z. prijic´ -...

Analogna mikroelektronika

Z. Prijic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2016.

Z. Prijic Analogna mikroelektronika

Sadržaj


Deo 1

Linearni izvori napajanja


Izvori jednosmernog naponaBlok šema izvora napajanja

Zadatak izvora napajanja je da naizmenicni napon iz mreže

pretvori u jednosmerni, svodeci pri tome njegovu amplitudu na

željeni nivo, kao i da takav jednosmerni napon ucini dovoljno

stabilnim u smislu imunosti na varijacije mrežnog napona i

šumove.

Rezervoar

(filtar)


Podela izvora napajanja

linearni

prekidacki (engl. switch)

Kod linearnih izvora napajanja se, u opštem slucaju, ulazni

napon vrednosti VIN transformiše u izlazni napon vrednosti

VOUT na principu promenljive provodnosti elementa koji se

nalazi izmedu ulaza i izlaza, pri cemu je VOUT < VIN .


Linearni izvori napajanjaIspravljacki blok


Linearni izvori napajanjaUlazni mrežni napon


Linearni izvori napajanjaNapon na sekundaru


Linearni izvori napajanjaIspravljeni naizmenicni napon - na izlazu Grecovog spoja

Ucestanost je sada 100 Hz. Amplituda je umanjena za približno 1,4 V (pad napona nadve diode unutar Grecovog spoja).


Linearni izvori napajanjaRezervoar (filtar)

Kondenzator C1 je rezervoar (reservoir capacitor, smoothing

capacitor ), a naziva se i ulazni filtarski kondenzator.


Linearni izvori napajanjaFiltrirani napon

Vr – ripple voltage


Linearni izvori napajanjaNaponski regulator (VC ≡ VIN)

Naponski regulator je kolo koje na izlazu daje stabilisani napon.

input outputREGULATOR

Ci Co

VIN VOUT


Linearni izvori napajanjaIspravljac i naponski regulator

+

~

~

vin

T1

RL

U1

vout

+C1 C

2C3

+

VOUTU2

F1


Linearni izvori napajanjaStabilisani izlazni napon

VO

UT (

V)


Deo 2

Linearni naponski regulatori


Linearni izvori napajanjaParametri naponskog regulatora

Osnovni parametri su linijska regulacija i regulacija opterecenja:

Line regulation =

(

∆VOUT

∆VIN

)

· 100% (1)

Load regulation =

(

VNL − VFL

VFL

)

· 100% (2)

NL – bez opterecenja (no load);

FL – pod punim opterecenjem (full load).


Linearni izvori napajanjaVrste naponskih regulatora

Naponski regulatori se mogu podeliti na:

regulatore sa fiksnim izlaznim naponom

regulatore sa podesivim (adjustable) izlaznim naponom

Za sve regulatore karakteristican je minimalni pad napona na

regulatoru za koji se garantuje stabilna vrednost izlaznog

napona (dropout voltage).

Primer: Regulator LM7805 ima na izlazu fiksni napon 5 V, a

minimalni pad napona je 2 V. To znaci da napon na ulazu

regulatora mora biti najmanje 7 V, da bi regulator radio stabilno.


Linearni izvori napajanjaPrimer regulatora sa fiksnim izlaznim naponom

IN3

2

OUT1

GND

U2 LP2950ACZ-5

0.1uFC1 33uF/10V

C2

220uF/10VC3

0.1uFC4

V_OUTV_IN

Izlazni napon regulatora je fiksan VOUT = 5 V. Prema

specifikaciji proizvodaca, maksimalna dozvoljena struja kroz

regulator je 100 mA. C1 i C4 su bypass kondenzatori i služe za

eliminaciju neželjenih signala visokih ucestanosti. C4 se

postavlja blizu kola koje se napaja iz regulatora.


Linearni izvori napajanjaRegulatori sa podesivim izlaznim naponom

RL

VIN

+C1 C

2

C3

+

VOUT

U2

R1

R2

OUT

ADJ

IN


Linearni izvori napajanjaPodešavanje izlaznog napona

Regulator je projektovan tako tako da se izmedu izlaza OUT i

ADJ, odnosno na otporniku R1, uvek pojavljuje referentni napon

VREF. Izlazni napon je odreden relacijom:

VOUT = VREF

(

1 +R2

R1

)

(3)

Tipicno, VREF = 1,25 V i predstavlja temperaturno nezavisnu

naponsku referencu (bandgap voltage reference).


