SYSTEMES ELECTRONIQUES I - cours, examens

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Systèmes électroniques I (complet)Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du canton du Vaud
SYSTEMES ELECTRONIQUES I PREMIERE PARTIE
Marc Correvon
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
T A B L E D E S M A T I E R E S
PAGE
1. INTRODUCTION...........................................................................................................................................1-1
2.4 RÉFÉRENCE DE TENSION EN TECHNOLOGIE XFET................................................................................2-15 2.4.1 Généralités......................................................................................................................... 2-15 2.4.2 Principe .............................................................................................................................. 2-15
2.6 ETUDE DE LA RÉFÉRENCE DE TENSION REF02.....................................................................................2-20 2.6.1 Description du circuit .......................................................................................................... 2-20 2.6.2 Exemple de dimensionnement ........................................................................................... 2-21
3.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................3-1 3.1.1 Fonctionnement standard..................................................................................................... 3-1 3.1.2 Fonctionnement en mode LDO ............................................................................................ 3-1 3.1.3 Boucle de réglage et stabilité ............................................................................................... 3-2 3.1.4 Importance de la référence de tension ................................................................................. 3-2
3.3 STABILITÉ DES RÉGULATEUR LDO .......................................................................................................3-12 3.3.1 Introduction ........................................................................................................................ 3-12 3.3.2 Modèle simplifié par accroissement des composants du régulateur LDO .......................... 3-12 3.3.3 Modèle petits signaux du régulateur LDO .......................................................................... 3-13 3.3.4 Etude de la fonction de transfert en boucle ouverte. .......................................................... 3-14 3.3.5 Paramètres des régulateurs LDO....................................................................................... 3-17
3.4 LIMITATION DU COURANT DE SORTIE.....................................................................................................3-19 3.4.1 Généralités......................................................................................................................... 3-19 3.4.2 Caractéristique rectangulaire de la limitation de courant.................................................... 3-19 3.4.3 Caractéristique réentrante (foldback) de la limitation de courant........................................ 3-22
4.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................4-1 4.1.1 Généralités........................................................................................................................... 4-1 4.1.2 Définition des sources et des récepteurs ............................................................................. 4-2 4.1.3 Semiconducteurs disponibles comme fonction interrupteur. ................................................ 4-3
4.5 ALIMENTATION DE TYPE PARALLÈLE OU ÉLÉVATRICE DE TENSION...........................................................4-15 4.5.1 Conduction continue........................................................................................................... 4-15 4.5.2 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ....................................... 4-18 4.5.3 Ondulation de la tension uC. Choix de C ............................................................................ 4-18 4.5.4 Frontière entre le mode continu et intermittent ................................................................... 4-19 4.5.5 Conduction intermittente .................................................................................................... 4-20 4.5.6 Caractéristique statique avec tension sortie constante ...................................................... 4-21 4.5.7 Diagramme structurel ......................................................................................................... 4-23
4.6 ALIMENTATION À DÉCOUPAGE NON RÉVERSIBLE A LIAISON INDIRECTE....................................................4-24 4.6.1 Généralités......................................................................................................................... 4-24 4.6.2 Hacheur à stockage inductif ............................................................................................... 4-24 4.6.3 Conduction continue........................................................................................................... 4-25 4.6.4 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ....................................... 4-28 4.6.5 Frontière entre le mode continu et intermittent ................................................................... 4-29 4.6.6 Conduction intermittente .................................................................................................... 4-29 4.6.7 Caractéristique statique avec tension de sortie constante ................................................. 4-31
4.6.8 Diagramme structurel ......................................................................................................... 4-33
5.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................5-1 5.1.1 Relations de base................................................................................................................. 5-1 5.1.2 Circuits magnétiques............................................................................................................ 5-6
