Sursă de alimentare în comutație pentru echipamente de radionavigație

Sa se proiecteze o sursa de alimentare pentru avionica de radionavigatie, avand urmatoarele caracteristici:

Tipul sursei stabilizate: in comutatie (en: SMPS = Switched Mode Power Supply)

Gama tensiunilor de intrare: 16 - 40V

Randament: min 90% la sarcina maxima

Tensiunea stabilizata de iesire: 12V

Curentul maxim de iesire: 6 A

Riplul maxim la iesire: 30 mVpp

Frecventa de comutatie: 1MHz

Stabilizarea sarcinii (Load Regulation): 1%

Stabilizatoarele de tensiune cu funcţionare în comutaţie sunt larg răspândite în industrie datorită avantajelor acestora comparativ cu stabilizatoarele liniare de tensiune: randament ridicat obţinut prin funcţionarea în regim de comutaţie a dispozitivelor semiconductoare de putere, gabarit scăzut şi flexibilitate ridicată a valorii tensiunii medii de ieşire faţă de valoarea tensiunii continue de intrare. Aceste surse de tensiune se bazeaza pe folosirea unui convertor de tip DC-DC. Acesta are la intrare o plaja de valori in tensiune continua si la iesire o tensiune continua (stabilizata). De regula, tensiunea de iesire face parte din alta gama decat cele de intrare. Exista cateva feluri de convertoare DC-DC. Pentru a realiza sursa de alimentare din proiect vom folosi un convertor de tip step-down (cunoscut si sub denumirea de “step-down converter”), adica vom avea la intrare o plaja de tensiuni mai mari decat tensiunea de iesire.

Atunci cand tranzistorul se afla in regiunea activa, el va aplica tensiunea de intrare la capatul apropiat al bobinei. Curentul prin bobina are tendinta de creste iar dioda blocata datorita tensiunii negative ce cade pe ea. Cand tranzistorul este in regiunea de blocare, curentul prin bobina va continua sa curga insa dioda va fi cea care va inchide circuitul.

Tranzistorul si dioda trebuie privite ca doua comutatoare comandate in antifaza. In electronica de putere, aceste comutatoare sunt realizate cu ajutorul tranzistoarelor MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor).

Tranzistorul MOS este un dispozitiv electronic la care conductia curentului electric se produce la suprafata semiconductorului. Proprietatile conductive ale suprafetei semiconductorului sunt controlate de un câmp electric ce ia nastere ca urmare a aplicarii unei tensiuni pe electrodul poarta.

Când electrodul poarta este lasat in gol sau i se aplica o tensiune negativa (vGS < 0) in raport cu sursa, nu exista practic conductie intre sursa si drena, deoarece regiunile sursei si drenei, impreuna cu regiunea din substratul semiconductor cuprinsa intre aceste regiuni, formeaza doua jonctiuni pn+ legate in opozitie, astfel ca, indiferent de polaritatea tensiunii aplicate intre sursa si drena, una din jonctiuni va fi polarizata invers, blocând calea de conductie intre sursa si drena.

Când poarta este pozitivata (vGS > 0) fata de sursa si drena, in stratul de oxid de sub electrodul poarta ia nastere un câmp electric E (fig. 5) orientat dinspre metal (grila) spre semiconductor (substrat), câmp care respinge de la interfata golurile, marind concentratia electronilor minoritari. Peste o anumita valoare VP a tensiunii vGS, numita tensiune de prag, concentratia electronilor la interfata devine mai mare decât concentratia golurilor, adica s-a inversat tipul de conductibilitate. Stratul superficial de la interfata, in care, sub actiunea câmpului electric generat de tensiunea de grila, a fost inversat tipul de conductibilitate a semiconductorului (in cazul de fata de la plan) se numeste strat de inversie sau canal indus (aici, canal n). Formându-se stratul de inversie intre D si S, cu acelasi tip de conductibilitate ca si regiunile respective, se asigura conductia electrica intre drena si sursa.

Fig. 5 Tranzistorul MOS cu grila pozitivata in raport cu sursa

Aplicând atunci o tensiune vDS, prin circuitul de drena va trece un curent iD cu sensul corespunzator polaritatii lui vDS.

Daca dupa formarea canalului marim tensiunea vGS, conductanta canalului va creste, deoarece se mareste intensitatea câmpului electric E si un numar mai mare de electroni se acumuleaza in canal.

Prin urmare, conductanta canalului va fi comandata de catre vGS prin intermediul câmpului electric dintre grila si substrat. Cu alte cuvinte, curentul iD este controlat de tensiunea vGS când aceasta depaseste valoarea de prag VP. In jurul sursei, al drenei si al canalului apare o zona de sarcina spatiala.

Pentru un tranzistor MOS cu canal initial n caracteristica de transfer este reprezentata in figura 4.22.

Fig. 6 Caracteristica de transfer a unui tranzistor MOS cu canal initial n

Urmatoarea problema care trebuie rezolvata in schema initiala este controlul celor doua comutatoare de putere. Trebuie specificat ca producatorii de circuite integrate implementeaza unul dintre cele doua comutatoare (si anume “high side switch” – cel care este reprezentat ca tranzistor bipolar in schema actuala) de regula intr-un controler, facand mai usoara sarcina proiectantului. Dar acest lucru se intampla doar pentru tranzistoare MOSFET de putere mica. Pentru aplicatii precum cea din tema de proiect (unde sunt necesari curenti mai mari de 2,5-3A) nu se gasesc controlere cu switch-ul de sus integrat din cauza costurilor suplimentare pentru introducere de tranzistoare de putere in aceeasi capsula cu chip-ul. De aceea vom utiliza un PWM (Pulse width Modulation) cu functie de driver pentru cele doua comutatoare. In acest stadiul schema de principiu a convertorului DC-DC ar fi aceasta:

Se observa ca la iesirea intregului circuit se sintetizeaza o tensiune de referinta pentru controler, tensiune care inchide o bucla de reactie negativa ce controleaza ritmul de comutare al celor doua tranzistoare. Acesta este un parametru specific fiecarui integrat PWM (duty cicle), precizat de catre producator (D ia o valoare in intervalul (0,1)).