Linearni izvori napajanjaPrimer projektovanja regulatora sa podesivim izlaznim naponom

Kriterijumi izbora komponenata:

1 Tehnicki kriterijumi

Ispunjavanje osnovnih elektricnih zahteva u pogledunapona, struje, snage, itd.Postojanje komponente i u SMD i u ‚‚through–hole“ varijanti(zbog lakše izrade prototipa)Postojanje ekvivalenta drugog proizvodaca

2 Ekonomski kriterijumi

Pristupacna cenaRaspoloživost na domacem tržištuPotrebno vreme nabavke, u slucaju da komponente nemana lagerima dobavljaca


Linearni izvori napajanjaTehnicki zahtevi

Projektuje se sistem u kome prosecna potrošnja struje ne

prelazi 300 mA, a u pikovima trajanja 500 µs može dostici 1,2 A.

Jednosmerni napon potreban sistemu iznosi 7,5 V. Neka je na

raspolaganju AC/DC pretvarac (ispravljac) ciji je DC izlaz 12 V

1,5 A. Treba projektovati laboratorijski prototip DC/DC

pretvaraca, pomocu koga ce moci da se napaja sistem tokom

razvoja.


Linearni izvori napajanjaIzbor regulatora

Izabran je pretvarac LM317, kog proizvodi veci broj

proizvodaca. Za izradu prototipa izabrana je varijanta LM317T,

u kucištu TO-220. Uvidom u tehnicku specifikaciju se može

uociti:

TO−220

T3SUFFIX

CASE3221AB

Pin 1. Adjust2. Vout

3. Vin

Heatsink surface connected to Pin 2.

3

1

2

parametar vrednost

maksimalni ulazni napon 40 V

maksimalna struja 1,5 A

podesiv napon na izlazu 1,2 V-37 V

minimalni pad napona 3 V


Linearni izvori napajanjaIzbor otpornika

Pošto je VIN − VOUT = 12 − 7, 5 = 4,5 V, to je pad napona na

regulatoru veci od minimalnog pada napona (3 V) i regulator ce

raditi stabilno.

Referentni dizajn proizvodaca1 preporucuje R1 = 240Ω Ovo je

standardna vrednost otpornosti otpornika sa 1% tolerancije.

Kod regulatora se za podešavanje izlaznog napona koriste

otpornici sa 1% tolerancije. Iz (3) je:

R2 = R1

(

VOUT

VREF

− 1

)

= 240

(

7, 5

1, 25− 1

)

= 1,2 kΩ .

Izracunata vrednost je takode standardna vrednost otpornosti

otpornika sa 1% tolerancije.

1Videti, npr. http://onsemi.com → Search "LM317"→ Datasheet.


Linearni izvori napajanjaIzbor kondenzatora

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

1k2 1%R2

220u/25V

C1

C2 je keramicki kondenzator (bypass), dok su C1 i C3

elektrolitski kondenzatori (obratiti pažnju na naponski rejting).

Proizvodaci preporucuju minimalne vrednosti, a u praksi je

bolje, ako to prostor dopušta, imati vece vrednosti

kapacitivnosti kondenzatora C1 i C3.


Linearni izvori napajanjaZaštita od suprotne polarizacije na ulazu

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

1k2 1%R2

220u/25V

C1

D1

1N4007

Potencijalni nedostatak: napon na ulazu regulatora je manji od

napona VIN za pad napona na diodi VD1 = 0,7 V. Umesto diode,

može se koristiti pnp tranzistor u zasicenju. Takode, mogu se

koristiti LDO (Low DropOut) regulatori.


Linearni izvori napajanjaFleksibilnije rešenje

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

220u/25V

C1

D1

1N4007

2k

R2Trim

R2 je višeobrtni trimer. Prilikom podešavanja, treba obratiti

pažnju da vrednost otpornosti ne bude previše mala ili velika.


Linearni izvori napajanjaSa transformatorom i ispravljacem

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317TV_IN

V_OUT

240Rr1%R1

100nC2

100u/25V

C3

2k7r1%R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

T1F1

D1

1N4002

Kondenzator C1 treba da bude vece kapacitivnosti, kako bi

kompenzovao kratkotrajne propade i eventualne prekide

mrežnog napajanja.


Linearni izvori napajanjaSa transformatorom i ispravljacem

Transformator se bira tako da mu je efektivna (rms) vrednost

napona na sekundaru približno jednaka željenoj vrednosti

napona VOUT . Pored toga, mora imati i dovoljnu snagu2, kako bi

davao odgovarajucu struju. Osigurac u primaru štiti korisnika i

okolinu od kratkog spoja na ulazu transformatora. Osigurac u

sekundaru štiti transformator, koji je najskuplji deo izvora.

