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Alimentatore a commutazione (step-up) per iltrasmettitore del satellite Atmocube

David Pescatori

David Pescatori Alimentatore a commutazione (step-up) per il trasmettitore del satellite Atmocube1 / 20

Requisiti e obbiettivi

Il circuito ha lo scopo di alimentare lo stadio �nale di potenza del

trasmettitore del satellite Atmocube

Tensione di ingresso 3.7 V

Tensione di uscita da 5.7 V a 6.3 V

Corrente di uscita da 1 A a 2 A

Obbiettivo della tesi

Studiare il funzionamento di un alimentatore a commutazione di tipo

step-up

Prototipo 1: Convertitore senza circuito reazione

Prototipo 2: Convertitore con circuito di reazione

Prototipo 3: Convertitore con circuito di reazione compensato

Prototipo 4: Convertitore con circuito integrato


Convertitore DC/DC Step-Up

Vin

L

S1

S2

C R

Con�gurazione 1 (durata ton)L

C R Vout

Vin

VL

Iout

Iin

Con�gurazione 2 (durata to� )L

C R Vout

Vin

VL

IoutIin

Vout = Vin + VL > Vin


Relazione tra ingresso e uscita

1

T

∫ T

0

VLdt = 0

Vout =Vin1−D

Iout = (1− D) · Iin

Osservazioni:

Per D=0 non c'è conversione

Il prodotto VinIin = Vout Iout


Interuttori S1 e S2

S1 - MOSFET

S2 - Diodo Schottky


Componenti reali

Durante lo studio sono stati considerati:

Resistenza serie dell'induttanza RL

Resistenza serie del condensatore RC

Tensione di conduzione del diodo VD

Resistenza tra Drain e Source del MOSFET RDS

D

Vout/VinCaso ideale

Caso reale

(1− D)1e2 =Vin + Iout · RDS ±

√(−Vin − Iout · RDS)2 − 4(Vout + VD) · Iout(RL + RDS)

2(Vout + VD)


Rendimento

E =Pout

Pin

=Pout∑

Pperdite + Pout

Per∑

Pperdite = 0 si ha che E = 1

Le perdite sono dovute a

Dissipazione delle resistenze RL e RC

Dissipazione durante la conduzione del MOSFET

Dissipazione durante la commutazione del MOSFET


Prototipo 1: Simulazione

Transitorio della tensione di uscita

Risultato della simulazione

Non considerando le perdite il valore �nale è 5.45 V

Considerando le perdite il valore �nale è 6.26 V


Prototipo 1: Misure

I risultati delle misure sono concordi con la teoria e la simulazione

Utilizzando condensatori ceramici il ripple in uscita diminuisce

Lo spettro della tensione di uscita Vout contiene componenti

indesiderate generate dalla commutazione del MOSFET

Variando la tensione di ingresso varia la tensione di uscita


Funzione di trasferimento del convertitore

Variabili di stato (Vout , Vin, IL, VC , D)

Equazioni di stato

Perturbazioni sulle variabili di stato (Es. Vout + ˆVout)

Trasformata di Laplace

La funzione di trasferimento contiene:

Doppio polo

Zero con parte reale positiva


Prototipo 2

L

M

RCRgate

D

R2

R1Vrif

Vin

R3

R4

Vrampa

H(S)

Controllore

G(S)


Prototipo 2: Simulazione e misure

Simulazione

Variando la tensione di ingresso, la tensione di uscita è

5.36 V con il prototipo 1

5.9 V con il prototipo 2

Misure

Rendimento (per diversi valori del carico e della tensione di ingresso)

Massimo 89.5%

Minimo 81.8 %

All'aumentare del guadagno dell'ampli�catore di errore migliora la

regolazione

Se il carico o la tensione di ingresso variano in modo repentino la

regolazione della tensione di uscita non è soddisfacente.


Prototipo 3: Poli e zeri di compensazione

Vrif

R2 C1

C2

R1

R3

Vout

R1

Verr

C3

Compensare il doppio polo

Garantire la condizione fcross ≤ fsw6

Cambiare il valore di L


Prototipo 3: Tensione di uscita

Simulazione al transitorio della tensione di uscita


Prototipo 3: Simulazione e misure

Simulazione

La tensione di uscita è 6.02 V

La regolazione della tensione di uscita è migliore per variazioni di tipo

repentino

Le misure confermano i risultati della simulazione


Prototipo 4

LC1

Vin

DC2

Vout

C3

R1

R2

R3C4

C5

Vin

GND

VFB

ITH

SW

NGate

RUN/SS

IPRG

LTC 3875

I risultati della simulazione e delle misure sono molto simili ai risultati

ottenuti con il convertitore con il circuito di reazione compensato.


Prototipo 4

Transitorio della tensione di uscita


Confronto

Convertitore con circuito di reazione compensato

Valore �nale: 6.02 V

Valore massimo raggiunto all'accensione: 6.29 V

Raggiunge il valore �nale in 0.6 ms

Convertitore con circuito integrato

Valore �nale: 5.99 V

Valore massimo raggiunto all'accensione: 6.08 V

Raggiunge il valore �nale in 2 ms


Considerazioni �nali

Circuito senza reazione

Circuito con reazione

Convertitore con circuito di reazione compensato

Convertitore con circuito integrato

Risultati raggiunti con il prototipo 3

Rendimento tra il 89.5% e 81.8%

Miglioramento sulla regolazione della tensione di uscita

Transitori all'accensione piú contenuti

Funzionamento paragonabile al convertitore con circuito integrato


Grazie per l'attenzione


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