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ElapE1
23/11/2015
Ing. Informatica/Telecomunicazioni
ELETTRONICA APPLICATA
E MISURE
Sistemi elettronici
SENSORI
Dante DEL CORSO
Leonardo REYNERI
CONDIZIONAMENTO INGR.
CONVERSIONE AD
ELABORAZIONE
CONVERSIONE DA
CONDIZIONAMENTO OUT
Dispositivi di potenza
Limiti operativi
Analisi termica
Circuiti di comando
Problemi:
- gestire alte correnti (tensioni)
- dissipazione/temperatura
- ottenere buona efficienza
AA 2015-16
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Gruppo E: Gestione dell’energia
• Caratteristiche di componenti “di potenza”
• Dispositivi: modelli e parametri (da Sist e Tecn. ELN)
– Diodi raddrizzatori, Zener, Transistori: MOS, BJT, altri
• Come fornire energia a un sistema elettronico
• Limiti operativi
– Alimentatori
– Batterie primarie e secondarie (ricaricabili)
– V, I  Safe Operating Area
– Temperatura di giunzione  Analisi termica
• Esempi di circuiti di potenza
• Dispositivi BJT e MOS usati come interruttori
Stadi di uscita
Protezioni
Alimentatori e regolatori lineari
Regolatori a parzializzazione (commutazione)
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Lezione E1: circuiti di potenza
• Parti “di potenza” in un sistema elettronico
– Limiti di correnti/tensioni
– Problemi termici, Safe Operating Area (SOA)
–
–
–
–
• Riferimenti:
– M. Zamboni: Elettronica dei sistemi di interc. e acq.: cap. 6
– F. Maloberti: Understanding Microelectr…: - - ElapE1 - © 2015 DDC
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Dove occorre gestire potenza
• Alimentatore (fornisce energia quasi costante)
Altri moduli funzionali “di potenza”
• Conversione dell’energia
– Fornire energia ai vari moduli, partendo da
–
–
–
–
» Tensione di rete (220/110V, 50/60 Hz)
» Batterie, accumulatori, celle solari, …
– Tensione di uscita ben definita, al variare di
» Energia di ingresso (rete, stato batterie, …)
» Energia richiesta in uscita (corrente al carico)
» Temperatura e altri parametri ambientali
– Meccanica ↔ AC/DC: generatori e motori
– Altro: Celle solari , …
– Visti come “alimentatori variabili”
• Per tutti: alto rendimento/basse perdite
• Per entrambi: alto rendimento/basse perdite
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ACDC: “alimentatore” classico
DCDC: alimentazioni a batteria, alim. isolate, regolatori, …
DCAC: inverter (generare 220V da batterie)
ACAC: trasformatori
– Chimica ↔ DC: batterie, accumulatori
• Amplificatori/circuiti di potenza (energia variabile)
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ATTUATORI
SISTEMA DI
ALIMENTAZIONE
E1 – CIRCUITI DI POTENZA
»
»
»
»
CIRCUITI
DI
POTENZA
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Esempio 1: Conversione AC  DC
• Ogni giunzione ha una tensione di “breakdown”
• Raddrizzatore a una semionda
– VI è AC
– C per tensione
di uscita costante
(DC o quasi)
– VO è DC
con ondulazione
Diodi Zener
– Normalmente occore evitare di causare breakdown
(possibili danni permanenti a circuiti/dispositivi)
VI
VO
• Alcuni dispositivi sono progettati per lavorare in zona
di breakdown senza danni:
diodi ZENER
• Circuito base per
la conversione da
AC a DC
• Usati per
– Circuiti di protezione
– Regolatori di tensione (per basse potenze)
– Generare tensioni di riferimento (a basso costo)
– Lezione E2
(Alimentatori)
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Caratteristica i(v) di diodo Zener
• IZ e VZ hanno polarità invertita rispetto a Id e Vd
Circuito equivalente del diodo Zener
• VZ0:
– I diodi standard lavorano in polarizzazione diretta/inversa