Osiguraci se dimenzionišu prema strujama transformatora, a

moraju biti tromi (slow–blow, time–delay ), kako ne bi

pregorevali usled eventualne pojave pocetne udarne struje

(inrush current). U slucaju da su kucište ili šasija uredaja

metalni, uzemljenje je obavezno! Dioda D1 sprecava pojavu

inverznog napona na regulatoru.

2Kod transformatora je važan pojam i prividna snaga (apparent power)!


Linearni izvori napajanjaProcena vrednosti ulaznog filtarskog kondenzatora

Primer: napon na sekundaru transformatora Vsec = 15 V

(efektivna vrednost), struja koju povlaci opterecenje IL = 0,5 A.

Amplituda napona na sekundaru je:

VSEC = Vsec ·√

2 = 15 · 1, 41 = 21,15 V .

Na izlazu iz Grecovog spoja je amplituda napona

VSEC − 1, 4 = 19, 75 ≃ 20 V. Napon Vr (ripple) ne bi trebao, u

prvoj aproksimaciji, da bude veci od 5% ove vrednosti:

Vr = 20 · 0, 05 = 1 V .


Linearni izvori napajanjaProcena vrednosti ulaznog filtarskog kondenzatora

Ucestanost ispravljenog signala je 100 Hz, pa je perioda T = 10 ms.Prva aproksimacija3:

C1 ≈ILT

Vr

=0, 5 · 10 × 10

−3

1= 5000 µF ,

pa se može uzeti manja standardna vrednost 4700 µF. Za finijepodešavanje se može proceniti da se kondenzator unutar periode T

puni 2 ms do 3 ms, a prazni 8 ms do 7 ms. Racuna se samo vremepražnjenja:

C1 ≈0, 5 · 7 × 10

−3

1= 3500 µF ,

pa se može uzeti 3600 µF ili 3300 µF (Vr ce biti nešto veci).

3iC = C(dvC/dt)


Linearni izvori napajanjaIzvor simetricnog napajanja

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_OUT

100R 1-R1

100nC2

100u/25V

C3

1k31-R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

F1 T1

2×18V_rms

IN2

OUT3

1

ADJ

U2LM337T

4700u/35V

C4

100nC5

100R 1-R3

1k31-R4

100u/25V

C6

-V_OUT

F3

0V

Koristi se transformator sa dva sekundara, koji su povezani u

center–tapped konfiguraciju. LM337 je negativni naponski

regulator. Obratiti pažnju na polarizaciju kondenzatora C4 i C6!


Linearni izvori napajanjaIzvor simetricnog napajanja sa regulatorima sa fiksnim izlaznim naponom

V_OUT

100nC2

100u/25V

C3

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

F1 T1

2×15DV_rms

4700u/35V

C4

100nC5

100u/25V

C6

-V_OUT

F3

0DV

IN3

OUT1

2

GND

U1 LM7815

IN2

OUT3

1

GND

U2 LM7915

D1

1N4002

D3

1N4002

D21N4002

D41N4002


Linearni izvori napajanjaIzvor simetricnog napajanja sa regulatorima sa fiksnim izlaznim naponom

Skriveni problem:

Ako, na primer, LM7815 ne startuje istovremeno kad i LM7915

može se dogoditi da izlaz VOUT bude „povucen“ na negativnu

vrednost (u zavisnosti od opterecenja i drugih faktora). Zbog

toga LM7815 može da se ne startuje uopšte (tzv. latch–up

problem), a na elektrolitskom kondenzatoru C3 se pojavljuje

znacajan negativan napon! Dioda D2 sprecava ovakav scenario

i napon na izlazu LM7815 u prelaznom režimu u najgorem

slucaju svodi na −0,7 V, što je takode prihvatljivo i za

kondenzator C3. Identicnu ulogu u obrnutom scenariju ima

dioda D4.

Diode D2 i D4 nazivaju se clamp ili shunt diode, a primenjuju se

i kod regulatora sa podesivim izlaznim naponom.


