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G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica Regolatori Switching INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011.

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1 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica Regolatori Switching INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011

2 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 1 Regolatori Lineari I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DCI regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona lineareI regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona lineare Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un reference di tensioneUna rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un reference di tensione Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingressoLo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso

3 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 2 Regolatori Lineari La potenza dissipata sul dispositivo è grandeLa potenza dissipata sul dispositivo è grande I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio (alette,ventole)I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio (alette,ventole) Il trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo ingombranteIl trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo ingombrante

4 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 3 Regolatori Switching I regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra linterdizione e la saturazioneI regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra linterdizione e la saturazione Un elemento reattivo (un induttore) immagazzina lenergia che viene poi ceduta al caricoUn elemento reattivo (un induttore) immagazzina lenergia che viene poi ceduta al carico Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabiliUna capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabili Una rete di controreazione confronta luscita con un reference di tensione, adeguando lenergia immagazzinata nellinduttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingressoUna rete di controreazione confronta luscita con un reference di tensione, adeguando lenergia immagazzinata nellinduttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso

5 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 4 Regolatori Switching E possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione di ingressoE possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione di ingresso I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all 85%)I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all 85%) I sistemi di raffreddamento sono meno ingombrantiI sistemi di raffreddamento sono meno ingombranti Le commutazioni introducono rumore sulluscitaLe commutazioni introducono rumore sulluscita Il trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le dimensioni del nucleo sono ridotteIl trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le dimensioni del nucleo sono ridotte

6 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 5 Regolatore switching step-down Si controlla lenergia immagazzinata nellinduttanza. La relazione V : L = ΔI : Δt mette in relazione le grandezze sullinduttanza. La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare. Una tensione costante sullinduttanza, produce una variazione lineare di corrente.

7 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 6 Regolatore switching step-down La variabile di controllo è allora il tempo di carica dellinduttanzaLa variabile di controllo è allora il tempo di carica dellinduttanza Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza dellimpulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene modulato il tempo di carica dellinduttore.Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza dellimpulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene modulato il tempo di carica dellinduttore.

8 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 7 Regolatore switching step-down Vogliamo convertire una tensione da 10V a 5V, per alimentare un carico di 500mAVogliamo convertire una tensione da 10V a 5V, per alimentare un carico di 500mA Il circuito di controllo è al momento sostituito da un generatore di onda quadra 50kHz, con duty cycle fisso.Il circuito di controllo è al momento sostituito da un generatore di onda quadra 50kHz, con duty cycle fisso. Il circuito per la simulazione è il seguente:Il circuito per la simulazione è il seguente:

9 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 8 Regolatore switching step-down Stato : INTERRUTTORE CHIUSOStato : INTERRUTTORE CHIUSO La tensione di ingresso è riportata sullinduttanza. La corrente cresce e viene immagazzinata energia.

10 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 9 Regolatore switching step-down Stato: INTERRUTTORE APERTOStato: INTERRUTTORE APERTO Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere. Linduttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/L

11 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 10 Regolatore switching step-down Corrente nellinduttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e 60%)Corrente nellinduttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e 60%)

12 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 11 Regolatore switching step-down La tensione di uscita dipende dal duty-cycle:La tensione di uscita dipende dal duty-cycle: Vout = δ * Vin La controreazione viene dimensionata per avere la tensione di uscita volutaLa controreazione viene dimensionata per avere la tensione di uscita voluta Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del circuito (diodo, resistenza serie dellinduttanza, resistenza Ron del transistor)Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del circuito (diodo, resistenza serie dellinduttanza, resistenza Ron del transistor)

13 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 12 Regolatore switching step-down Lo step successivo è passare dal modello dellarchitettura al circuito definitivoLo step successivo è passare dal modello dellarchitettura al circuito definitivo Occorre scegliere linterruttore; un MOSFET ha alcuni vantaggi sui BJT:Occorre scegliere linterruttore; un MOSFET ha alcuni vantaggi sui BJT: -ridotto consumo di accensione -ridotto consumo di accensione -velocità di commutazione Scegliamo un IRF9630, capace di (vedere datasheet) -sopportare una Vds di 200V -sopportare una Id di 6.5 A Inseriamo anche la perdita sullinduttanza, stimata in 1ΩInseriamo anche la perdita sullinduttanza, stimata in 1Ω

14 G. Corradi, C. Paglia Corso di Simulazione Elettronica 13 Regolatore switching step-down


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