» Il breakdown è una situazione di malfunzionamento
ID
– corrente minima per
uscire dalla zona
di ginocchio
I
Limite da
Pdmax
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Izmin
• Pdmax (o IZmax):
– Tensione di breakdown  VZ
– La tensione di uscita è pari a
VZ, anche in caso di variazioni
della tensione di ingresso V
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Diodo Zener: punto di funzionamento
• Caratteristica I(V) del
bipolo di sinistra (Vs + R)
Rs
+
Vsu
• Caratteristica I(V) dello Zener
• Punto di funzionamento
nell’intersezione
– V = Va
– Zener in breakdown:
piccole variazioni di V
al variare di I e Vsu
– Regolazione della V
• Per analisi dettagliata
– Tener conto della corrente
a riposo
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I
V
Dz
Vsu/Rs
• Tensione di uscita V:
• La resistenza R limita la
corrente nel diodo
V
Vzo
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Impiego del diodo Zener
• La tensione di breakdown inversa può essere usata
per generare un riferimento
stabile di tensione
VZO
Pendenza
ΔV/ΔI = RZ;
uso come
regolatore
– limitate dall’incremento
di temperatura
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V
• IZmin:
VZ
+
– ΔV/ΔI
(resistenza differenziale rz)
IZ
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RZ
• R Z:
– Gli Zener lavorano in polarizzazione inversa (breakdown)
vD
I
– VZ per I = 0 (modello lineare)
I
Va, Ia
Zona di
breakdown
V
Vsu
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Dispositivi bipolari (BJT) di potenza
• Relazione base per transistori bipolari:
Interruttore o amplificatore?
• Amplificatore
– Ic = β Ib
– Vce, Ic ≠ 0
– Regione attiva
• Parametri più significativi per applicazioni di potenza:
– Vcebr
– Icmax
–β
– Vcesat
tensione C-E di breakdown
massima corrente di collettore
guadagno di corrente
(basso per correnti alte)
tensione C-E in saturazione
• Interruttore ON
– Vce ≈ 0
– Saturazione
Ic
Ib
• Interruttore OFF
– Parametri termici
» Potenza massima (Pdmax)
» Resistenza termica (Rθ)
V be
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– Ic ≈ 0
– Interdizione
(Cutoff)
V ce
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Transistore BJT come interruttore
• Punti di funzionamento sulla retta di carico (load line)
Parametri critici in saturazione
• Funzionamento basato sui portatori minoritari
– Dinamica lenta, dipendenza dalla temperatura
• Elevata Vcesat (dipende da IC; circa 0.1  1 V)
• β diminuisce per correnti elevate
– Basso guadagno (5 … 20), inferiore per dispositivi alta V
RB
• Comportamento critico in prossimità della saturazione
– IC elevata, residua VCE  elevata potenza dissipata
• Criteri di progetto
– Garantire saturazione profonda
(elevata corrente IB, configurazioni Darlington, …)
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Modello per BJT in interdizione
• IB = 0  IC = 0
(caso ideale)
MOS-FET di potenza
• Dispositivi a bassa corrente
– Strutture planari
– IMAX e Vbreakdown
dipendono da
W e L del canale
• Corrente di perdita della giunzione BC: ICB0
– Se la Base è aperta, Icbo rientra come IB  ICE0 = β ICB0
• Iceo causa dissipazione
– Incremento di temperatura  maggiore corrente di perdita
 ulteriore incremento T  …  Thermal runaway
• Dispositivi ad alta corrente
– Strutture verticali
– Vbreakdown legata
a drogaggio e spessore
dello strato N (verticale)
– Imax funzione di W e L
– Struttura verticale:
adatta per elevate V e I
• Dispositivi multipli, con ripartizione di corrente
• Rimuovere ICB0 dalla Base
– Resistenza verso massa
– Polarizzazione inversa giunzione BE (senza breakdown!)
