INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011 Regolatori Switching INFN Laboratori Nazionali di Frascati 20/06/2011

Regolatori Lineari I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC I 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 tensione Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso

Regolatori Lineari La potenza dissipata sul dispositivo è grande I dispositivi di raffreddamento occupano molto spazio (alette,ventole) Il trasformatore funziona a 50Hz, ed ha un nucleo ingombrante

Regolatori Switching I regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra l’interdizione e la saturazione Un elemento reattivo (un induttore) immagazzina l’energia che viene poi ceduta al carico Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabili Una rete di controreazione confronta l’uscita con un reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso

Regolatori Switching E’ possibile abbassare, elevare o anche invertire, la tensione di ingresso I rendimenti sono medio-elevati (dal 70 all’ 85%) I sistemi di raffreddamento sono meno ingombranti Le commutazioni introducono rumore sull’uscita Il trasformatore di isolamento lavora ad alte frequenze -> le dimensioni del nucleo sono ridotte

Regolatore switching step-down Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttanza. La relazione V : L = ΔI : Δt mette in relazione le grandezze sull’induttanza. La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare. Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare di corrente.

Regolatore switching step-down La variabile di controllo è allora il tempo di carica dell’induttanza Il controllo più usato è il PWM, modulazione della larghezza dell’impulso. La frequenza di switching è fissa, mentre viene modulato il tempo di carica dell’induttore.

Regolatore switching step-down Vogliamo 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 per la simulazione è il seguente:

Regolatore switching step-down Stato : INTERRUTTORE CHIUSO La tensione di ingresso è riportata sull’induttanza. La corrente cresce e viene immagazzinata energia.

Regolatore switching step-down Stato: INTERRUTTORE APERTO Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere. L’induttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/L

Regolatore switching step-down Corrente nell’induttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e 60%)

Regolatore switching step-down La tensione di uscita dipende dal duty-cycle: Vout = δ * Vin La controreazione viene dimensionata per avere la tensione di uscita voluta Il duty cycle si aggiusterà per compensare le perdite del circuito (diodo, resistenza serie dell’induttanza, resistenza Ron del transistor)

Regolatore switching step-down Lo step successivo è passare dal modello dell’architettura al circuito definitivo Occorre scegliere l’interruttore; un MOSFET ha alcuni vantaggi sui BJT: -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 sull’induttanza, stimata in 1Ω

Regolatore switching step-down