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Regolatore "no drop"

Indice

Introduzione

Da qualche tempo sul forum ho visto comparire richieste di utenti che volevano alimentare carichi a 12V direttamente dalla batteria della macchina. Essendo l'alimentazione in questi casi variabile da 10.5V (batteria scarica) a 14.4V, batteria in carica e motore acceso, ovviamente risulta impossibile risolvere il problema attraverso un semplice regolatore lineare. Pensa e ripensa, mi è saltata in mente una possibile soluzione: progettare un circuito che non regoli, ma semplicemente segua la tensione di ingresso fino a 12V e poi limiti la tensione d'uscita a quel valore.

Dopo qualche tentativo più o meno funzionante ma poco soddisfacente, sono giusto al circuito che vi espongo in questo articolo. Purtroppo, per la mia cronica mancanza di tempo fra multi-lavoro e progetti personali, sono riuscito solo a simulare il risultato stressando il circuito in tutti i modi possibili. Dalla simulazione, i risultati sono veramente ottimi, quindi sarebbe interessante secondo me provare a costruirlo, perchè fermo restando che le simulazioni possono sempre nascondere qualche problema, sono abbastanza fiducioso che funzioni come deve...c'è qualche volontario?

Idea progettuale

Il circuito si basa sull'idea di mettere, in serie all'alimentazione, una resistenza variabile che sia prossima allo 0 quando la tensione è <= 12V, e che poi cresca in modo da ottenere una caduta tale da mantenere la tensione d'uscita regolata a 12V. Inoltre, si basa sul fatto che per quanto la tensione di ingresso sia variabile, è sempre piuttosto alta, e quindi è facile ottenere da essa un riferimento preciso ad un valore più basso.

L'idea è quindi questa:

  • Genero una tensione di riferimento il più possibile stabile. Nel circuito proposto uso uno zener, ma nulla vieta di sostituirlo con un regolatore di tensione variabile e trimmerarlo al valore più opportuno.
  • Suddivido la tensione d'uscita in modo tale da ottenere, nel centro del partitore, un valore di tensione uguale al riferimento quando l'uscita è a 12V
  • Con la differenza tra i due valori, regolo la Vgs di un MOS in serie.

Progetto

Lo schema cui sono arrivato alla fine è questo:

Il funzionamento è il seguente:

Il diodo zener Dz1 viene polarizzato dalla resistenza da 1k collegata alla batteria. la sua uscita, divisa per due, alimenta il pozzo di corrente del transistor Q3, che fornisce la corrente di polarizzazione alla coppia differenziale Q1 e Q2. Detto in altri termini, Q3 funziona da carico attivo per la coppia differenziale riducendo al minimo il guadagno di modo comune. I due ingressi della coppia differenziale sono collegati alla V di riferimento (ingresso di Q1) e a una tensione proporzionale all'uscita attraverso un partitore 1 a 4 (30k e 10k). L'uscita della coppia tende a polarizzare o depolarizzare il MOS M1 a seconda che l'ingresso su Q2 sia sotto o sopra la tensione di riferimento. Il valore della tensione d'uscita dipende dal bilanciamento del partitore e della tensione di zener, per cui se si necessita di una 12V particolarmente precisa di potrà sostituire la resistenza da 10k con un trimmer (per esempio).

Per prima cosa, vediamo il punto di polarizzazione iniziale con un generatore da 12V all'ingresso (prendo direttamente l'immagine dal simulatore):

Tensioni:

bias_point_v.JPG

bias_point_v.JPG

Correnti:

bias_point_I.JPG

bias_point_I.JPG

Che non presentano sorprese. Ho allora aggiunto al circuito un segnale di ingresso variabile nel tempo, e un carico variabile come parametro, per valutare il comportamento alle diversi correnti.

Vpwl_sim.JPG

Vpwl_sim.JPG

Legenda:

  • Spezzata verde: alimentazione.
  • Spezzata arancione: uscita a carico "0"
  • Spezzata fucsia: uscita a carico 2A

Ho modulato la tensione di ingresso per evidenziare il comportamento in diversi casi. Si può notare un overshoot nel passaggio rapido fra 12 e 14.4 volt, dovuto ai ritardi di reazione. Nel caso si tema che l'apparecchiatura da alimentare possa essere particolarmente delicata, si può limitare l'ampiezza dell'overshoot aumentando il condensatore da 1mF in uscita. Vediamo nel dettaglio cosa succede in quel punto:

Overshoot.JPG

Overshoot.JPG

E' chiaramente visibile come l'ampiezza sia tanto maggiore quanto maggiore è la corrente assorbita dal carico. Questo succede perchè l'effetto livellante del condensatore da 1mF è meno incisivo all'aumentare della corrente di carico.

