¿Por qué la conmutación provoca la disipación de energía?

¿Por qué la conmutación provoca la disipación de energía?

Imagine que tiene un transistor de conmutación casi perfecto que no necesita energía de control para cambiar de un circuito abierto a un circuito cerrado "óhmico" de valor muy bajo (o viceversa). Por definición, no se desperdicia energía en la conducción de este transistor.

Luego, imagine que el transistor tuvo que descargar un nodo de (digamos) 5 voltios a 0 voltios; imagine también que el nodo no poseía autocapacitancia. Esto significaría entonces que no se necesita energía para cambiar el voltaje en ese nodo de 5 voltios a 0 voltios.

También significa que el nodo en cuestión no necesitaría energía para restablecer los 5 voltios cuando el transistor de descarga se abriera.

Pero, cada nodo tiene capacitancia e, inicialmente, esa capacitancia se carga a 5 voltios, por lo que, para descargar ese nodo, debe eliminar la energía y convertirla en calor en la resistencia óhmica "activada" muy baja de ese transistor. Entonces, tiene energía "quemada" y la convirtió en calor y, cuando el transistor se desconecta, la capacitancia del nodo se recarga a 5 voltios; para hacerlo, tiene que tomar energía de los rieles de alimentación para recargar la capacitancia.

Entonces, si esto se repite cíclicamente, está tomando energía de los rieles de energía cíclicamente y convirtiendo esa energía en calor.

La potencia es energía por segundo. Por lo tanto, la conmutación provoca la disipación de energía. Si realiza esta conmutación a baja frecuencia, la potencia es menor; si lo haces a alta frecuencia, la potencia es mayor.

Considere una conmutación MOSFET.

La conmutación es un evento transitorio, por lo que las pérdidas no suelen modelarse como "potencia". Cada acción de conmutación disipa un poco de energía. Luego, multiplica esto por la frecuencia de conmutación (o divide por el período) y obtienes la potencia disipada, que es energía disipada en un segundo.

Para cambiar del estado "apagado" al estado "encendido", su compuerta debe cargarse a un voltaje adecuado, lo que involucra tanto la capacitancia de la fuente de la compuerta como la del drenaje de la compuerta. El cargo requerido se llama "cargo de puerta". La corriente para cargarlo proviene del circuito de conducción, que tiene que gastar un poco de energía para proporcionarla. Cuánto depende de la capacitancia del FET y debido a la capacitancia del drenaje de la puerta$C_{gd}$, su voltaje de fuente de drenaje$V_{ds}$. Básicamente, el controlador cambia un FET entre VCC y la puerta FET accionada, este FET es resistivo cuando está encendido y la corriente de la puerta incurre en pérdidas resistivas. Al apagar el FET accionado, su compuerta se pone en cortocircuito a tierra con otro FET controlador, por lo que no consume corriente de VCC y, aunque la energía se disipa en el FET impulsor, no cuenta para el presupuesto total de energía. Para conmutar rápidamente un MOSFET de gran potencia, es posible que el circuito de activación deba proporcionar una gran cantidad de corriente (varios amperios).

Luego, cuando su puerta se carga, el MOSFET no pasa de "apagado" a "encendido" instantáneamente. Entre los dos, hay un breve intervalo en el que su voltaje de puerta aumenta (o disminuye) y el FET funciona en modo lineal. En un convertidor reductor, por ejemplo, la corriente del inductor no deja de fluir durante la conmutación, simplemente cambia del FET superior al diodo (o el FET inferior). Por ejemplo, cuando el FET superior se apaga, su voltaje de drenaje pasa de casi cero (cuando estaba conduciendo) al voltaje de suministro completo. Durante todo este tiempo, la corriente del inductor sigue fluyendo a través del FET, lo que disipa la potencia vi, siendo i aproximadamente constante, y$V$Rampa de 0V a VCC. Solo cuando el otro FET (o el diodo) se enciende, la corriente del inductor deja de fluir hacia el FET superior, para fluir hacia el otro en su lugar. Esto conduce a una pérdida de energía en el FET, que es aproximadamente la mitad del producto del tiempo de conmutación,$V_{ds}$, y$I_d$. Dado que ocurre dos veces en cada período, puede calcular la pérdida de energía de conmutación por período como$T_{switch} \cdot V_{ds} \cdot I_d$.

