Half Bridge Overshoot

[Bobbylette]

Bonsoir a tous,

Dans le cadre d'un projet je veux générer un signal carre avec une amplitude variable (0V - 5V).
J'ai choisi comme solution un half bridge avec pmos et nmos. Je suis conscient que les half bridges sont fait pour de la puissance, mais dans mon cas les temps de montes et de descente doivent être les plus rapides possible (de l'ordre de 100 ns). Je ne souhaite pas non plus utiliser OP AMP.

J'utilise le driver suivant (http://www.farnell.com/datasheets/1783780.pdf). La commande des entrées est réalisée en Verilog. Je peux donc régler le délai entre les commutations pour éviter que les MOS ne conduisent en même temps. Le datasheet des MOS est ici (http://www.farnell.com/datasheets/1911940.pdf).

J'ai réalisé le montage suivant sur plaquette d'expérimentation (voir pièce jointe).
Le circuit fonctionne, c'est-à-dire que je peux contrôler l'état haut et l'état bas, mais un problème persiste.
J'ai simulé le circuit sur SPICE pour éviter les problèmes du a la plaque d'essai (inducatnce parasiste ...) et je retrouve le même problème, le voici.

Lorque que les MOS commutent (pmos et nmos off) la sortie subit un overshoot ou descend en dessous de 0.
Un beau schéma est mieux qu'un beau discourt donc voici des captures d'écrans de la simulation.
La première capture montre les tensions sur les grilles des MOS. Je n'ai pas de SPICE modèle pour le driver alors j'ai utilisé le générateur de signal carre avec des délais approprie pour récré la sortir du driver.
La deuxième capture montre problème lorsque les MOS commutent.

Voici des éléments intéressants :

Même si l'amplitude d'alimentation change, le dépassement reste fixe.
En modifiant la résistance de grille des MOS (je change donc le courant de charge et décharge) l'amplitude du dépassement change. (plus la résistance est élevée, moins l'amplitude est grande).

Après plusieurs recherches sur internet, le problème pourrait venir de la capacité parasite Ciss (ou CGS entre la grille et le drain).

J'ai besoin de piste pour résoudre mon problème.

Merci d'avance.
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[bobflux]

Tu as besoin de combien d'ampères pour ton signal carré ?

Note : les 2 AOP... hum. No comment

[Bobbylette]

Quelque mA suffise (je cherche avant tout des fronts très rapides)

Dans le montage final, l’entrée des AOPs sera contrôlée par des DACs.

[erff]

Bonjour,

Aïe ! Le montage est irrespectueux


Sérieusement, ce genre de chose ne peut-elle pas se faire directement avec ton FPGA ?
Et le condensateur de 1nF est là pour décorer ou il sera monté en pratique ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[bobflux]

Il y a plusieurs problèmes dans ton approche.

- La commutation des MOS va injecter des charges dans la sortie, il y aura donc des glitch à la commutation.
- Les AOP qui génèrent les tensions de référence ont une impédance de sortie non nulle, et vont réagir à la commutation par divers effets (slew rate, settling time, etc) ce qui va pourrir ton signal.
- Driver les MOS n'est pas trivial

Si tu veux des flancs de 100ns, ce qui n'est pas spécialement rapide, le plus simple serait simplement d'utiliser un DAC et de générer le carré avec. Utilise un uC quelconque pour charges les données dans le DAC, et voilà.

Il faudrait en savoir plus sur otn cahier des charges (notamment, la charge en sortie, pourquoi 1nF, le settling time désiré et à quel point les parties plates du carré doivent être plates, etc.)

[Qristoff]

J'ai pas tout compris...
Les AOP vont sortir des tensions variables issues de 2 DAC c'est ça ?
Et tu veux commuter la sortie entre ces deux tensions variables, c'est ça ? pourquoi ne pas utiliser un switch analogique ?

[Bobbylette]

Oui en effet, tu as compris ce que je veux faire Qristoff.
Le switch analogique supporte une sortie capacitive de quelques nF ? As tu des references ?
Je n'ai jamais utiliser cela auparavant.

Mon montage sur plaque d'essai fonctionne bien, je reconnais que les AOP de cette facon, c'est très moche.
Mais en remplacant les AOP par une vrai alimentation 5V et la source du NMOS reliee a la masse mon signal a le meme probleme.


Aïe ! Le montage est irrespectueux
A ce point ?

[bobflux]

hop je la remets :

Il faudrait en savoir plus sur otn cahier des charges (notamment, la charge en sortie, pourquoi 1nF, le settling time désiré et à quel point les parties plates du carré doivent être plates, etc.)

