[CDEY] Configurazione mosfet - Progetto di un carico attivo

[brabus]

Azz! Memoria ballerina...

Guarda... tutto dipende dal disegno dello stadio di potenza.

Per fare una cosa fatta bene, misuriamo la temperatura del case dei mosfet a progetto funzionante. E' difficile fare una buona stima a priori, tutto dipende dall'efficacia del radiatore e dalla ventola.

Curiosamente, hai visto che anche Agilent usa la stessa tecnica della quale ti avevo parlato prima, con i radiatori montati "di schiena"?

Facciamo dissipare al/ai mosfet una potenza nota a priori, e teniamo d'occhio le temperature. Se possiamo salire, saliamo. Io rimarrei sui 100 °C massimi di giunzione, possiamo effettuare una stima misurando la temperatura del case, nota la potenza dissipata.

Direi che, se abbiamo l'accordo sui part number, abbiamo tutti i "numeri" per fare due calcoli. Qua serve tempo, io intanto io prendo carta e matita (e Matlab).

[stefanob70]

Qua serve tempo, io intanto io prendo carta e matita (e Matlab).

Vedo che anche tu non scherzi come entusiasmo e tenacia....

[brabus]

Ciao ragazzi,

Ecco il dimensionamento completo del carico attivo (work in progress...), condotto partendo dallo schema della figura seguente:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Il dimensionamento parte con lo studio dello stadio di misura di corrente, che riportiamo nella figura seguente:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Considerazioni sulla resistenza di shunt.

La resistenza di shunt è il componente che, banalmente, trasduce la corrente assorbita dal carico in una tensione. Il prezzo da pagare è costituito dal riscaldamento della resistenza stessa, che può pregiudicarne il valore resistivo. È dunque fondamentale scegliere una resistenza a basso coefficiente termico (tempco). Ne parleremo in sede di selezione del part number.
La potenza dissipata dallo shunt è banalmente calcolabile come
Supponendo di dimensionare il carico per assorbire una corrente massima di 10A, verifichiamo quanto vale la dissipazione di potenza in funzione del valore resistivo scelto:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Scelta di progetto: scegliamo di impiegare una resistenza di shunt da 50 mΩ.

Considerazioni sullo stadio amplificatore IC1.

Lo stadio differenziale realizzato da IC1 assolve due ruoli:
- Amplifica la tensione prelevata ai capi della resistenza di shunt
- Realizza una misurazione a quattro fili, col vantaggio di escludere la resistenza parassita dei collegamenti.

Cerchiamo di capire quanto guadagno dobbiamo richiedere a questo stadio, e quanto varrà giocoforza la sua banda passante.
Seguendo le considerazioni effettuate nel dimensionamento del carico attivo presentato nel relativo articolo, in particolare alla sezione 3.1, disponiamo di tutti i mezzi necessari al calcolo del guadagno e della banda.

Scelta di progetto: Scegliamo di voler disporre all'uscita dello stadio di un segnale di tensione equivalente a 1 V/A. In questo modo potremo misurare la corrente assorbita dal carico semplicemente leggendo la tensione al nodo d'uscita: la lettura in volt corrisponderà direttamente alla scala di corrente in ampére.

Calcoliamo dunque in maniera immediata il guadagno dello stadio:

La banda dello stadio si ottiene considerando il GBW dell'amplificatore operazionale impiegato e il guadagno teorico dello stadio. Sempre in riferimento alle equazioni della sezione 3.1 del dimensionamento del carico attivo, possiamo ricavare l'espressione della banda passante dello stadio:



Sfruttiamo un tool di calcolo.

Vista la quantità di variabili e scelte di progetto in gioco, conviene sfruttare un tool di calcolo automatico, come Scilab!
Avevo citato Matlab in precedenza, ma mi sono sbagliato. Scilab offre le stesse funzionalità di Matlab per le nostre esigenze, con la piccola differenza di essere completamente FREE!
Non dovremo dunque acquistare le costose licenze di Matlab, ma scaricare il programma da qui.

Ed ecco il codice da far girare su Scilab, che tiene in considerazione tutte le assunzioni fatte finora:

Codice: Seleziona tutto

// INPUT DATA
mode(0) //echo off
Imax = 10 //Corrente massima assorbibile dal carico attivo
Rsh = 0.05 //Resistenza di shunt, in ohm
Iscale = 1 //Transconduttanza desiderata (V/A) per lo stadio di misura di corrente
UGBW = 3e6 //UGBW ampli operazionale usato per stadio misura corrente (TL082 = 3MHz)

mode(1) //echo on

// CALCOLO PARAMETRI STADIO AMPLIFICATORE
Psh = Rsh*Imax^2 //Potenza dissipata sullo shunt
GI=1/Rsh //Guadagno dello stadio per ottenere misura di corrente con scala 1V/A
fp_I=UGBW/(1+GI) //Polo dello stadio di misura corrente (hertz)


Scelta di progetto: Scegliamo di impiegare un amplificatore operazionale del tipo TL082, con prodotto banda-guadagno di 3 MHz.

