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Elettronica di potenza Pilotaggio low-side

©2003 Politecnico di Torino 1

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Interruttori allo stato solido

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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



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Pilotaggio low-side

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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



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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!)

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Pilotaggio MOS

L’induttanza dei collegamenti tra porta e gate del MOS, associata alla capacitàdi gate, forma un circuito risonante



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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

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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



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Pilotaggio low-side

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BJT: stadio singolo

Come elemento attivo si può usare anche un BJT



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BJT: stadio singolo


La corrente di base deve essere fornita dalla porta e deve essere inferiore a IOH

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BJT: stadio singolo



IB =(VOH -VBEsat)/RB



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BJT: stadio singolo




IB deve essere in grado di saturare il transistor

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BJT: stadio singolo




IB deve essere in grado di saturare il transistor

Poco adatto con porte TTL con IOH <<IOL



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Pilotaggio da porta open collector

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BJT e Open Collector

Utilizzando porte open collector si può adottare lo schema a fianco



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RPU può essere dimensionata per far scorrere IOL con uscita a 0: IO =(VLG –VOL )/RPU

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Con uscita alta:

IB =(VLG -VBEsat)/RPU



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Con uscita alta:

IB =(VLG -VBEsat)/RPU

In uscita dalla porta non si ha livello logico valido

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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:

( )1min1

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+−−

=βOH

EBBEOH

IVVVR



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Stadio Darlington

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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



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Darlington



Un aumento della corrente commutabile può essere ottenuto con due transistor in configurazione Darlington o derivate (guadagno di corrente=prodotto dei guadagni)

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Darlington



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



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Darlington: configurazione base

La configurazione base è riportata a fianco e si trova in forma integrata

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RE serve ad accelerare lo spegnimento di T2



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RE serve ad accelerare lo spegnimento di T2

T2 non satura:

Buona velocità di commutazione

Elevata VCE in conduzione piena!

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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



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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

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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



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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

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Alternativa a tre transistor

Se si desidera bassa caduta su T3 , èpossibile questa struttura, a costo di minore efficienza:

Solo la corrente di collettore di T3 passa nel carico 2

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Alternativa a tre transistor

Se si desidera bassa caduta su T3 , èpossibile questa struttura, a costo di minore efficienza:

Solo la corrente di collettore di T3 passa nel carico

Si può dimensionare RBconsiderando il livello basso:

in RB può scorrere una corrente fino a β1MINIOL

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Pilotaggio low-side

Velocità di commutazione MOS



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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 capacitàdi 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

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MOS driver

Se la velocità di commutazione richiesta non ècompatibile con le caratteristiche della porta logica utilizzata, la soluzione più semplice èl’utilizzo di un MOS driver:

Ingresso TTL compatibile

Alimentazione: 12V

Uscita: Gradino di tensione di 10VCorrente di 1A o più in pochi ns



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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

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Driver discreti

Se non occorre aumentare la tensione ma solo la corrente, èpossibile utilizzare uno stadio a collettore comune come driver

È sempre necessario il condensatore sull’alimentazione



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Pilotaggio low-side

Velocità di commutazione BJT

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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



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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

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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 èapplicabile



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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 Schottkytra base e collettore del transistor che evita la saturazione

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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



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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)

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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-cyclevariabile (passa da 0 a 1 in n cicli)

Le componenti alternate della corrente nel carico vengono filtrate da un apposito filtro LC



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Soft start: circuito e fdo

Spesso è sufficiente utilizzare il condensatore C1che fornisce la componente AC della correntePer un migliore filtraggio è possibile inserire un filtro LC (L2 - C1 - C2)

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