTORI N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 24
TREND TENSIONI E CORRENTI Year 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Vmax (V) 1.8 1.8 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2 Vmin (V) 1.5 1.5 1.2 1.2 1.2 0.9 0.9 Ptyp (W) 90 100 115 130 140 150 160 Imin(A) 50 56 77 87 93 125 133 Imax(A) 60 67 96 108 117 167 178 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 25
TOLLERANZE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 26
STABILITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 27
INTEGRAZIONE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 28
ARCHITETTURA PC POWER DISTRIBUTION N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 29
ARCHITETTURA DI UN ALIMENTATORE MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 30
ARCHITETTURA FORWARD MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 31
ARCHITETTURA FLYBACK MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 32
CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE RECTIFIER BATTERY- CHARGER TELECOM EQUIPMENT (ELECTRONIC CARDS) BATTERY 48V ( 264V) UPS 220VAC DATACOM EQUIPMENT TELECOM EQUIPMENT (ELECTRONIC CARDS) MODULI LOW VOLTAGE: +5V,-5V/6W 12W MODULI HIGH VOLTAGE: 32V,-41V,-51V,-92V/300W MODULI ADM: +5.4V/18A,-5.4V/8A,+12V/0.25A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 33
AC Power Line CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE Telecom Infrastrucure 48V Distributed Power Conversion: Conventional architecture Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads (1) (2) (3) Point-of load Power Conversion AC Filter N+1 Redundant AC/DC Converters 15 A Fuse 48 V @ 2A 48V Isolated Converter 3.3V @ 20A Non-isolated DC/DC Converter 2.5V-1.3Vout @ 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 48V Batteries 48 V - Hot Swap Controller + 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 34
CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE 48V Distributed Power Conversion: Intermediate power Bus Architecture AC Power Line AC Filter Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads N+1 Redundant AC/DC Converters (1) (2) ( 3) 15 A Fuse IBA Open-loop isolated converters 48 V @ 2A 48V Isolated Converter 8-24V @ 20A SIP modules DC-DC not isolated Non-isolated DC/DC Converter 2.5V-1.3Vout @ 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 48V Batteries - + 48 V Hot Swap Controller 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 35
CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE 48V Distributed Power Conversion: New High efficiency trend AC Power Line Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads (1) (2) (3) AC Filter N+1 Redundant AC/DC Converters 48V Batteries - + 48 V Hot Swap Controller 15 A Fuse 48 V 48V Isolated Converter Cascade Multiple outputs 3.3V @ 20A 5V @ 20A Secondary side post 2.5V-1.3Vout @ 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 36
CARICHI: LAMPADE A SCARICA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 37
CARICHI: MOTOR DRIVES N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 38
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PROGETTAZIONE 1. SPECIFICHE - tensione e corrente di carico (livelli, forme d onda) - tensione e corrente di linea/sorgente (livelli, forme d onda) - rendimento - ingombro - regolazione statica - compensazione dinamica - inquinamento elettromagnetico - tolleranze - protezioni - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 43
PROGETTAZIONE 2. TOPOLOGIA - load regulation (post regulation), line regulation (pre regulation) - up/down - trasformatore di isolamento - half/full bridge - numero di componenti - stress - soft-switching - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 44
PROGETTAZIONE 3. COMPONENTI PASSIVI - modo di funzionamento continuo/discontinuo - ripple di tensione/corrente - input/output slew rates sotto carico dinamico - componenti e materiali magnetici - resistenza parassita (ESR), induttanza parassita (ESL) - dissipazione - ingombro - stabilità - slew-rates - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 45
PROGETTAZIONE 4. SCELTA DEI COMPONENTI ALLO STATO SOLIDO - Rating di corrente/tensione - Tempi di turn on/off - Perdite di conduzione - Perdite di commutazione - Resistenze parassite - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 46
PROGETTAZIONE 5. PROGETTO DEL CONTROLLORE - Controllo analogico/digitale - Controllo in tensione, controllo in corrente, - Scelta del circuito integrato di controllo - Scelta della frequenza di switching - Dimensionamento dei componenti per la regolazione statica - Dimensionamento dei componenti per la compensazione dinamica - Funzioni di trasferimento del convertitore - Verifiche di prestazione e stabilità - Robustezza - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 47