Lo anterior se aplica principalmente a los FET de potencia, no a los FET en puertas lógicas. Estos últimos no son inductores de conducción, por lo que no hay inductor para forzar la corriente a través del FET cuando se apaga. Su compuerta aún necesita ser accionada, pero si no hay corriente de drenaje, entonces no hay pérdidas de conmutación.

Luego está la capacitancia de carga. Siempre hay capacitancia, por lo que cuando su FET cambia, traerá el voltaje de salida a través de la carga de 0V a VCC y viceversa. Cada vez, esto carga y descarga la capacitancia de la carga, y eso provoca el mismo tipo de pérdidas que se explicaron anteriormente cuando se activa la compuerta FET.

Centrémonos en la tecnología CMOS, que es la tecnología lógica más utilizada en la actualidad y es bastante sencilla de entender.

El componente básico de las puertas CMOS es una estructura que funciona como un inversor, con un NMOS y un PMOS que actúan como interruptores que se encienden y apagan alternativamente ( MOS Complementario - CMOS). Otras puertas son simplemente configuraciones más complicadas de pares de interruptores NMOS-PMOS.

Entonces, consideremos la estructura básica del inversor:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Hay dos fuentes de pérdida de energía en este circuito durante la conmutación:

• Las compuertas del PMOS/NMOS deben cargarse/descargarse para hacer que el estado del interruptor de entrada (y, por lo tanto, hacer que la salida del inversor cambie al estado). Puede imaginar este proceso como un ciclo de carga y descarga de un circuito RC, donde R es la resistencia de salida de lo que sea que impulse las puertas.

• Durante la conmutación, el voltaje en las puertas varía con una velocidad finita, por lo tanto, hay un intervalo de tiempo finito durante el cual ni el PMOS ni el NMOS están completamente apagados (en condiciones estáticas ideales, uno debe estar completamente apagado y el otro completamente encendido). Por lo tanto, la corriente I0 será distinta de cero (esto se denomina disparo directo) porque el riel de alimentación se "cortocircuitará" a tierra con una resistencia relativamente pequeña durante (con suerte) una pequeña cantidad de tiempo. Por eso es peligroso hacer que una entrada CMOS flote: podría alcanzar un nivel de voltaje intermedio para el cual ambos MOSFET están parcialmente encendidos, haciendo que I0 no sea cero continuamente, con el riesgo de sobrecalentarse y dañar los transistores.

Por supuesto, estos pequeños tragos de energía que se pierden en cada evento de conmutación se vuelven cada vez más relevantes a medida que aumenta la frecuencia de conmutación y que los bordes de la señal de conducción se vuelven más lentos (tiempo de subida más largo).

Además del límite de Landauer mencionado por @jonk, la implementación física más real de un cambio de estado irreversible disipa energía adicional.

En un sistema electrónico simple, como un flip flop o una puerta NOT, el cambio de estado es causado por la corriente de carga eléctrica a través de trazas resistivas. La corriente de carga que fluye a través de una resistencia genera calor. Este calor es en su mayor parte irrecuperable porque la disipación de calor aumenta la entropía.

Estos sistemas electrónicos también requieren fundamentalmente de la resistencia para funcionar. Si elimina toda la resistencia de un circuito eléctrico, se quedaría con una malla de corriente de carga en constante oscilación. Eso significa que, sin resistencia, no puede haber un cambio de estado irreversible en un sistema puramente electrónico. Esta es también la esencia del Límite de Landauer mencionado anteriormente. Si tienes dos estados que son distintos, debe haber una barrera de energía que los separe, y al superar la barrera de energía se disipa la cantidad de energía correspondiente.

Creo que las otras respuestas carecen de un cálculo para mostrar las verdaderas implicaciones del consumo de energía en los circuitos digitales.

Para simplificar, podemos decir que los transistores se encienden/apagan cuando hay un voltaje alto/bajo en su entrada llamada "puerta". Para permanecer encendido, debe haber alguna capacitancia aquí,$C$. Para cambiar el estado del transistor de apagado a encendido, debemos cargar el voltaje en esta capacitancia de$0$a$V$(dónde$V$es la lógica "alta" en nuestro circuito) y para cambiarlo de encendido a apagado debemos descargar el voltaje sobre esta capacitancia$C$de$V$a$0$.

Cargamos y descargamos esta capacitancia usando otros transistores (Imagínese que estos transistores "controladores" son la entrada de una puerta lógica anterior, y el transistor "impulsado" es la siguiente puerta lógica en la cadena). Cuando queremos cargar el condensador de entrada, sale una corriente de la fuente con un voltaje de$V$, a través del transistor de conducción, en el condensador. Esta corriente fluye, disminuyendo hacia cero a medida que se llena la capacitancia.