6.1 CONVERTISSEUR À STOCKAGE INDUCTIF AVEC ISOLATION GALVANIQUE ...................................................6-1 6.1.1 Montage FLYBACK.............................................................................................................. 6-1 6.1.2 Conduction continue............................................................................................................. 6-3 6.1.3 Limite de la conduction continue .......................................................................................... 6-2 6.1.4 Fonctionnement en conduction intermittente........................................................................ 6-3 6.1.5 Considération sur le transfert d’énergie................................................................................ 6-4 6.1.6 Dimensionnement du transformateur d’un montage Flyback ............................................... 6-6
6.4 ÉVALUATION ET DIMENSIONNEMENT DES CONVERTISSEURS DC-DC .....................................................6-19 6.4.1 Généralités......................................................................................................................... 6-19 6.4.2 Stress et taux d’utilisation des semiconducteurs (transistor) .............................................. 6-19
7.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................7-1 7.2 LES CONDENSATEURS...........................................................................................................................7-1
7.3 LES MATERIAUX MAGNETIQUES ..............................................................................................................7-6 7.3.1 Les matériaux....................................................................................................................... 7-6 7.3.2 Grandeurs caractéristiques des matériaux magnétiques ..................................................... 7-6 7.3.3 Les matériaux magnétiques et les corps de bobines............................................................ 7-7 7.3.4 Dimensionnement d’une inductance .................................................................................. 7-13 7.3.5 Dimensionnement d’un transformateur .............................................................................. 7-14
7.4 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE ...............................................................................................7-21 7.4.1 Les MOFSET ..................................................................................................................... 7-21
Volume VIII : Electronique Auteurs : J.D. Chatelain et R.Dessoulavy ISBN : 2-604-00010-5
[2] CIRCUIT ET SYSTEMES ELECTRONIQUES ELECTRONIQUE III, PARTIE I Auteur : M. Declercq
[3] THE ART OF ELECTONICS Auteurs : P. Horowitz, W. Hill ISBN : 0-521-37095-7
[4] Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals National Semiconductor Chester Simpson Member of Technical Staff Power Management Applications
[5] Fundamental Theory PMOS Low Dropout Voltage regulator Application report SLVA068
[6] AN-18 (PMI) Thermometer application of the REF02
[7] Technical review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and performance Application Report SLVA072
[8] Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators Application Reports Texas Instruments, Incorporated SLVA079
[9] Digital Designer's Guide to Linear Voltage Regulators & Thermal Mgmt Application Report SLVA118
[10] Advantages of using PMOS-type low-dropout linear regulators in battery applications Analog applications, power management SLYT161
[11] LES CONVERTISSEURS DE L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE
Volume 3 : La conversion continue – continue (2ème édition) Auteurs : Robert Bausière, Francis Labrique, Guy Seguier Chapitre 3 ISBN : 2-7430-0139-9
[12] POWER ELECTRONICS Converters, Applications and Design Auteurs : Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins Chapitre 5 ISBN : 0-471-50537-4
[13] FUNDAMENTALS OF POWER ELECTRONICS Auteur : Robert W.Erickson Chapitre 2 & 5 ISBN : 0-412-08541-0
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION Page 1-1
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
1. Introduction
1.1 BUT Le cours « Systèmes Electroniques I » est une description des fonctions élémentaires de l’électronique industrielle. En effet, pour pouvoir réaliser un système électronique sur la base d’un cahier des charges, il est nécessaire de bien maîtriser l’ensemble des fonctions constituant le système. Il faut non seulement avoir de bonnes connaissances en électronique mais également de l’ensemble du problème à résoudre. Par exemple pour une commande de moteur, il faut être capable de dimensionner les composants en fonction de la puissance à fournir, du niveau de tension, de courant et pour finir des contraintes d’environnement (température, vibrations, humidité, …). Les progrès technologiques des circuits intégrés et des semiconducteurs de puissance permettent de réduire toujours plus l’encombrement de l’électronique, les contraintes thermiques et la tenue des diélectriques étant le dernier obstacle à la miniaturisation. Le concepteur de cartes électroniques doit avoir une très bonne connaissance des composants disponibles, il est donc important qu’il sache, de manière efficace, ou chercher l’information sur les plus récents développements et produits des fabricants.
1.2 FILS CONDUCTEURS ET CHAPITRES DU COURS Toutes cartes électroniques possèdent aux moins une alimentation sous la forme d’un régulateur de tension ou d’un convertisseur DC/DC. L’asservissement de ces composants nécessite l’utilisation de références de tension. Pour les composants travaillant en commutation, la commande des commutateurs électroniques (semiconducteurs) est un point important à comprendre et à maitriser. Selon les contraintes, il peut s’avérer nécessaire de réaliser une séparation galvanique entre divers fonctions. Dans ce cas, les signaux analogiques et logiques devront être découplés de manières optoélectronique, capacitive ou inductive. Pour les alimentations avec séparation galvanique, l’utilisation d’un transformateur est nécessaire. La pratique montre que la compréhension du transformateur et son dimensionnement sont en général mal connus et mal maîtrisés. Afin de répondre au mieux aux divers points soulevés ci-dessus, les chapitres du cours sont organisés selon la logique décrite ci-dessous. Le chapitre 2 – Références de tension est une description du design permettant la réalisation d’une référence de tension en tenant compte de sa sensibilité à la température. Le chapitre 3 – Régulateurs de tension donne un aperçu des composants réalisant un asservissement de la tension d’alimentation et des limites thermiques liées à la structure même de ces composants. Le chapitre 4 – Alimentations à découpage à inductance simple donne les bases théoriques du fonctionnement des convertisseurs DC/DC sans séparation galvanique.