Da questo zoom si può anche valutare l'effettiva resistenza in serie mnima che il circuito mette al carico verificando la differenza nella zona in cui l'alimentazione è a 12V. Come si può vedere, la regolazione perde circa 0.5 volt a 2A di corrente, che fanno 0.25ohm di Req.

Ho poi voluto verificare la stabilità dell'uscita sia rispetto a spikes di tensione in ingresso (un tipico rumore causato dalle scintille del motore) sia rispetto a carichi cattivi ad assorbimento impulsivo. Per addensare tutto in un unico run di simulazione, ho fatto partire lo gli spikes di corrente dopo 20ms:

Visione generale simulazione:

Spikes.JPG

Spikes.JPG

Settagli spike alto di tensione:

Spike_alto.JPG

Spike_alto.JPG

Spikes di corrente generati:

spikes_corrente_input.JPG

spikes_corrente_input.JPG

Reazione dell'uscita:

spikes_corrente.JPG

spikes_corrente.JPG

Da questo si ricava una sostanziale insensibilità sia al rumore sulla tensione di ingresso sia alla corrente assorbita dal carico.

Ulteriore punto: la potenza. Il componente critico da quel punto di vista è ovviamente il MOS M1, quindi ho deciso di simulare l'andamento della potenza nel MOS con un DC sweep da 10 a 14.4V, parametrizzando la simulazione con diverse correnti di carico:

potenzaMOS.JPG

potenzaMOS.JPG

Ovviamente la potenza dissipata è molto bassa quando il MOS funziona a RdsOn bassa, cioè quando la tensione di ingresso è <= 12V, poi sale fino a raggiungerre i 5W nel caso dei 2A erogati a 14.4V. Come risultato non mi sembra male, visto che per trasferire al carico 24W ne consuma solo 5.

Ultimo aspetto: la dipendenza dalla temperatura. La coppia differenziale trasforma la variazione delle Vbe con la temperatura in un segnale di modo comune, per il quale ha guadagno bassissimo grazie al carico attivo. Il carico attivo stesso, che pur presenta una certa dipendenza dalla temperatura della corrente assorbita, non influenza l'uscita che verrà comunque stabilizzata ad una tensione che non dipende in modo critico dalla corrente del pozzo, grazie alla reazione fatta attraverso la coppia differenziale. Resta la tensione di zener, che agisce direttamente sulla regolazione attraverso la base di Q1. lo zener scelto ha una variazione in temperatura (polarizzato a 20mA) di -0.075%/°C. Supponendo un range -10°C/+60°C, la variazione sarà dello 0,075*70%, = 5,25%, 157mV su 3V. Visto il guadagno 4, si dovrebbe avere una dipendenza di 630mV sulla tensione di regolazione, che sarà massima a -10°C (circa 300mV in più) e minima a 60°C (circa 300mV in meno).

Per completezza, ho lanciato una simulazione in temperatura a vuoto facendo calcolare la tensione d'uscita per le temperature fra -30°C e +6'0°C, ottenendo questo risultato:

temperatura.JPG

temperatura.JPG

Che significa che il modello di zener del simulatore fa schifo :) In ogni caso, come accennato, la scelta dello zener non è assolutamente l'unica possibile. Se una variazione di +/- 300mV su 70°C è troppo, si può per esempio utilizzare un regolatore stabilizzato a 3V. Oppure, si può scegliere di cambiare lo zener con uno da 4.3V o forse addirittura con uno da 4.7V, riducendo la dipendenza dalla temperatura di un fattore 2 nel primo caso, 4 nel secondo.

Considerazioni sulla stabilità:

Non sono abbastanza fresco di studi in controlli per ricavare uno schema a blocchi che possa consentire un calcolo preciso dei margini di fase e guadagno del circuito. Trattandosi di un sistema reazionato, ovviamente in qualche condizione può oscillare. Da un'analisi qualitativa, penso di poter dire comunque che il pericolo di un'oscillazione sia molto remoto.

