ES2356548A1 - Fuente de alimentación conmutada concebida para funcionar en modo entrelazado. - Google Patents
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Abstract
Fuente de alimentación conmutada concebida para funcionar en modo entrelazado.Fuente de alimentación conmutada (1) concebida para funcionar en modo entrelazado, que comprende convertidores CC-CC (Ci) en paralelo provistos cada uno de un interruptor controlado (Ii), en el que el estado de conmutación de cada convertidor (Ci) está controlado en función de una señal generada por el convertidor adyacente (Ci+1) y en el que el primero (C1) está controlado por una señal generada por el último convertidor (Cn), de modo que los convertidores (Ci) están dispuestos en una configuración de anillo, caracterizada por el hecho de que comprende medios para establecer las intensidades máximas (Imaxi) y mínimas (Imini) que determinan el paso del estado de cierre a abertura y de abertura a cierre de los interruptores controlados (Ii) de cada convertidor (Ci) en función de la señal generada por el convertidor adyacente (Ci+1), de modo que el dispositivo puede operar en modo entrelazado.
Description
Fuente de alimentación conmutada concebida para
funcionar en modo entrelazado.
La presente invención se refiere a una fuente de
alimentación conmutada destinada a funcionar en modo entrelazado, o
interleaving, que reduce al mínimo la necesidad de circuitos
auxiliares de control.
Son conocidas las fuentes de alimentación
conmutadas provistas de una pluralidad de convertidores
CC-CC dispuestos en paralelo y provistos cada uno de
un interruptor controlado.
En un tipo de fuente conocida, la evolución
temporal de la intensidad suministrada por cada convertidor es una
sucesión de tramos de pendiente positiva, asociados a periodos de
cierre de los interruptores controlados, y tramos de pendiente
negativa, asociados a periodos de abertura de los interruptores
controlados.
Según una disposición particular de estas
fuentes, conocida como configuración de anillo y descrita por
ejemplo en la solicitud de Van Der Wal y otros US2009/0067199, el
estado de conmutación de cada convertidor está controlado en función
de una señal generada por el convertidor adyacente y el primero está
controlado por una señal generada por el último convertidor.
Las fuentes con estas características están
especialmente concebidas para operar en modo entrelazado, conocido
más generalmente como "interleaving", el cual consiste
en controlar el desfase entre las corrientes suministradas por los
diferentes convertidores, de modo que se logra la cancelación de
harmónicos.
Como puede comprobarse en la curva 231 de la
figura 11 de la mencionada solicitud, su objeto dispone de un
integrador y un biestable para generar las rampas necesarias para su
funcionamiento, o bien un PLD.
Además, precisa de cuatro conexiones, que
implican cuatro cables de tierra y cuatro tomas de tierra.
Todos estos elementos, agrupados en el bloque
100 de la mencionada solicitud, implican una circuitería adicional,
con la complejidad, posibilidad de fallo y aumento del consumo que
ello supone.
Por ello, los inventores del objeto de la
presente solicitud consideran necesario disponer de una fuente
conmutada que dé solución a los inconvenientes de la técnica
mencionados.
Para ello, la presente invención propone una
fuente de alimentación conmutada especialmente concebida para
funcionar en modo entrelazado, que comprende:
- Una pluralidad de convertidores
CC-CC dispuestos en paralelo provistos cada uno de
un interruptor controlado;
- siendo la evolución temporal de la intensidad
suministrada por cada convertidor una sucesión de tramos de
pendiente positiva, asociados a periodos de cierre de los
interruptores controlados, y tramos de pendiente negativa, asociados
a periodos de abertura de los interruptores controlados;
- En el que el estado de conmutación de cada
convertidor está controlado en función de una señal generada por el
convertidor adyacente y en el que el primero está controlado por una
señal generada por el último convertidor, de modo que los
convertidores están dispuestos en una configuración de anillo;
caracterizada por el hecho de que comprende
medios para establecer las intensidades máximas y mínimas que
determinan el paso del estado de cierre a abertura y de abertura a
cierre respectivamente de los interruptores controlados de cada
convertidor en función de la señal generada por el convertidor
adyacente, de modo que puede funcionar en modo entrelazado.
Esta realimentación entre convertidores
sucesivos permiten superar los inconvenientes antes mencionados
porque no necesita ninguna unidad de control adicional, sino tan
solo los circuitos que permiten establecer las intensidades máximas
y mínimas mencionadas.
Concretamente el objeto de la invención
prescinde del bloque 100 mencionado y en lugar de los cuatro cables
y las cuatro entradas 121, 122, 123, 124, solamente necesita un
cable de conexión más una toma de tierra tanto en la entrada como en
la salida.