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Componenti parassiti nei MOS-FET
MOS-FET: caratteristiche di uscita
• La struttura verticale crea una giunzione pn tra body
(S) e substrato (D)
• La corrente può
sempre scorrere
da S a D
S
G
• Il MOS di potenza
è un interruttore
a 1-quadrante
• Interruttore ON
• Interruttore OFF
D
• Amplificatore
– 1-quad.  unica polarità di V e I
– Interruttori a 4-quadranti richiedono almeno due MOS
– La struttura verticale crea anche un BJT parassita
(non indicato)
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– Saturazione nei
MOS ha diverso
significato
(nel BJT è detta “regione attiva”)
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Parametri di MOS in commutazione
• ON:
Confronto MOS-FET / BJT
• Il MOS-FET usa portatori maggioritari
– Resistenza equivalente Ron
– Elevata velocità di commutazione
– Ridotta dipendenza dalla temperatura
• OFF:
• Il MOS-FET richiede circuiti di pilotaggio più semplici
– Corrente di perdita Ioff
– No corrente DC nel Gate  carica di capacità Gate-body
– Commutazione rapida  pilotaggio di carico capacitivo
• Parametri dinamici
• Stato ON
– Capacità GS
– Capacità DS
– Capacità parassite verso il substrato
– Modello per BJT : tensione VCEsat (+RON)
– Modello per MOS : RON
• Stato OFF
– Modello per entrambi : corrente di perdita (leakage)
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Dispositivi a quattro strati (4-layer)
• Esistono dispositivi particolari progettati per lavorare
solo in commutazione:
SCR nei circuiti digitali CMOS
• Integrati CMOS: struttura SCR intrinseca
– Può entrare un conduzione (latch up) per:
– Struttura fisica particolare (pnpn: 4-strati o più)
– Usabili come interruttori (non per amplificatori lineari)
» Tensioni di ingresso esterne
all’intervallo GND-Vcc
» Particelle ad alta energia
(applicazioni spaziali)
• Esempi:
– Silicon Controlled Rectifier (SCR), Tyristori, …
– TRIAC/DIAC
• Un SCR parassita è presente negli ingressi CMOS
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S
n+
– Se ON, la corrente elevata può danneggiare il dispositivo
– Richiede precauzioni di progetto
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nMOSFET
pMOSFET
VDD
G
p+
D
D
p+
n+
G
S
n+
T1
p-well
VSS
p+
T2
n-substrate
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Lezione E1: circuiti di potenza
• Dispositivi: modelli e parametri (richiami)
Limiti operativi
• Tensione di Breakdown
– Con tensioni troppo alte vengono perforati gli isolamenti
• Limiti operativi
• Corrente massima
• Dispositivi BJT e MOS di potenza
– Se I è troppo alta, fili o piste possono fondere
• Limiti operativi
• Potenza massima
– Safe Operating Area
– Dissipazione di potenza
– Modelli termici
– La potenza dissipata determina incremento di temperatura
• Temperatura massima
– Silicio e metallo possono fondere, modificando i drogaggi
• Interruttori con BJT
• Applicazioni speciali
• Interruttori con MOS-FET
– Resistenza alle radiazioni (spazio), vibrazioni, ….