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION Page 1-2
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
Convertisseurs DC/DC Régulateurs linéaires
Carte(s) électronique(s)
Tensions et courants d’entrée et de sortie Séparation galvanique Type de convertisseur Contraintes thermiques Protection ...
Référence de tension
Entrée
Standard ou planar Type de matériau Taille du circuit magnétique Nombre de spires ...
Tensions et courants d’entrée et de sortie Précision de la tension de sortie Contraintes thermiques Protection Stabilité ... Découplage des signaux
Driver de gate
Type Courant impulsionnel de sortie Alimentation uni/bi-polaire Tenue en tension Protection ...
Type de découplage Vitesse Tenue en tension Protection ...
Figure 1-1 : Structure de l’alimentation d’une carte électronique
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION Page 1-3
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
Le chapitre 5 – Transformateurs à impulsions donne les bases nécessaires à la réalisation non seulement des transformateurs utilisés pour les convertisseurs DC/DC avec séparation galvanique mais aussi pour la transmission découplée de signaux analogiques ou logiques. Puis dans la logique du déroulement du cours. Le chapitre 6 – Alimentations à découpage à transformateur est une description non exhaustive des convertisseurs DC/DC avec séparation galvanique. Le chapitre 7 – Composants des alimentations à découpage concerne le dimensionnements d’une inductance ou d’un transformateur pour les alimentations à découpage. Il donne également une brève description des divers composants passifs utilisables pour ce type d’application. Le chapitre 8 – Commande des éléments de commutation est une description des topologies les plus courantes pour réaliser des commandes pour MOSFET et IGBT en tenant compte des contraintes de l’application.
1.3 CONSIDÉRATIONS TECHNOLOGIQUES
1.3.1 Généralités L’électronique peut être soumise à des contraintes sévères. Chaque composant doit être choisi de manière optimale au niveau de ces caractéristiques, de son boitier, de sa disponibilité et de son coût. L’ensemble de ces exigences n’est pas simple à maitriser. Cette section donne description succincte des contraintes auxquelles il faut faire face. Dans le cadre de ce cours, les composants suivants seront abordés.
− Amplificateurs opérationnels. − Références de tension et de courant. − Régulateurs linéaires (LDO) − Circuits dédicacés aux abaisseurs (step-down) et aux élévateurs de tension (step-up) − Circuits dédicacés aux alimentations Flyback, Forward, push-pull − Driver de gate − Circuits magnétiques. − Semiconducteurs dédiés à la commutation, MOSFET, IGBT, Diode
Chacun de ces composants doit répondre à des exigences dépendant de l’application. Les références de tension doivent fournir des tensions indépendantes de la tension alimentation et de la température. Les régulateurs de tension et les convertisseurs DC/DC doivent être stables (asservissement de tension) sous certaines conditions bien maitrisée, ils doivent être protégés contre les courts-circuits et contre les surcharges thermiques. Les transformateurs doivent travailler dans leur zone linéaire, la saturation du circuit magnétique ne doit jamais se produire Enfin la commande des semiconducteurs de puissance (driver de gate) doit être réalisée de manière à optimiser le nombre et le coût des composants.
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION Page 1-4
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
1.4 NOTES D’APPLICATIONS Le cours a pour but de vous faire découvrir la théorie qui se cache derrière chaque fonction constituant un système électronique. Des notes d’applications, basées sur des exemples concrets sont aussi à disposition pour illustrer le cours par des aspects plus pratique.
1.5 AVERTISSEMENT Ce cours se base sur les cours suivants : ENA : Electronique analogique SES : Signaux et systèmes
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-1
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
2. Références de tension.
2.1 INTRODUCTION
2.1.1 Généralité La majorité des références de tension modernes sont construites selon trois principes différents. Les caractéristiques principales d’une référence de tension sont la précision absolue de la tension, la dérive en température, le niveau de bruit, la consommation et la stabilité au vieillissement.