Il guadagno dello stadio risulta essere 20, mentre il polo si colloca a circa 142 kHz.

Potremo perfezionare successivamente la selezione del part number, per tenere in considerazione la tensione di modo comune, l'offset e il rumore. Il vantaggio di lavorare con un codice Scilab è proprio la grande velocità con la quale possiamo accomodare le variazioni di progetto.

[WORK IN PROGRESS]

[belva87]

Ciao, scusate se partecipo poco, non ho tanto tempo e molto lo devo dedicare a me stesso..
Seguo però sempre la discussione con interesse, ho una domanda... riguardo la banda, in parallelo ad R2 non hai previsto un condensatore?
La butto lì senza troppo ragionamento, di "norma" in questi stadi mi capita sempre di "beccarcelo" un condensatore...
Grazie, Luca.

[brabus]

Ehi ciao Belva (anzi, Luca)!
Un condensatore in parallelo a R2 ha come effetto l'inserimento di un polo nel guadagno teorico, e dunque un rallentamento della dinamica del sistema. Per dirla con termici classici, un filtraggio passa basso.

Ti capita spesso di vederlo perché è una maniera veloce per introdurre il filtraggio nello stadio differenziale, magari per condizionare un segnale un po' rumoroso. A noi non serve filtrare un bel nulla, anzi, stiamo cercando di massimizzare la performance del nostro circuito...

Ottima osservazione comunque; ti invito a eseguire i calcoli per determinare la banda di uno stadio differenziale con l'aggiunta del condensatore in parallelo a R2.

[belva87]

Si infatti adesso che ci ragiono nel nostro caso rallentare il sistema non aiuta affatto, anzi...
Però mi chiedo, come mai di solito il condensatore c'è?
Forse perché si deve filtrare un poco per poi dare in pasto la faccenda a un adc? Boh..
Ok per i calcoli, appena ho modo provo a farli, è da una vita che non uso approcci del genere e non so nemmeno se mi ricordo tutto, dimmi se la strada è giusta.
Devo fare lo schema, poi prendere Laplace e fare la funzione di trasferimento?

[brabus]

(...) Si infatti adesso che ci ragiono nel nostro caso rallentare il sistema non aiuta affatto, anzi...
Però mi chiedo, come mai di solito il condensatore c'è? (...)

L'ho scritto nel messaggio precedente.

p.s.: di solito, con i "di solito" non si va molto lontano. A me è capitato di dover filtrare, come anche no; tutto dipende dall'applicazione, non ci sono schemi "abituali" e schemi "insoliti".
Se osservi lo schema di Agilent, ti accorgi che neppure loro impiegano il condensatore in quella posizione.

Per calcolare la banda del differenziale filtrato hai individuato la strada giusta: schema, carta, matita, e il nostro amico di merende Laplace!

[brabus]

Proseguiamo l'analisi del sistema concentrando la nostra attenzione sul Mosfet; riportiamo il circuito specimen:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

La funzione di trasferimento che siamo interessati a ricavare è quella che lega la tensione misurata allo shunt alla tensione proveniente dal pilotaggio (i.e. dal regolatore).

Questa funzione di trasferimento entra direttamente nel computo del guadagno d'anello.
Per il calcolo della funzione di trasferimento seguiamo quanto fatto nel progetto del carico attivo citato in precedenza, precisamente al paragrafo 2.3.

Il dimensionamento era stato ivi condotto facendo riferimento a transistor Mosfet del tipo IRF540N. Ricaviamo dal datasheet del IRFP250N le informazioni necessarie a caratterizzare il Mosfet, con particolare attenzione alla tabella in Figura 5:

IRFP250_Capacita.png (24.69 KiB) Osservato 7623 volte

Dalla tabella si nota come le capacità caratteristiche del Mosfet diminuiscano in valore all'aumentare della tensione Drain-Source. Senza indagare a fondo la fisica del semiconduttore, possiamo dire che all'aumentare della tensione Drain-Source, la zona di svuotamento alla giunzione Drain-Substrato si allarga, e la capacità parassita associata diminuisce; tutte le capacità parassite del Mosfet sono interessate da questo fenomeno, con il risultato che vediamo alla figura precedente.