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Safe Operating Area
Safe Operating Area (BJT)
• Ogni dispositivo elettronico ha limiti di tensione,
corrente, potenza gestibile
Corrente limite
• La regione di V, I, P accettabili è detta
Safe Operating Area (SOA), definita da limiti di
Potenza (V x I) limite
Flusso I non uniforme;
elevata dissipazione locale
– Potenza (V x I > PdMAX)
» Potenza eccessiva determina innalzamento di temperatura
» Breakdown secondario: riscaldamento locale e deriva termica
Tensione
limite
(breakdown)
Active & Safe
Operating Area (SOA)
– Tensione (V < VBRK)
» Tensione eccessiva causa breakdown della giunzione
– Corrente (I < IMAX)
» Corrente eccessiva causa riscaldamento dei conduttori
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Potenza dissipata
• Un dispositivo elettrico dissipa una potenza Pd = V I
Derating della potenza
• Il fabbricante specifica
– La potenza dissipata causa aumento di temperatura
– Ogni dispositivo ha limiti in temperatura  limiti di potenza
• Dissipazione modellata da circuito equivalente termico
– Potenza
– Temperatura
– Conduzione del calore
 corrente
 tensione ai nodi
 resistenza termica θr (°C/W)
• Diodi/MOS/BJT  dissipazione alle giunzioni
– Il calore deve essere portato fuori del dispositivo, attraverso
» Giunzione-contenitore – parametri forniti dal fabbricante
» Contenitore-ambiente – controllati dal progettista (dissipatore)
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– Massima potenza dissipabile: PDmax
– Massima temperatura di giunzione: TjMAX
• La dissipazione determina incremento di temperatura
• La potenza dissipabile
diminuisce al crescere
della temperatura
ambiente (Ta)
• Se TA = TjMAX
 PD = 0
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Modello termico
• Il comportamento termico viene modellato con una
rete elettrica
Rθ dalla giunzione all’ambiente
• “percorso termico” dalla giunzione all’ambiente:
– Giunzione  Case: θJC
– Potenza
PD  generatore di corrente
– Temperatura
T
 tensione
– Conduzione del calore
 resistenza termica θ (°C/W)
» Resistenza termica
legata al contenitore
Giunzione
– Case  dissipatore: θCS
• Rete elettrica
equivalente
Case
» Bloccaggio
Case/dissipatore
– Dissipatore  ambiente: θSA
• Tj – TA = PD θJA
» Dissipatore e condizioni
operative (ventilazione)
• Tjmax = TA + PDmax θJA
– Dispositivi in silicio:
Tjmax = 150 °C
Dissipatore
• Il progettista può intervenire su θCS e θSA
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Ambiente
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Esempio: specifiche termiche
Lezione E1: circuiti di potenza
• Dal datasheet TIP30 (transistore di potenza)
• Dispositivi: modelli e parametri (richiami)
• Limiti operativi
• Dispositivi BJT e MOS di potenza
• Limiti operativi
• Uso di dispositivi BJT e MOS come interruttori
– Parametri nello stato ON
– Parametri nello stato OFF
– Circuti di comando
• Esempio: calcolare temp. di giunzione per Pd = 0,8 W
– ΔTj = PD RθJA = 62,5 x 0,8 = 50°C
– Tj = Ta + ΔTj = 75°C
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Pilotaggio di SW da circuiti logici
• Parametri elettrici del circuito logico pilota
Potenza dissipata
• Condizioni ON o OFF  potenza nulla (minima)
– (Pd = V x I; V oppure I sono prossimi a 0)
• Parametri del carico
–
–
–
–
• Stati intermedi (regione attiva)
Tipo: R, L, C, I, V
V e I richiesti
Tempi di transizione (sovratensione, EMI, …)
Richieste particolari (isolamento galvanico, …)
–
–
–
–
• Parametri del dispositivo di potenza
–
–
–
–
• Pd max durante i transitori  commutazione rapida!
