Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Interruttori allo stato solido
Pilotaggio high-side
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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
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Pilotaggio high-side
High-side con BJT
High-side con MOS
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Pilotaggio high-side
High-side con BJT
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
High-side con BJT
Scelte possibili:
Utilizzo di finale NPN
Utilizzo di finale PNP
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High-side con BJT
High-side con NPN
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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)
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Pilotaggio di NPN high-side
Questa
configurazione non è
molto usata a causa
dell’elevata
dissipazione su T1
quando il carico è
spento
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Pilotaggio di NPN high-side
Questa
configurazione
migliora il rendimento
a costo di un
aumento della caduta
di tensione su T3
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3
1
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Pilotaggio di NPN high-side
Quest’ultima
configurazione
rappresenta un buon
compromesso tra
caduta sullo switch e
rendimento
T2 e T3 formano una
coppia Darlington
complementare
(circuito di Sziklay)
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3
2
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
High-side con BJT
High-side con PNP
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PNP high-side
L’utilizzo di PNP ha
alcuni vantaggi:
Se RB è bassa il
transistor satura
(bassa caduta)
L’interruttore sulla
base è di tipo low side
(facilmente
realizzabile)
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
PNP high-side
Vi sono però anche
degli svantaggi:
Il PNP ha guadagno
basso: grossa corrente
di base in RB verso
massa che abbassa il
rendimento
Il PNP è lento a
commutare
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PNP high-side
Per migliorare il
rendimento si può usare
un darlington:
Si perde il vantaggio
della bassa caduta
sull’interruttore
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
PNP high-side
La configurazione a
fianco è una
realizzazione del primo
schema, con esplicitato
l’interruttore low-side
La resistenza R2 serve a
velocizzare lo
spegnimento di T2
2
2
1
15
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
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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 T2 non
passa nel carico ma
bassa caduta sui
transistor ed elevata
tensione al carico
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Pilotaggio high-side
High-side con MOS
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Modalità di pilotaggio
Scelte possibili:
Utilizzo di transistor PMOS
Utilizzo di transistor NMOS
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High-side con MOS
High-side con PMOS
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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 VAL è compatibile
con VGS
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Svantaggi PMOS high-side
Occorre però considerare
che:
i PMOS sono lenti nella
commutazione rispetto ai
transistor NMOS
non esistono per correnti
elevate (RON relativamente
alta)
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Pilotaggio PMOS high-side
Una realizzazione
pratica del circuito
precedente è riportata
a fianco
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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)
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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
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High-side con MOS
High-side con NMOS
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
NMOS high-side
L’utilizzo di NMOS in high-side
soffre degli stessi problemi
dei BJT NPN:
Per la conduzione deve
essere VGS >VTH ma la
tensione di source non è fissa
Alta caduta di tensione sul
transistor e alta dissipazione
di potenza
In alternativa: VG >VAL
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NMOS high-side
È possibile portare la tensione
di gate a livelli maggiori di VAL
in due modi:
Ricavando VG 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
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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
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Pilotaggio NMOS con trasformatore
L’uso di un trasformatore pone
parecchie limitazioni:
Non è possibile applicare una
continua per lungo tempo
(saturazione del nucleo)
VGS è a valor medio nullo
Questa tecnica è approfondita
trattando l’isolamento
galvanico
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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
VGS desiderata (+12V
nello schema)
+12
3
2
1
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Pilotaggio NMOS con bootstrap
Quando T1 è in saturazione,
C si carica, attraverso il
diodo e il carico, ad una
tensione di circa 11V
Spegnendo T1 si porta in
conduzione T3, che a sua
volta accende il MOS
La tensione sul source sale,
ma la tensione tra le
armature di C rimane
inalterata
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+12
3
2
1
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Pilotaggio NMOS con bootstrap
Questo fa sì che la tensione
sul gate salga con quella
sul carico
+12
3
Quando il MOS è acceso, in
T3 non scorre corrente, così
l’accensione può durare
svariati secondi
2
1
Per spegnere il circuito si
attiva T1. Il gate si scarica
tramite T2
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Dimensionamento bootstrap
C deve essere molto più
grande della capacità
d’ingresso del MOS
+12
3
R determina sia la velocità
di accensione del circuito,
sia la dissipazione di
potenza con MOS spento
(T1 in saturazione)
Lo zener protegge il gate
da sovratensioni possibili
con carico capacitivo
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1
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Inconvenienti bootstrap
Il circuito presentato
non è adatto a
mantenere il MOS
acceso per un tempo
indefinito per
l’autoscarica di C
+12
3
2
T1 deve poter
sopportare VAL sul
collettore, T2 e T3
1
possono essere a
bassa tensione
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Pompa di carica
Un altro modo per
ottenere una tensione
maggiore di VAL è
tramite un circuito a
pompa di carica
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1
+
2
1
La pompa di carica
genera una tensione
più alta di VAL,
utilizzabile per
alimentare il circuito di
bootstrap
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
Pompa di carica
Con VQ bassa (0V ) C1 si carica a VAL – VD tramite D1
Se VQ si porta istantaneamente a Vpp , VC1 non
cambia e il nodo A si trova a tensione VAL – VD + Vpp
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1
2
1
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Pompa di carica
Il diodo D2 entra in conduzione e la carica di C1 si
ripartisce su C2
In assenza di carico, dopo alcuni cicli VC2 sarà
pari a Vpp – 2VD e VB di conseguenza sarà
VAL +Vpp – 2VD
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Elettronica di potenza
Pilotaggio high-side
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
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