¿Cuánta energía usó esta secuencia de encendido? Bueno, fluía algo de corriente y había un voltaje en el transistor impulsor, pero cuando la capacitancia llenó la corriente y el voltaje en el transistor impulsor se fue a cero. Desde$P = IV$, obviamente hubo algo de disipación de energía sobre el transistor mientras el capacitor se estaba cargando, pero no hay energía una vez que está cargado. Esto es lo que significa que solo se consume "energía dinámica" o "energía de conmutación": solo se necesita energía para cargar y descargar este capacitor porque desperdiciamos energía al calentar un poco el transistor de conducción durante este proceso.

Entonces, ¿cuál es el uso total de energía? La energía del pozo durante el ciclo de carga (asumiendo que decidimos mantener la compuerta encendida por una cantidad infinita de tiempo antes de apagarla, una aproximación razonable) es$\int_0^\infty P(t) dt$=$\int_0^\infty I(t) V_t(t)dt$dónde$V_t(t)$es el voltaje sobre el transistor, y$I(t)$es el actual Pero en realidad no conocemos la curva de carga exacta asociada con el transistor o la curva de voltaje exacta, por lo que queremos una expresión más simple para esta ecuación. Para obtener esto, tenga en cuenta que el capacitor y el transistor son los únicos dos elementos en serie desde el suministro a tierra y, por lo tanto, sus voltajes se suman para igualar la potencia de suministro,$V$(por la ley de voltaje de Kirchoff). De este modo,$V_t(t) = V - V_c(t)$. Sumergiendo en la ecuación:

Esta última integral es, por supuesto, la energía total almacenada en el condensador después de que ha pasado un tiempo infinito que podemos llamar$E_c$. De este modo,

¿Qué está diciendo esto realmente? Está diciendo que la potencia total utilizada en el circuito es la energía perdida por la fuente de alimentación ($E = \int_0^\infty I(t)V dt$, simplemente el voltaje de suministro multiplicado por la corriente de suministro integrada para obtener la energía suministrada), menos la energía que no estamos desperdiciando en la disipación y que se almacena en el capacitor ($E_c$).

¿Qué sucede cuando invertimos este proceso? Ahora toda la energía almacenada en el condensador se disipa a través del transistor de conducción que drena la capacitancia. Toda la corriente fluye en un bucle de regreso al otro extremo del capacitor: el capacitor cuando se drena aquí actúa como una fuente. De esta manera, es obvio que toda la energía almacenada en el capacitor ahora se pierde y se disipa a través del transistor de drenaje. Entonces, aunque la energía que gastamos cargando el capacitor no se perdió anteriormente, se pierde ahora. Entonces, la potencia total perdida en un ciclo completo de encendido y apagado aumenta en$E_c$:

Podemos encontrar la corriente recordando la relación voltaje corriente en el capacitor cuando está completamente cargado desde$0$a$V$como está en su ciclo inicial:$V = (1/C)\int_0^\infty I(t) dt$. Reorganizar esto da$\int_0^\infty I(t) dt = CV$. Finalmente podemos conectar esto en nuestra ecuación de energía total:

La ecuación para un capacitor cargado a un voltaje$V$se sabe que es$E_c=(1/2)CV^2$, de este modo

Por lo tanto, no importa lo que hagamos, no importa cómo controlemos nuestros transistores, la energía que desperdiciamos en cada ciclo es el doble de la energía que almacenamos en las puertas de los transistores durante los ciclos. Esta es la naturaleza de la potencia dinámica: solo consume energía para cargar y descargar capacitores. Para usar menos energía podemos disminuir la capacitancia, o encenderlos y apagarlos menos.

Mis pensamientos están en línea con el comentario de @Bart , así que publicaré lo que (con suerte) deberían ser las mil palabras:

Considere V(a)y V(b)dos formas de onda que cambian entre 0y 1. Dado que nada sucede instantáneamente en la naturaleza, las transiciones entre los valores toman un tiempo finito. Si uno de ellos es un voltaje y el otro es la corriente, entonces los dos, multiplicados, darán la potencia. Pero cuando V(a)=1, V(b)=0, y viceversa, cuando la multiplicación ocurre durante sus valores máximos/mínimos, la potencia es cero. Por lo tanto, las únicas veces que la potencia toma valor es durante las transiciones y, debido a que las dos cantidades son ideales y lineales, toma la forma x(1-x).