V, I, Pmax; SOA
Configurazione: High/Low side, fluttuante
Parametri dei dispositivi attivi (guadagno, Vt, …)
Comportamento dinamico
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Attraversata nei transitori
V e I sono ≠ 0
Potenza dissipata Pd = V x I
Pd massima per Vce = Val/2 (derivare Pd per trovare max)
– Commutazioni veloci  disturbi elevati (EMI)
– Valutare compromesso potenza/EMI
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Pilotaggio low-side di SW BJT
MOS-FET come interruttori
VS
• Con BJT npn
– Emettitore a massa
– Carico sul Collettore
– Comando alla Base (prossima a GND)
• OFF:
RL L
– Vgs < Vt
Id=0
(interdizione)
IC
IB
• ON
• Stato ON
– Vgs > Vt
Id=Vds/Rd
(regione a triodo)
– Icon = Vs/Rl
– Fornire sufficiente corrente di Base: Ib > Icon/β
• Stato OFF
• Rd dipende da
– Corrente di base nulla: Vbe sotto soglia o inversa
– Evitare breakdown inverso della giunzone BE (5 V circa)
– Evitare fuga termica per moltiplicazione della Icbo
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– Vgs, Vds,
Temperatura, …..
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Pilotaggio low-side di SW MOS
Pilotaggio SW MOS da circuiti logici
• Carico collegato a VS, interruttore verso massa
• Con dispositivi n-MOS
–
–
–
–
Source a GND, carico su Drain
Comando al Gate (prossimo a GND)
ON: VGS > VT; OFF: VGS < VT
Comandabile da logiche standard
• Con dispositivi p-MOS
• Se VT < VH  pilotaggio diretto
– OK per MOS di potenza medio-bassa
VS
• I MOS di potenza hanno elevata capacità di Gate
RL L
– Transizioni rapide per limitare la dissipazione
– Elevata corrente (dinamica) per carica veloce di Cgate
– Richiede circuiti di pilotaggio particolari
ID
VGS
• L’induttanza parassita di Gate e il condensatore
formano un risonatore LC con elevato Q
– Usabile se VS negativo
– Tensione di controllo riferita a VS
– Può richiedere livelli non standard
 necessario un traslatore di livello
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– Può determinare sovratensioni sul Gate
– Necessaria resistenza di smorzamento (damping)
collocata in prossimità del Gate
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Pilotaggio di SW MOS fluttuanti
Carico fluttuante – ponte a H
• Usato per Sample/hold o carichi fluttuanti (floating)
• Carico fluttuante: ponte a H con comandi
complementari sui due lati
– D e S sono a tensioni variabili;  come imporre VGS?
• Permette di invertire V e I sul carico
• VGS ottenuta come caduta di tensione su un
resistore fluttuante
• 2 x Valim, 4 x potenza
• Necessati due comandi
– Active/OFF
– Direction
• Pilotaggio con trasformatore
• Nessun consumo quando il carico è OFF
• Usato anche per amplificatori (no DC a riposo)
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Protezioni da sovratensioni
Lezione E1: verifica conclusiva
• Descrivere la caratteristica I(V) dei diodi Zener.
• I carichi induttivi possono generare sovratensioni
significative all’apertura
• Come possiamo garantire che un BJT si porti nello stato ON?
– Prevedere un percorso per lL nel passaggio ON OFF
– Limitare la tensione su Collettore/Drain
• Diodo di clamp (Catch)
– Fornisce un percorso a bassa
impedenza per l’energia
accumulata nell’induttanza
• Elencare i parametri più significative dei transistori MOS e BJT
usati come interruttori.
• Quali paramteri definiscono i limiti della SOA per i MOS di
potenza?
SW
ILON
• Traciare un circuito che permetta di pilotare un interruttore
MOS fluttuante con un segnale logico.
I’LON
• Tracciare la caratteristica di uscita V(I) di dispositivi di potenza
MOS o BJT, e identificare le diverse zone operative.
» SW chiuso: corrente = 0
SW aperto: la corrente I’LON
“accumulata” in L può circolare attraverso il diodo
• Quali parametri definiscono i limiti della “Safe Operating Area”
(SOA)?
– Nei MOS di potenza diodo è già presente, ma …
• Come potremmo misurare la temperatura effettiva delle
giunzioni di un dispositivo bipolare di potenza?
» Può dissipare energia limitata
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