Mantenendo il dimensionamento conservativo, prenderemo le capacità col loro valore massimo. Ad una grande capacità parassita si associa inevitabilmente una diminuzione della frequenza dei poli del sistema RG-Q1, che riduce direttamente il margine di fase del sistema. Considerando le capacità massime, all'atto pratico avremo un sistema che si comporterà "meglio di quanto previsto".

Ricaviamo dunque la tabella seguente:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Considerazioni su RG

La resistenza al Gate consente di limitare la corrente massima erogata dall'amplificatore operazionale utilizzato in sede di pilota e controllore.
Il valore di tale resistenza va calcolato in modo da non sovraccaricare l'amplificatore operazionale.

Scelta di progetto: Scegliamo di realizzare il driver impiegando un amplificatore oprazionale di tipo TL082.

Prendiamo il datasheet del TL082. Osservando le figure 7 e 8 possiamo notare che l'opamp è in grado di erogare (e sinkare) una corrente massima di circa 15 mA.

Scelta di progetto: scegliamo di limitare a 10 mA la corrente massima erogata dal driver.

La situazione più sfavorevole nella quale il driver può trovarsi a lavorare è costituita dal caso in cui il Mosfet sia spento (anzi con VG=0), e il driver debba improvvisamente erogare la massima tensione. Il caso è abbastanza difficile da riprodurre nella pratica (dato che il controller difficilmente erogherà un gradino perfetto), ma rimane di fatto la condizione più sfavorevole.

Scelta di progetto: Scegliamo di alimentare gli amplificatori operazionali alla tensione singola di 12V.

La massima tensione erogabile in uscita dal TL082 è di 10.5V (vedi pagina 3 del DS).
Il valore di RG si calcola dunque:


Il valore di RG, di ben 1 kΩ, appare decisamente elevato. Verifichiamo l'impatto di RG sulla banda dello stadio di potenza.

Calcolo della funzione di trasferimento

Sempre in riferimento a quanto esposto nel paragrafo 2.3 del progetto del carico attivo, adattando la simbologia al nostro circuito, e applicando le medesime approssimazioni, otteniamo l'espressione del guadagno dello stadio.




Osserviamo che la transconduttanza del Mosfet gioca un ruolo decisivo nel determinare il guadagno e la banda dello stadio. Vale la pena considerare uno sweep di tra un valore minimo di 0,1 S e il massimo di 12 S indicato nel datasheet.

Serviamoci ancora una volta di Scilab per ottenere una stima del guadagno e della banda dello stadio di potenza:

Codice: Seleziona tutto

mode(0)
// INPUT DATA - Mosfet IRFP250N
Cin=5000e-12 //Capacità Cin = Cgs+Cgd
Cgs=2500e-12 //Cgs
Cgd=2500e-12 //Cgd
Cds=2300e-12 //Cds
RG=1000 //Resistenza di Gate, ohm
gfs_min=0.1 //Transconduttanza minima, Siemens
gfs_max=10 //Transconduttanza massima, Siemens

mode(1)
A_mos_min=(gfs_min*Rsh)/(1+gfs_min*Rsh) //Guadagno con transconduttanza minima
omega_mos_min=(1+gfs_min*Rsh)/(Cin*RG+Cgd*RG*gfs_min*Rsh)
f_mos_min=omega_mos_min/(2*%pi) //Frequenza del polo con transconduttanza minima

A_mos_max=(gfs_max*Rsh)/(1+gfs_max*Rsh) //Guadagno con transconduttanza massima
omega_mos_max=(1+gfs_max*Rsh)/(Cin*RG+Cgd*RG*gfs_max*Rsh)
f_mos_max=omega_mos_max/(2*%pi) //Frequenza del polo con transconduttanza massima

G_P_min=syslin('c',A_mos_min,(1+s/(f_mos_min)))
G_P_max=syslin('c',A_mos_max,(1+s/(f_mos_max)))

bode([G_P_min;G_P_max],100,1e7) //Tracciamo i due bode nello stesso grafico


Eseguendo il codice Scilab otteniamo i seguenti diagrammi di Bode:

Bode_Potenza.png (10.12 KiB) Osservato 7623 volte

Il grafico in blu è calcolato con , mentre quello in nero con .
Osserviamo che la posizione del polo cambia poco; il calcolo fornisce:



Riflessioni sulla banda e sul ruolo di RG

Ci chiediamo se sia possibile incrementare le prestazioni dello stadio di potenza, aumentando un po' il guadagno o la banda.
Il primo parametro che possiamo modificare è il valore della resistenza di Gate RG. Ci chiediamo cosa succeda riducendo il valore di RG.
Beh, riducendo RG possiamo indubbiamente aspettarci un miglioramento della dinamica del sistema, poiché il polo si sposterà a frequenze più alte via via che riduciamo RG.