2.1.2 Référence de tension de type « bandgap » La référence de tension de type bandgap est basée sur l’exploitation des caractéristiques de la tension thermodynamique VT. La Figure 2-1 donne le schéma de principe de ce type de référence
Figure 2-1 : Architecture des références de tension « Bandgap »
2.1.3 Référence de tension de type « diode Zener enterrée » La référence tension de type « diode Zener enterrée » est basée sur l’utilisation de Zener enterrée (buried Zener diode) dans le but de minimiser le bruit, la dérive thermique et d’améliorer la stabilité dans le temps. La Figure 2-2 illustre le principe de base de ce type de référence de tension
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-2
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
Figure 2-2 : Architecture des références de tension « Zener enterrée »
2.1.3.1 Référence de tension de type « XFET » La référence tension de type XFET est basée sur l’utilisation de la tension de pincement des transistors à effet de champ (XFET : eXtra implanted FET). La Figure 2-3 met en évidence la structure de base d’une référence de tension de type XFET.
Figure 2-3 : Architecture des références de tension « XFET »
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-3
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
2.2 RÉFÉRENCE DE TENSION ISSUE D’UNE DIODE ZENER
2.2.1 Généralités Une diode Zener présente, dans le sens passant, des caractéristiques identiques à celles d’une diode normale. Par contre dans le sens inverse, un courant peut circuler si la tension appliquée aux bornes de l’élément semiconducteur est suffisamment élevée. La tension inverse permettant la conduction brusque de la diode est appelée tension Zener. Pour obtenir une tension Zener, il faut fortement doper la jonction p-n de la diode de manière à permettre un passage « facile » des électrons de la bande de valence de la zone dopée p à la bande de conduction de la zone dopée n. Les porteurs de charges (des éléments de dopage) ainsi libérés sont assez nombreux pour que le courant augmente brutalement et pour que la tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas. Cet effet, appelé « effet Zener » a été découvert par un physicien américain du nom de Clarence Melvin Zener. Pour d’autres diodes Zener, il est possible que sous l’action du champ électrique interne, les porteurs de charges minoritaires (du silicium) de la zone isolante acquièrent une énergie telle qu’il puisse y avoir ionisation par choc, provoquant un effet d’avalanche, le courant croît extrêmement vite. La tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas non plus. C’est ce qui est appelé effet d’avalanche. La Figure 2-4 montre clairement que le courant croit plus vite pour l’effet avalanche. En réalité ces deux effets sont présents dans une diode Zener. Pour une diode Zener au silicium, jusqu’à 5.1V, c’est l’effet Zener qui est qui est prédominant. Ces diodes présentent une tension Zener avec une dérive en température négative. Au dessus de 5.1V, c’est l’effet avalanche qui devient le plus important et du même coup la tension Zener présente un dérive en température positive
0 1 2 V [V]
109876543
z
0
10
20
30
40
50
Effet Zener
Figure 2-4 : Caractéristique de diodes Zener pour un courant de polarisation constant de 5mA
L’effet de la température sur la tension Zener peut être annulé, ou fortement diminué, en ajoutant une diode en série (dérive en température de -2.28mV/°C @ T=27°C) dans le sens passant. On parle alors de diode Zener compensée en température. Dans ce cas la tension Zener est de 6.2V au lieu des 5.1V (correspondant au coefficient de température le plus faible).
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-4
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
ΔV [V]z 0.8
Tj [°C] 0 20 40 60 80 100 120 140
25V 15V
5.6V
5.1V
4.7V3.6V
Figure 2-5 : Dérive de la tension Zener en fonction de la température.
2.2.2 Diode Zener enterrée (buried Zener) La diode Zener est un élément abondamment utilisé dans les applications non critiques. Les designers de circuits intégrés utilisent les jonctions Base – Emetteur des transistors NPN, polarisées en inverse, comme diode Zener de référence. L’effet Zener apparait à la surface de la puce, là où les effets de contamination et les charges d’oxyde sont les plus importantes. Ces jonction sont bruyantes et souffrent de dérives en température et dans le temps qui ne sont pas prédictibles. Les diodes Zener enterrées placent la jonction en dessous de la surface du silicium, loin des effets de contamination et d’oxydation. Le résultat est une diode Zener avec une grande stabilité dans le temps, un faible bruit et une bonne précision initiale. La Figure 2-6 montre le début de la fabrication d’une diode Zener enterrée. Une région enterrée dopée n+ est située sous la structure Zener afin de la protéger des prochaines diffusions de contact avec le substrat. Après croissance de la couche épitaxiale n-, une diffusion p+ est répandue par une petite ouverture au centre de la structure Zener. En même temps, la diffusion p+ est répandue à la périphérie pour former un caisson isolé contenant la structure Zener entière.
