INFN
Laboratori Nazionali di Frascati
20/06/2011
Corso di Simulazione Elettronica
G. Corradi, C. Paglia
Regolatori Switching
G. Corradi, C. Paglia
• 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
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Regolatori Lineari
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• 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
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Regolatori Lineari
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G. Corradi, C. Paglia
• 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
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Regolatori Switching
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• 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
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Regolatori Switching
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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.
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Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttanza. La relazione
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• 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.
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• La variabile di controllo è allora il tempo di carica dell’induttanza
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• 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:
L1
-
+
-
V1
Vcontro l
V1 = 0
V2 = 10
TD = 1n
TR = 10n
TF = 10 n
PW = 1
PER = 1
V1 = 0
V2 = 1
TD = 10n
TR = 10n
TF = 10 n
PW = 10u
PER = 2 0u
Vou t
100 u
S1
S
VON = 1 .0V
VOFF = 0.0V
I1
D1
D1N4148
V2
0
C1
10u
500 m
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+
Vin
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La tensione di ingresso è riportata sull’induttanza. La corrente cresce e
viene immagazzinata energia.
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•Stato : INTERRUTTORE CHIUSO
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Il diodo di libera circolazione permette alla corrente di scorrere.
L’induttanza si scarica linearmente, con una pendenza –Vout/L
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•Stato: INTERRUTTORE APERTO
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• Corrente nell’induttanza e segnale di controllo (duty cycle del 50% e
60%)
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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)
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• La tensione di uscita dipende dal duty-cycle:
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• 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
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M2
IRF9 630
R1
L1
1R
10 0u
Vo ut
V1 = 0
V2 = 1 0
TD = 1n
TR = 10n
TF = 1 0n
PW = 1
PER = 1
Vcontro l
R2
10 R
V1
V1 = 0
V2 = 1 0
TD = 10n
TR = 10n
TF = 1 0n
PW = 10 u
PER = 20u
I1
D1
D1N414 8
V2
C1
10 u
50 0m
0
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Vi n
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