Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Interruttori allo stato solido
1
Pilotaggio low-side
Questa parte tratta le problematiche del
pilotaggio low-side di carichi di potenza:
Pilotaggio low-side con MOS
Pilotaggio low-side con BJT
Velocità di commutazione MOS
Velocità di commutazione BJT
2
©2003 Politecnico di Torino
1
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio low-side
3
Low side con MOS
Caso più semplice:
NMOS su uscita della porta
Il MOS deve avere
tensione di soglia più bassa
della VOH della porta
Connessione diretta
possibile con porte CMOS
alimentate a 5V
4
©2003 Politecnico di Torino
2
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Low side con MOS
Nel caso di porta TTL
(VOH = 2,7V ) occorre una
resistenza di pull-up per
portare la VOH a circa 5V
Utilizzando un MOS non si
hanno limiti sostanziali alla
massima tensione e
corrente commutabile
(basta trovare
il MOS adatto!)
5
Pilotaggio MOS
L’induttanza dei
collegamenti tra porta
e gate del MOS,
associata alla capacità
di gate, forma un
circuito risonante
6
©2003 Politecnico di Torino
3
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio gate
All’accensione del MOS possono innescarsi
oscillazioni che possono creare problemi per due
motivi:
Tensione impulsiva su gate di ampiezza doppia
rispetto all’eccitazione: distruzione del gate per
perforazione dell’ossido
Transitori multipli di accensione/spegnimento che
aumentano la dissipazione di potenza
7
Resistenza di gate
Soluzione: inserire
resistenza in serie al
gate per abbassare Q
del circuito risonante
La resistenza rallenta
la commutazione:
occorre valore di
compromesso
Di solito RG è intorno
a 10-20Ω
8
©2003 Politecnico di Torino
4
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio low-side
9
BJT: stadio singolo
Come elemento attivo si
può usare anche un BJT
10
©2003 Politecnico di Torino
5
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
BJT: stadio singolo
Come elemento attivo si
può usare anche un BJT
La corrente di base deve
essere fornita dalla porta e
deve essere inferiore a IOH
11
BJT: stadio singolo
Come elemento attivo si
può usare anche un BJT
La corrente di base deve
essere fornita dalla porta e
deve essere inferiore a IOH
IB =(VOH -VBEsat)/RB
12
©2003 Politecnico di Torino
6
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
BJT: stadio singolo
Come elemento attivo si
può usare anche un BJT
La corrente di base deve
essere fornita dalla porta e
deve essere inferiore a IOH
IB =(VOH -VBEsat)/RB
IB deve essere in grado di
saturare il transistor
13
BJT: stadio singolo
Come elemento attivo si
può usare anche un BJT
La corrente di base deve
essere fornita dalla porta e
deve essere inferiore a IOH
IB =(VOH -VBEsat)/RB
IB deve essere in grado di
saturare il transistor
Poco adatto con porte TTL
con IOH <<IOL
14
©2003 Politecnico di Torino
7
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio low-side con BJT
Pilotaggio da porta open collector
15
BJT e Open Collector
Utilizzando porte open
collector si può adottare
lo schema a fianco
16
©2003 Politecnico di Torino
8
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
BJT e Open Collector
Utilizzando porte open
collector si può adottare
lo schema a fianco
RPU può essere
dimensionata per far
scorrere IOL con uscita a
0: IO =(VLG –VOL )/RPU
17
BJT e Open Collector
Utilizzando porte open
collector si può adottare
lo schema a fianco
RPU può essere
dimensionata per far
scorrere IOL con uscita a
0: IO =(VLG –VOL )/RPU
Con uscita alta:
IB =(VLG -VBEsat)/RPU
18
©2003 Politecnico di Torino
9
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
BJT e Open Collector
Utilizzando porte open
collector si può adottare
lo schema a fianco
RPU può essere
dimensionata per far
scorrere IOL con uscita a
0: IO =(VLG –VOL )/RPU
Con uscita alta:
IB =(VLG -VBEsat)/RPU
In uscita dalla porta
non si ha livello logico
valido
19