Verifichiamo con una simulazione Scilab come varia il diagramma di Bode della funzione di trasferimento dello stadio, assumendo RG=100Ω, ossia un ordine di grandezza inferiore a quanto precedentemente dimensionato:

Bode_Potenza_RG100.png (10.11 KiB) Osservato 7623 volte

NOTA: la funzione di trasferimento è calcolata per .
Come c'era da aspettarsi, il guadagno a bassa frequenza non cambia. Cambia notevolmente invece la banda passante, che aumenta di un ordine di grandezza.
Scilab calcola la posizione del polo a ben , di fatto un ordine di grandezza superiore a quanto ottenuto con il dimensionamento precedente.

Ci chiediamo quale sia il prezzo da pagare per questo incremento di performance.
L'amplificatore operazionale TL082 impiegato per la sintesi del controllo e del driver può erogare, come visto, una corrente massima di 15 mA. Impiegando una resistenza RG di valore inferiore, stiamo cercando di "tirare" più corrente dal driver. Cosa succede in realtà? Gli stadi finali del TL082 sono dotati di protezioni da sovracorrente, che limitano appunto la corrente al massimo di circa 15 mA in entrambi i sensi.
Questo significa che, in condizioni limite, il driver lavorerà in regime di saturazione di corrente, e la tensione al Gate salirà a rampa anziché a gradino!

Nessun danno dunque al TL082.

Dal punto di vista dinamico, osserveremo una risposta al transitorio di questo tipo:
- Se rimaniamo all'interno del regime di linearità dell'amplificatore operazionale (ossia se la tensione di comando e la tensione al Gate differiscono al massimo di 1V circa), il sistema risponderà con la performance massima calcolata;
- Se usciamo dal regime di linearità, ad esempio imponendo una variazione di corrente a gradino, il sistema subirà una prima evoluzione in regime non lineare (saturando il driver in corrente), per poi rientrare in linearità. Le performance ottenibili in saturazione di corrente sono tutte da discutere: invito EnChamade, IsidoroKZ, PietroBaima, DirtyDeeds, carloc, RenzoDF, BrunoValente (e ovviamente chiunque altro sia interessato) a valutare la risposta dinamica in saturazione di corrente, e discutere l'accettabilità di questo regime di funzionamento.

In sostanza:

"Scelta di progetto: Riduciamo il valore di RG a 100Ω."

è a vostro parere una scelta di progetto accettabile? È il caso di ricorrere a un driver supplementare, magari un totem-pole a discreti? Cambiamo part number?

Signori, sono curioso di sentire le vostre proposte.

[BrunoValente]

Io aggiungerei un buffer tipo LME49600 tra l'operazionale e il gate, abbasserei ulteriormente il valore di RG e non ci penserei più.
Ho visto che su Ebay si trova per 5-6€

[EnChamade]

invito EnChamade, IsidoroKZ, PietroBaima, DirtyDeeds, carloc, RenzoDF, BrunoValente (e ovviamente chiunque altro sia interessato) a valutare la risposta dinamica in saturazione di corrente, e discutere l'accettabilità di questo regime di funzionamento.

Allora, tutto ok! Solo una cosa: sulle formule una è la pulsazione del polo e l'altra è il guadagno ma c'è scritto su ambedue . E' una stupida svista.

In sostanza:

"Scelta di progetto: Riduciamo il valore di RG a 100Ω."

è a vostro parere una scelta di progetto accettabile? È il caso di ricorrere a un driver supplementare, magari un totem-pole a discreti? Cambiamo part number?

Io opterei per valutare anche se è possibile agire via controllo, ampliando la banda inserendo magari un PID... E' solo un'ipotesi che però vale la pena verificare...


P.S.: brabus, immagino già la risposta ma per essere sicuri ti chiedo se hai già controllato se le approssimazioni che feci all'epoca sul calcolo della banda sono valide anche nel nostro caso.

P.S.S.: Ho riletto la tesina. Che ricordi. Ma quanto lavoro abbiamo fatto? Ma quanto è bella l'analisi dello stadio limiter (Cap 3) e della banda dell'anello (Cap 2)? E anche l'intro mi piace.

Per il resto: good job!