Linearni izvori napajanjaOsnovne karakteristike

Parametar Vrednost Jedinica

Linijska regulacija 0,02–0,05 %

Regulacija opterecenja 0,02–0,1 %

Ripple 0,5–2 mVrms4

Efikasnost 40–55 %

4rms - Root Mean Square (efektivna vrednost)


Deo 3

Elektro–termalna analogija


Linearni izvori napajanjaHladenje regulatora

Tokom rada, kroz linearni regulator stalno protice struja. Zbog

toga se na njemu disipira snaga, pa se regulator zagreva. Da bi

se izbeglo pregrevanje, u mnogim slucajevima je na regulator

potrebno montirati hladnjak (heatsink ). Postavljaju se dva

pitanja:

1 Da li je, za date uslove, potreban hladnjak?

2 Ako je potreban, kako ga izabrati?


Linearni izvori napajanjaMontaža hladnjaka

Jezičak (TAB)

Na TAB izvodu je prisutan izlazni napon! Liskunski podmetac ilisilikonska guma se koriste da izoluju hladnjak od kucišta. Obamaterijala su dobri provodnici toplote i elektricni izolatori.Termoprovodna pasta služi da popuni mikroskopske neravnine naspojevima hladnjak–podmetac i kucište–podmetac i time omogucibolji prenos toplote sa kucišta na hladnjak. Plasticni prsten izolujevijak od kucišta.


Linearni izvori napajanjaElektro–termalna analogija

R

I PT1 T2

Elektricna velicina Termicka velicina

Potencijal5 φ (V) Temperatura T (C)

Struja I (A) Snaga disipacije P (W)

Elektricna otpornost R (Ω) Termicka otpornost θ (C W−1)

5Napon: U = φ1 − φ2.



Elektricno kolo (a) i analogno termalno kolo (b).

(a) (b)

I =φ2 − φ1

R(4)

P =T2 − T1

θ(5)



Termicke otpornosti regulatora sa hladnjakom:

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5



Temperatura cipa se oznacava sa TJ i naziva se temperatura

spoja (T – Junction). Temperatura okoline (ambijenta) TA u

stvari predstavlja temperaturu unutar uredaja ciji je regulator

sastavni deo. Definicija termickih otpornosti:

θJC izmedu cipa i kucišta (junction-to-case)

θCS izmedu kucišta i hladnjaka (case-to-heatsink )

θS termicka otpornost hladnjaka (heatsink )

θSA izmedu hladnjaka i okoline (heatsink-to-ambient)

Ukupna termicka otpornost:

θJA = θJC + θCS + θS + θSA (C W−1) .



Otpornost θJC je tehnicka karakteristika tranzistora, a otpornost

θCS karakteristika materijala upotrebljenog za elektricnu

izolaciju (ukljucujuci tu i termoprovodnu pastu). Otpornost θSA je

osnovna tehnicka karakteristika hladnjaka. Otpornost θS se

najcešce zanemaruje, pa je ukupna termicka otpornost:

θJA ≃ θJC + θCS + θSA (C W−1) . (6)

Kada nema hladnjaka, onda je θJA = θJC.


Linearni izvori napajanjaIzbor hladnjaka

Proizvodaci u tehnickim specifikacijama navode termicku

otpornost izmedu cipa i okoline θJA (junction-to-ambient).

Medutim, treba naglasiti da je ovaj parametar, u stvari,

karakteristika kucišta. Na primer, za kucište TO-220 je

θJA = 62,5 C W−1. To znaci da ce po svakom W disipirane

snage temperatura cipa porasti za 62,5 C u odnosu na

temperaturu okoline! Ako je regulator bez hladnjaka i

TA = 25 C onda ce vec za 2 W disipirane snage temperatura

spoja, na osnovu (5), biti:

TJ = 25 + 2 · 62, 5 = 150 C ,

što je za vecinu regulatora maksimalna dozvoljena temperatura

spoja.



Disipacija snage na LM317T se može odrediti pomocu

aproksimativne formule:

P ≈ (VIN − VOUT)ILmax , (7)

pri cemu je ILmax maksimalna struja kroz opterecenje.

Primer: VIN = 12 V, VOUT = 5 V, ILmax = 500 mA.

P ≈ (12 − 5) · 0, 5 = 3,5 W .



Prema specifikaciji proizvodaca, maksimalna dozvoljena

temperatura spoja je TJ = 150 C i θJA = 65 C W−1. Neka je

maksimalna temperatura unutar uredaja u kome ce biti

regulator TA = 50 C. Tada je, za snagu od 3,5 W:

TJ = TA + θJAP = 50 + 65 · 3, 5 = 277,5 C ,

što je znatno više od maksimalne dozvoljene temperature

spoja, pa je hladnjak potreban.



Izracunava se θJA za maksimalnu dozvoljenu temperaturu

spoja:

θJA =TJ − TA

P=

150 − 50

3, 5≃ 28,6 C W−1 .