OUVERTURE DE L’OXIDE POUR DIFFUSION p ISO
p – SUBSTRAT
n + BURIED LAYER
+
Figure 2-6 : Structure initiale lors de la fabrication d’une diode Zener enterrée
La diffusion p+ centrale est protégée d’un contact avec le substrat p- par la couche enterrée n+, alors qu’on permet aux diffusions latérales p+ d’atteindre le substrat et de former un caisson d’isolement.
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-5
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
Il est important de noter que la concentration la plus élevée p+ se produit directement sous l’ouverture du masque et que la concentration de dopant est la plus faible aux franges d’une diffusion. Les dernières étapes incluent une diffusion de base p- et une diffusion d’émetteur n+, situées au centre de la structure Zener (voir la Figure 2-7). L’émetteur n+ devient la cathode, tandis que l’isolement combiné et la diffusion de base p- sert d’anode. La jonction fortement dopée se trouve au fond de la cathode, là où l’émetteur n+ et la diffusion p+ présentent les concentrations les plus riches. Les concentrations latérales, plus légères ont comme conséquence une tension Zener plus élevée et par conséquent ces zones ne sont pas actives. Le résultat est une tension Zener extrêmement stable de très faible bruit et insensible aux effets extérieurs de contamination ou d’oxydation.
p – SUBSTRAT
n + EMETTEUR
Figure 2-7 : Structure d’une diode Zener enterrée
2.2.2.1 Exemple d’une référence de tension basée sur une diode Zener Une diode Zener est polarisée par une source de courant. Un diviseur résistif permet d’extraire une fraction de la tension Zener. Un amplificateur de tension à gain positif permet d’une part de présenter une haute impédance du côté du diviseur de tension résistif et d’autre part de fournir une source de tension de référence avec une faible impédance de sortie. Pour avoir une faible dérive en température, la diode Zener, de 6.2V, est compensée en température (ajout d’une diode série).
Figure 2-8 : Structure de base d’une référence de tension de type « buried Zener »
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-6
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
Zout V R R
2 1 2.1
2.2.3 Références de tension intégrée Pour obtenir des références de tension précises, il existe des circuits intégrés dans lesquels on trouve une diode Zener compensée en température, alimentée par une source de courant. Pour des performances accrues, cette diode Zener est enterrée afin de la protéger des impuretés, des contraintes mécaniques et des imperfections de surface qui contribuent à accroître le bruit et à dégrader la stabilité à long terme. Si les performances globales (précision, bruit, coefficient de température, stabilité à long terme) sont suffisamment bonnes pour autoriser leur emploi dans les systèmes à haute résolution, elles sont plus coûteuses que les références de type bandgap. De plus, elles sont peu adaptées aux systèmes basse tension, ce qui prend à contresens la tendance générale des systèmes électroniques embarqués. Cela tient au fait que les meilleurs résultats en stabilité dans le temps et en température sont obtenus avec des Zener de 6.2V, qu’il est nécessaire d’alimenter à partir d’une source de tension d’au moins 1.5V à 2V supérieure. La tension de 6.2V est ensuite rapportée à une valeur plus faible par le biais d’un réseau résistif, puis est ajustée à la valeur souhaitée par l’intermédiaire d’un amplificateur opérationnel, qui fait par ailleurs office d’adaptation d’impédance. Des réseaux plus ou moins complexes sont chargés de compenser la variation non linéaire de la tension de sortie en fonction de la température. Ainsi, dans ses différentes séries VRE à diode Zener, Thaler fait usage d’un réseau de compensation non linéaire du troisième ordre formé de thermistances et de résistances ajustées au laser. Avec les références à diode Zener enterrée, les caractéristiques suivantes peuvent être atteintes :
− précision comprise entre ±0.01 et ±0.04%, − dérive en température de 1 à 10 ppm/°C (dans la gamme commerciale 0 à + 70°C), − dérive sur le long terme entre 6 et 20ppm/1000hrs.
Figure 2-9 : Zener avec réseau de compensation
CHAPITRE 2 : RÉFÉRENCES DE TENSION Page 2-7
SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
2.3 RÉFÉRENCE DE TENSION PAR EXPLOITATION DE LA BANDE INTERDITE
2.3.1 Généralités L’utilisation dans les circuits intégrés de sources de…