Pilotaggio di carichi a tensione negativa
Il circuito dello schema
a fianco permette di
pilotare carichi
alimentati a tensione
negativa con corrente
pari a:
IL =IOH β1
Il valore di R è:
R =
VOH −V BE 1 −V EB 2
I OH (β1 min + 1)
20
©2003 Politecnico di Torino
10
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio low-side con BJT
Stadio Darlington
21
Darlington
L’uso di transistor bipolari come amplificatori
pone un limite alla massima corrente nel carico:
Il guadagno di corrente di un transistor è limitato
22
©2003 Politecnico di Torino
11
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Darlington
L’uso di transistor bipolari come amplificatori
pone un limite alla massima corrente nel carico:
Il guadagno di corrente di un transistor è limitato
Un aumento della corrente commutabile può
essere ottenuto con due transistor in
configurazione Darlington o derivate (guadagno
di corrente=prodotto dei guadagni)
23
Darlington
L’uso di transistor bipolari come amplificatori
pone un limite alla massima corrente nel carico:
Il guadagno di corrente di un transistor è limitato
Un aumento della corrente commutabile può
essere ottenuto con due transistor in
configurazione Darlington o derivate (guadagno
di corrente=prodotto dei guadagni)
Sono disponibili coppie Darlington integrate con
guadagno di qualche migliaio e correnti di decine
d’ampere
24
©2003 Politecnico di Torino
12
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Darlington: configurazione base
La configurazione base
è riportata a fianco e si
trova in forma integrata
25
Darlington: configurazione base
La configurazione base
è riportata a fianco e si
trova in forma integrata
RE serve ad accelerare
lo spegnimento di T2
26
©2003 Politecnico di Torino
13
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Darlington: configurazione base
La configurazione base
è riportata a fianco e si
trova in forma integrata
RE serve ad accelerare
lo spegnimento di T2
T2 non satura:
Buona velocità di
commutazione
Elevata VCE in
conduzione piena!
27
Darlington: configurazione alternativa
Qualora servisse
ridurre la VCE si può
usare questa
configurazione
T2 satura
T1 non satura:
Bassa VCE2
Minore efficienza della
configurazione base,
perché IC1 non scorre
nel carico
©2003 Politecnico di Torino
28
14
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Amplificatori a tre transistor
Se il guadagno di corrente è ancora troppo
basso, occorre aggiungere un ulteriore stadio
Le cadute di tensione sulle giunzioni BE dei
transistor si sommano: con tre transistor la
tensione risultante può essere troppo alta per
garantire la commutazione
Si utilizzano configurazioni miste di NPN e PNP
29
Darlington a tre transistor
In questa versione, il
livello alto dell’uscita
provoca la saturazione
di T1 e T2 e la
conduzione di T3 , che
non satura
30
©2003 Politecnico di Torino
15
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Darlington a tre transistor
In questa versione, il
livello alto dell’uscita
provoca la saturazione
di T1 e T2 e la
conduzione di T3 , che
non satura
Questa configurazione
ha caratteristiche simili
alla prima vista con
due transistor:
Alta efficienza
Elevata caduta di
tensione su T3
31
Alternativa a tre transistor
Se si desidera bassa
caduta su T3 , è
possibile questa
struttura, a costo di
minore efficienza:
Solo la corrente di
collettore di T3 passa
nel carico
2
1
3
32
©2003 Politecnico di Torino
16
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Alternativa a tre transistor
Se si desidera bassa
caduta su T3 , è
possibile questa
struttura, a costo di
minore efficienza:
Solo la corrente di
collettore di T3 passa
nel carico
Si può dimensionare RB
considerando il livello
basso:
2
1
in RB può scorrere una
corrente fino a β1MINIOL
3
33
Pilotaggio low-side
Velocità di commutazione MOS
34
©2003 Politecnico di Torino
17
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Commutazione dei MOS