[Qristoff]

Pourquoi quelques nF ? c'est dans ton cahier charges ? Pour aller vite, il faut réduire au maximum les capas !
Coté switch analogique tu peux regarder ça.
Pour la charge, tu peux intercaler un AOP en montage suiveur pour que le switch ne soit pas perturbé par la charge de 1nF

[Qristoff]

Et c'est vrai qu'il est plus élégant et simple de générer les signaux dans le DAC directement, comme l'a précisé Bobfuck.

[Bobbylette]

@bobfuck

L’idée est de simuler un problème dans un protocole de communication.
Le protocol en question est le SENT.
Voici un lien d'un IC qui permet de lire ce protocole.
http://www.nxp.com/files/microcontro...ote/AN4219.pdf
La charge de sortie qui sera en fait un filtre (il y a le circuit page 6) dans mon cas mon montage sera le SENT protocol generator.

En principe ce protocole utilise une sortie Open drain reliée a une pull-up mais j'ai besoin d’imposée une tension car je veux simuler une erreur sur la ligne d'alimentation ou sur la masse.
(d'ou l’idée des AOP avec des DACs).
Tu vas probablement me dire que les temps de montes de descentes sont relativement longs (de l'ordre de 4us) mais j'ai besoin également de simuler des erreurs de timing ...
Les fronts doivent donc être rapide.


@Qristoff

Le switch remplace donc les MOS et le driver et je choisi la tension avec V+ et V-
Ca me parait intéressant, je vais regarder dans cette direction.

[Qristoff]

Il y a des DAC avec des temps d'établissement autours de 100ns ! Les DAC à base de commutation de réseaux R/2R sont trés rapides si tu n'as pas besoin d'une grande résolution (8 bits ?)

[bobflux]

En effet, dans ce cas un bête switch analogique conviendra. Attention à sa résistance.
Il faut mettre des condensateurs à la sortie des AOP pour que la tension soit stable lors de la commutation. Isole les AOP par une résistance...

Mais bon un DAC reste une meilleure solution, car tu pourras simuler plus de défauts.

[Bobbylette]

Le probleme avec le switch analogique est que je ne peux pas avoir un signal de 2V - 5V.
Je peux régler l'amplitude de l'état haut mais pas celle de l'état bas.

[bobflux]

Ben... si. Prends un switch double (SPDT)...

[Bobbylette]

Ah oui en effet, tu as raison.
Donc pour résumer, l'entrée des switch est réalisée par DAC + AOP isolé par une résistance (pour stabilité je suppose ?)
Je devrais placer un AOP en sortie du switch ?

[bobflux]

En sortie ce sera pas nécessaire si ton switch a une résistance assez faible.

[Bobbylette]

Je n'ai rien trouvé dans le datasheet concernant la forme du signal avec une charge capacitive.
Meme si dans mon cas il s'agit que de quelques nF, qu'est ce que tu en penses ?

[bobflux]

Quand le switch est fermé, c'est juste une résistance, donc la forme du signal dépendra de ce qu'il y aura avant le switch.

Par exemple, si c'est un AOP, lors de la commutation l'AOP sera confronté à la charge capacitive à travers la résistance du switch.

Mettons que la capa fasse 1nF. Si tu veux un temps de montée voisin de 100ns, on va partir sur un RC ayant une constante de temps de 30-50ns à la louche, donc une résistance de switch dans les 5-10 ohms. Comme l'impédance de sortie de l'AOP en hautes fréquences sera élevée, je te conseille de mettre une capa à la sortie, par exemple 1uF, et d'isoler l'AOP par une résistance de 50 ohms...

[bobflux]

Ou sinon, l'autre solution c'est un AOP en sortie après le switch, mais dans ce cas un capable de driver la charge.

[Qristoff]

5-10 ohms

c'est généralement plus que ça. Compte entre 20 et 30 ohms.

l'autre solution c'est un AOP en sortie après le switch,

c'est ce que j'ai préconisé en parlant de suiveur derrière le switch.

[Bobbylette]

Je n'ai pas de bon souvenir pour driver une charge capacitive avec un AOP.
Autre question, de l'autre côté, il y a également une resistance pull-up connectée au 5V.
Ca ne va pas posé problème ?

http://www.nxp.com/files/microcontro...ote/AN4219.pdf page 6

[bobflux]

Prends un AOP capable de driver des câbles (il y en a moultes dans la catégorie vidéo) et rajoute une résistance...

[Bobbylette]

ok merci, je vais suivre tes conseils

Bonne nuit