Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 42) – Dispositivi discreti: una valida alternativa ai MOSFET integrati (parte 1 di 2)

Nella progettazione delle soluzioni di alimentazione, molto spesso i progettisti devono affrontare il problema della limitazione alla corrente di comando disponibile dal proprio circuito integrato di controllo o della dissipazione eccessiva di alimentazione presente nello stesso, a causa delle perdite provenienti dal comando di gate. Per contrastare tali problemi, vengono spesso utilizzati driver esterni. I produttori di semiconduttori (tra cui TI) dispongono di soluzioni basate su driver MOSFET pronte all’uso, sotto forma di circuiti integrati. Tuttavia, tale approccio si rivela in genere costo Spesso la soluzione può essere basata su componenti discreti al costo di pochi centesimi.

Fig. 1 – Un semplice buffer può gestire oltre 2 Amp

Lo schema in figura 1 mostra una coppia di inseguitori di emettitore NPN/PNP, utilizzabile per limitare l’uscita di un circuito integrato di controllo. Ciò incrementa potenzialmente la capacità di comando del controller e sposta la dissipazione della potenza di comando sui componenti esterni. Molti ritengono che questo particolare circuito non sia in grado di erogare una corrente di comando sufficiente.

Come mostrato nelle curve h_fe della figura 2, i produttori non forniscono in genere dati superiori a 0,5 A per tali dispositivi a bassa corrente. Tuttavia, il circuito presenta una disponibilità di corrente ben superiore a 0,5 Amp, come mostrato nella forma d’onda scope riportata in figura 1. Per questa forma d’onda, il buffer è stato azionato con una sorgente da 50 Ohm e caricato con un condensatore da 0,01 uF collegato in serie con un resistore da 1 Ohm.

Fig. 2 – I driver a corrente elevata come il modello FMMT618 possono dare un comando molto forte (Superiore: MMBT3904 / Inferiore: FMMT618)

La traccia mostra la tensione presente tra il resistore da 1 Ohm, pertanto la scala sul grafico è pari a 2 Amp per divisione. Tale figura mostra inoltre che il modello MMBT2222A è in grado di erogare quasi 3 Amp, mentre il modello MMBT3906 si attesta a una dissipazione di 2 Amp.

Nella realtà, i transistor verrebbero accoppiati ai relativi complementi (MMBT3904 per 3906 e MMBT2907 per 2222). Queste due soluzioni sono stati mostrate a scopo di confronto. Sono inoltre disponibili dispositivi con una capacità di corrente superiore e con valori h_fe superiori, come la coppia FMMT618/718, che presenta un valore h_fe quasi pari a 100 a 6 Amp di corrente (Fig. 2). Pur non essendo dotati dell’eleganza di un driver integrato, i modelli discreti rappresentano soluzioni economiche con capacità ottimizzate sia dal punto di vista termico che della cdriving capability.

La figura 3 mostra una variazione al buffer semplice che consente di superare un limite di isolamento. Un trasformatore di livello di segnale viene azionato mediante un segnale di comando bipolare simmetrico. Il secondario del trasformatore viene utilizzato per generare potenza per il buffer oltre che per emettere il segnale di ingresso al buffer. I diodi D1 e D2 raddrizzano la tensione dal trasformatore mentre i transistor Q1 e Q2 limitano l’impedenza di uscita del trasformatore per fornire grandi impulsi di corrente, da utilizzare per caricare e scaricare il gate di un FET collegato attraverso l’uscita. Tale circuito è estremamente efficace e presenta un duty cycle del 50% (vedere il segnale di comando inferiore in Fig. 3), dato che azionerà il gate del FET negativo e fornirà un rapido spegnimento, riducendo al minimo le perdite di commutazione. Ciò lo rende ideale per il convertitore a ponte interno con variazione di fase.

Fig. 3 – Con pochi componenti in più è possibile costruire un driver isolato

Se si utilizza una forma d’onda di comando superiore al 50% (Fig. 3), considerare la possibile soluzione per il trasformatore. Ciò contribuisce a evitare un’accensione errata del FET a causa delle oscillazioni transitorie successive alle transizioni. Una transizione quasi inesistente può portare a oscillazioni transitorie legate alla capacità secondaria e all’induttanza di dispersione, oltre che produrre una tensione positiva dal trasformatore.

Riassumendo, i driver discreti consentono di ottenere notevoli risparmi. Circa 0,04 centesimi di dollari di investimento in componenti discreti equivalgono a un investimento oltre dieci volte superiore in circuiti integrati per driver. I driver discreti possono fornire correnti di comando superiori a 2 Amp, allegerendo il compito del integrato di controllo. Inoltre, eliminano le elevate correnti di commutazione dai circuiti integrati di controllo, ottimizzando le prestazioni di regolazione e rumore.

Nel prossimo incontro saranno discussi i semplici circuiti di comando di gate FET, analizzando le unità per raddrizzatori sincroni.

Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: http://www.ti.com/power-ca

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Robert Kollman, Texas Instruments

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