Nel caso di interruttore a MOS, la velocità di
commutazione dipende da quanto rapidamente il
circuito di pilotaggio riesce a caricare la capacità
di gate. Sono possibili velocità di decine di ns
La carica tipica da fornire al gate per un MOS di
media potenza è dell’ordine di 50nC : per
commutarlo in 50ns, supponendo di lavorare a
corrente costante, si ha:
IG =50nC /50ns =1A
35
MOS driver
Se la velocità di commutazione richiesta non è
compatibile con le caratteristiche della porta
logica utilizzata, la soluzione più semplice è
l’utilizzo di un MOS driver:
Ingresso TTL compatibile
Alimentazione: 12V
Uscita:
Gradino di tensione di 10V
Corrente di 1A o più in pochi ns
36
©2003 Politecnico di Torino
18
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
MOS driver: avvertenze
I MOS driver
consumano elevata
corrente impulsiva
È sempre necessario
porre sull’alimentazione
il più vicino possibile un
condensatore che
fornisca la carica di
commutazione
37
Driver discreti
Se non occorre
aumentare la tensione
ma solo la corrente, è
possibile utilizzare uno
stadio a collettore
comune come driver
È sempre necessario il
condensatore
sull’alimentazione
38
©2003 Politecnico di Torino
19
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Pilotaggio low-side
Velocità di commutazione BJT
39
Commutazione dei BJT
Gli interruttori basati su BJT
sono lenti in fase di
spegnimento:
quando la porta passa a VOL,
la corrente per svuotare la
base è un ordine di grandezza
più bassa di quella di
saturazione:
IOFF =(VBE –VOL )/RB
ISAT =(VOH –VBE )/RB
40
©2003 Politecnico di Torino
20
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Partitore di base
Un miglioramento si può
ottenere aggiungendo una
resistenza R2 che aumenta la
corrente di base in fase di
spegnimento
Non tutta la IOH però
contribuisce alla corrente di
base del transistor
IOFF =(VBE –VOL )/RB + VBE /R2
ISAT =(VOH –VBE )/RB - VBE /R2
41
Condensatore di accelerazione
Altra tecnica consiste
nell’applicare un condensatore
in parallelo a RB per diminuire
l’impedenza del driver durante
la commutazione
Il valore di CB deve essere
commisurato al salto di
tensione del driver ed alla
carica in eccesso presente
Questa tecnica non sempre è
applicabile
©2003 Politecnico di Torino
42
21
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Altre tecniche
Esistono altre tecniche per velocizzare lo
spegnimento dei BJT, che consistono nel limitare
o nell’evitare la saturazione del dispositivo
Ad esempio è possibile usare un diodo Schottky
tra base e collettore del transistor che evita la
saturazione
43
Rallentamento della commutazione
Ci sono situazioni in cui occorre rallentare la
commutazione:
Carichi capacitivi (alte correnti di accensione)
Grossi carichi che comporterebbero elevata di/dt o
abbassamento della tensione di alimentazione per
caduta su componente induttiva della linea
Limitazione dei disturbi EMC generati durante la
commutazione
44
©2003 Politecnico di Torino
22
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Limitazione della corrente di gate
Una tecnica utile a limitare la velocità di
commutazione nel caso di interruttore a MOS è la
limitazione della corrente di gate
(es. resistenza in serie di valore opportuno)
45
Soft start
Quando il carico è “lento”, cioè è sensibile al solo
valor medio della corrente, una tecnica utilizzata
è denominata “soft start”
Consiste nell’accendere il carico pilotando
l’interruttore con un’onda quadra a duty-cycle
variabile (passa da 0 a 1 in n cicli)
Le componenti alternate della corrente nel carico
vengono filtrate da un apposito filtro LC
46
©2003 Politecnico di Torino
23
Elettronica di potenza
Pilotaggio low-side
Soft start: circuito e fdo
Spesso è sufficiente utilizzare il condensatore C1
che fornisce la componente AC della corrente
Per un migliore filtraggio è possibile inserire un
filtro LC (L2 - C1 - C2)
47
©2003 Politecnico di Torino
24