En resto, todas las demás respuestas ya se han explicado en general con ejemplos y mencionaron que nada sucede de forma gratuita (necesita trabajo para que se produzcan los cambios).

Creo que esta pregunta necesita una respuesta simple...

Mover un culombio de electrones (eso es 6*10 ¹⁸ de ellos) desde tierra hasta, digamos, el riel de 5V gasta 5 julios de energía.

Un transistor FET/MOSFET/JFET/etc. se activa o desactiva moviendo algunos electrones de tierra a la puerta o moviendo algunos electrones de la puerta al riel positivo. Cada ciclo, por lo tanto, gasta un poco de energía y cuanto más lo hagas, más rápido gastarás esa energía. La tasa de gasto de energía es el gasto de energía.

Un transistor BJT se enciende dejando que algunos electrones se filtren desde tierra, a través de la unión emisor-base, hacia el riel positivo. Este tipo de transistores (que ya no se usan en las computadoras) gastan energía continuamente mientras están encendidos.

Para responder a sus otras preguntas:

1. Sí, la "potencia dinámica" disipada por un circuito CMOS/MOSFET es el costo de todos esos pequeños ciclos de carga/descarga de puerta. Tenga en cuenta que esto no se gasta todo en un componente en particular. Si cambia lentamente, entonces se gasta principalmente en el interruptor que controla el transistor (como explican las respuestas anteriores). Cuanto más rápido cambie, más se gastará en los cables o en el transistor que se controla. Sin embargo, la cantidad de energía gastada no cambia.

2. La potencia disipada se pierde en forma de calor. Eso no incluye la potencia de salida en formas útiles como el trabajo mecánico. Para un chip lógico, la potencia disipada en el chip no incluye la potencia que realmente emite el chip, aunque la mayoría de las veces se disipará en otro lugar.

Respuesta simple, y no demasiado precisa.

Los transistores necesitan corriente continua en su base para permanecer ENCENDIDOS, por lo que consumen energía mientras están en estado ENCENDIDO. Cuando los apagas, simplemente dejan de consumir energía. Entonces, la conmutación continua no es una causa importante de disipación de energía en este caso (pero de todos modos hay otras pérdidas).

PERO para aplicaciones de conmutación (circuitos lógicos y circuitos de potencia), se utilizan MOSFET en lugar de transistores. Un mosfet consume muy poca energía en su puerta. Su puerta es como un capacitor: cargas el capacitor (puerta) y el mosfet se enciende, descargas la puerta y el mosfet se apaga. Cada vez que descargas la puerta, desperdicias energía, y si lo haces muchas veces por segundo, esa energía desperdiciada se vuelve importante. Piense en una CPU con tantos mosfets, encendidos y apagados con frecuencias de unos pocos gigahercios, y podrá imaginar por qué una CPU consume tanta energía.

Nota filosófica: Dije que se desperdicia energía cuando cierras la puerta, porque normalmente esto se hace disipando esa energía en una resistencia que convierte la energía en calor. Cuando empuja energía en la puerta, esta energía aún no se desperdicia porque se almacena en el condensador de la puerta, pero no conozco un sistema capaz de recuperar esa energía para usarla para algo útil. ¿Puede ser que esta sea la próxima gran mejora en la electrónica digital? :-)

--- ACTUALIZACIÓN --- Parece que nadie piensa que una resistencia en serie a la puerta es a menudo necesaria, seguramente cuando el mosfet accionado es un mosfet de potencia, como los que se usan en los puentes H. El tercer resultado de una búsqueda en Internet condujo a este documento de Toshiba que, en el punto 2.1 "Circuito de accionamiento básico" muestra la resistencia de puerta con la explicación asociada:

Otro ejemplo, tomado de una placa real (un controlador sin escobillas), que también muestra el valor de la resistencia (el controlador es un FAN7382:

Ahora, estoy de acuerdo en que a menudo no hay resistencia de puerta. Este es un caso particular en el que la resistencia de la puerta está cerca de cero, pero de todos modos la carga almacenada en la puerta debe disiparse cuando se apaga el mosfet. Si el controlador de la puerta puede soportar la corriente máxima y/o la potencia total, teniendo en cuenta también la frecuencia de conmutación, entonces no se necesita resistencia.

Finalmente, una pregunta interesante con respuestas está en este mismo sitio de ingeniería eléctrica .