Conclusioni

Mi rendo assolutamente conto che presentare un circuito solo simulato non è certo una buona prassi. Ho deciso di farlo sulla base della considerazione che potrebbe essere utile a qualcuno, e sulla base della mia personale curiosità di vederlo davvero in funzione. Quindi, come ho detto nell'introduzione, cero un volontario che abbia un po' di tempo e voglia per provarlo. Ovviamente, potrebbe anche essere che un'altra mente veda al volo un qualche difetto, magari anche grossolano, nella progettazione e che questo difetto sia mascherato dalla simulazione...attendo quindi con curiosità anche eventuali commenti.

Obiuan (Cristiano)

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Commenti e note

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di ,

Ciao, mi stavo chiedendo perchè la scelta di un PMOS e non di un NMOS. Con un NMOS potresti fornire correnti molto elevate, che è difficile fornire con i PMOS, questo per quanto riguarda l'utilizzo in auto. Pontendo gestire correnti molto elevate permetteresti di avviare anche piccoli motori o carichi che richiedono una grossa corrente di spunto, ma questo è solo un dettaglio. BTW, a nice project! :)

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di ,

PS: lo specchio nel caso specifico dell'ingresso differenziale ha un senso perchè funziona meglio di due pozzi separati, per cui si userebbe anche se i pozzi (o sorgenti) fossero semplicemente realizzabili. La mia osservazione era generale, ma magari tu ti riferivi al caso specifico del differenziale di ingresso e io non ho capito...giusto per la precisione eh! :D

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di ,

AAAAh, ma certo, con un corto funziona nello stesso modo hai ragione. Nella prima versione di polarizzazione avevo messo correnti più elevate e volevo proteggere il transistor, ma con quei 100uA è completamente inutile, grazie!

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di ,

non la metterei affatto.

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di ,

Non capisco la domanda...cosa ci metteresti? se è il valore che ti rende perplesso, è assolutamente ininfluente, finché non manda in saturazione Q2 la puoi alzare.

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di ,

hm, capisco. Un'ultima cosa, a cosa serve la resistenza da 1kΩ sul collettore di Q2?

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di ,

"gli elettronici analogici potrebbero dirti che Q3 non funziona da carico attivo"...secondo te quel circuito l'ho copiato? io ti dico di no, quindi, sempre secondo te, io che faccio nella vita il salumiere? :D scherzi a parte, non è necessario usare uno specchio per avere un carico attivo, basta che sia un circuito in grado di mantenere la corrente costante. Il fatto che nei circuiti integrati si usino specchi e non resistori non è dovuto a necessità progettuali, quanto a necessità tecnologiche...hai idea di quanto spazio occupi una resistenza confronto a un transistor? e di quale sia la tolleranza che puoi ottenere? Cmq, sono d'accordo che di solito si indica con "carico attivo" il blocco a specchio collegato ai collettori, ma questo non significa che non lo sia anche un pozzo collegato agli emettitori. In quella configurazione, il carico visto dagli emettitori è attivo...se non lo fosse, sarebbe una resistenza :D In ogni caso, grazie del feedback C.

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di ,

Solo una piccola precisazione: gli elettronici analogici potrebbero dirti che Q3 non funziona da carico attivo per la coppia differenziale ma è solo il generatore di bias, mentre il carico attivo non c'è, tipicamente è lo specchio di corrente fatto con dei PNP e collegato sui collettori.
Ciao,
Pietro.

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di ,

Se lo realizzi scopri che funziona meglio della simulazione. Il margine di fase del circuito nello schema e` abbastanza basso, 20 gradi circa, e lo si vede dall'uscita oscillatoria quando la tensione di ingresso cambia. Nella realta` invece il condensatore di uscita ha una ESR che introduce nel guadagno di anello uno zero a qualche kilohertz che migliora la stabilita`. Non sono sicuro che serva una grande capacita` all'uscita, proverei con un 100uF elettrolitico o anche con un 10uF al tantalio, in questo modo la banda si allarga. L'ESR del condensatore di uscita e` fondamentale per la stabilita` di questi circuiti.

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di ,

grazie mille...magari riuscissi a trovare il tempo di costruirlo...

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di ,

La prima domanda che mi sono posto è stata: "Bello! Un circuito tutto a transistor! Chissà se avrà fatto l'analisi dinamica...". E scorrendo la pagina scopro che l'intero articolo verte sull'analisi dinamica! Hai fatto un ottimo lavoro, c'è materiale a sufficienza per sfamare un esercito di controllisti! Sono fortemente tentato di costruire il circuito e verificare dal vero i risultati delle simulazioni... stay tuned! Complimenti ancora!

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