Iz tehnicke specifikacije proizvodaca je θJC = 5 C W−1.

Vrednost otpornosti θCS može znacajno varirati, zavisno od

vrste i debljine materijala, termoprovodne paste, kao i

primenjenog mehanickog pristiska izmedu kucišta i hladnjaka.

Ako se uzme da je θCS ≈ 1 C W−1, onda je iz (6):

θSA = θJA − (θJC + θCS) = 28, 6 − (5 + 1) = 22,6 C W−1 .

Prema tome, potreban je hladnjak cija termicka otpornost ne

sme biti veca od 22,6 C W−1.



Prethodno izracunavanje stavlja temperaturu spoja na

maksimalnu dozvoljenu vrednost, što nije dobro jer se skracuje

radni vek i smanjuje pouzdanost regulatora. U praksi je bolje za

temperaturu spoja uzeti neku manju vrednost, npr. 110 C.

Tada je:

θJA =TJ − TA

P=

110 − 50

3, 5≃ 17 C W−1 ,

pa je

θSA = θJA − (θJC + θCS) = 17 − (5 + 1) = 11 C W−1 .

Treba izabrati hladnjak cija termicka otpornost ne sme biti veca

od 11 C W−1.



Naravno, bolje je izabrati hladnjak sa manjom termickom

otpornošcu. Na primer, može se izabrati komercijalno dostupni

hladnjak cija je termicka otpornost 10,2 C W−1. Tada ce biti:

θJA = θJC + θCS + θSA = 5 + 1 + 10, 2 = 16,2 C W−1 ,

odnosno:

TJ = TA + θJAP = 50 + 16, 2 · 3, 5 ≃ 107 C .

Izbor hladnjaka je gotovo uvek kompromis izmedu vrednosti

termicke otpornosti, gabarita i cene.


Deo 4

Koncept uzemljenja


Koncept uzemljenja

Uzemljenje je bezbedonosna mera, koja smanjuje mogucnost

da korisnik dode u dodir sa opasnim nivoima signala iz

elektricne mreže u slucaju kvara uredaja.

faza (Live – L) – tipicno braon

nula (Neutral – N) – tipicno plava

uzemljenje (Ground – G) – tipicno žuto–zelena

Pažnja: Boje na postojecim instalacijama nikada ne uzimati

zdravo za gotovo!


Koncept uzemljenjaNormalan rad uredaja

tabla sa osiguračima

elek

trič

na

mre

ža

zemlja

uređaj

RL

F1

metalno kućište

provodnik


Koncept uzemljenjaIncident (npr. proboj izolacije)


elek

trič

na

mre

ža

zemlja

uređaj

RL

F1

metalno kućište

provodnik

osigurač pregoreva


Koncept uzemljenja

Ako dode do kvara, preko metalnog kucišta se otvara provodni

put male otpornosti, pa struja naglo raste. Zbog toga dolazi do

pregorevanja/izbijanja osiguraca. Kada ne bi bilo uzemljenja, u

slucaju da korisnik istovremeno dodirne kucište uredaja i

predmet koji je uzemljen6, strujni krug bi se zatvarao preko

korisnika! Svi uredaji koji imaju metalno kucište ili metalnu

šasiju unutar plasticnog kucišta OBAVEZNO moraju biti

uzemljeni! Takode, svi konektori sa kojima korisnik može doci u

dodir moraju biti uzemljeni preko šasije. Spajanje nule i

uzemljenja vrši se samo na ulazu u instalaciju, u suprotnom

može doci do stvaranja tzv. petlji uzemljenja (ground loops).

6npr. slavinu ili radijator


Koncept uzemljenjaEkvipotencijalna veza


elek

trič

na

mre

ža

zemlja

uređaj

RL

F1

metalno kućište

provodnik

parno grejanje,

armatura

ekvipotencijalna veza

Vodovodna instalacija od PVC cevi ne sme se koristiti za ekvipotencijalnu vezu!


Koncept uzemljenjaEkvipotencijalna veza


Završne napomene

Prilikom projektovanja izvora napajanja OBAVEZNO treba

poštovati sve mere bezbednosti koje propisuju

odgovarajuci standardi!

Prikazane elektricne šeme ne ukljucuju sve detalje izvora i

mogu se koristiti iskljucivo u obrazovne svrhe.

Prilikom izbora transformatora, osiguraca, kao i drugih

elemenata zaštite obavezno treba prouciti dodatnu strucnu

literaturu, a posebno informacije i preporuke date u

tehnickim specifikacijama proizvodaca.


z. prijic´ -...

Documents