Preferentemente, los medios para establecer las
intensidades máximas y mínimas comprenden dos bloques en serie,
siendo el primero de ellos un seguidor de tensión del promedio de
una intensidad de referencia y la intensidad filtrada del
convertidor adyacente y siendo el segundo bloque un divisor de
tensión que tiene como entrada la salida del primer bloque y como
salida dichas intensidades máximas y mínimas.
Ventajosamente, el seguidor de tensión es un
amplificador operacional con una de sus entradas conectada a su
salida, estando constituida su otra entrada por tres ramas en
paralelo, una primera rama conectada con interposición de una
primera resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad de
referencia, una segunda rama conectada con interposición de una
segunda resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad
filtrada del convertidor adyacente y una tercera rama conectada a
tierra con interposición de una capacidad, que permite obtener dicha
intensidad filtrada.
Más preferentemente, la segunda rama comprende
además entre la segunda resistencia y la tensión imagen de dicha
intensidad filtrada una segunda capacidad, de modo que se configura
un filtro pasa-banda.
Más ventajosamente, el seguidor de tensión es un
amplificador operacional con una de sus entradas conectada a su
salida, estando constituida su otra entrada por dos ramas en
paralelo, una primera rama conectada con interposición de una
primera resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad de
referencia, una segunda rama constituida por una tercera
resistencia, un seguidor de tensión y una segunda resistencia a una
tensión imagen de dicha intensidad filtrada del convertidor
adyacente y que comprende una derivación conectada a tierra con
interposición de una capacidad, que permite obtener dicha intensidad
filtrada.
Finalmente, el divisor comprende en el siguiente
orden:
- Una tercera resistencia;
- Dos diodos;
- Una cuarta resistencia;
Estando el terminal libre de la tercera
resistencia conectado a un potencial superior, estando el terminal
libre de la cuarta resistencia conectado a un potencial inferior,
estando el punto de conexión de los dos diodos conectado a la salida
del primer bloque, siendo la tensión en el punto de conexión entre
la tercera resistencia y el diodo aguas abajo imagen de la
intensidad máxima y siendo la tensión en el punto de conexión entre
la cuarta resistencia y el diodo aguas arriba imagen de la
intensidad mínimas.
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a
título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de
realización.
La figura 1 es un esquema eléctrico del
dispositivo de la invención provisto de dos convertidores.
La figura 2 es un esquema eléctrico de una
realización preferida de los medios de generación de las señales
imin e imax.
La figura 3 es un esquema de control del
dispositivo de la invención.
Las figuras 4 y 5 son dos realizaciones
opcionales del bloque seguidor.
Tal como se ilustra en la figura 1, donde se
representa un ejemplo con únicamente dos convertidores, es decir en
el que i=1 por lo que i+1=2, la invención se refiere a una fuente de
alimentación conmutada 1, que comprende:
- Una pluralidad de convertidores
CC-CC C_{i} dispuestos en paralelo provistos cada
uno de un interruptor controlado Ii;
- siendo la evolución temporal de la intensidad
suministrada por cada convertidor C_{i} una sucesión de tramos de
pendiente positiva, asociados a periodos de cierre de los
interruptores controlados Ii, y tramos de pendiente negativa,
asociados a periodos de abertura de los interruptores controlados
Ii;
- En el que el estado de conmutación de cada
convertidor C_{i} está controlado en función de una señal generada
por el convertidor adyacente C_{i+1} y en el que el primero
C_{1} está controlado por una señal generada por el último
convertidor C_{n}, de modo que los convertidores C_{i} están
dispuestos en una configuración de anillo.
Las características mencionadas son conocidas
por ejemplo del documento US2009/0067199.
Sin embargo, la presente invención se
caracteriza por el hecho de que comprende medios para establecer las
intensidades máximas Imax_{i} y mínimas Imin_{i} que determinan
el paso del estado de cierre a abertura y de abertura a cierre
respectivamente de los interruptores controlados Ii de cada
convertidor C_{i} en función de la señal generada por el
convertidor adyacente C_{i+1}. En la figura, limitada a dos
convertidores, estas corrientes aparecen como Imax1 e Imin1 para el
primer convertidor e Imax2 e Imin2 para el segundo.
Los medios para establecer las intensidades
máximas Imax_{i} y mínimas Imin_{i} comprenden dos bloques en
serie, siendo el primero de ellos un seguidor de tensión del
promedio de una intensidad de referencia IREF y la intensidad
filtrada I_{i+1} del convertidor adyacente C_{i+1} y siendo el
segundo bloque un divisor de tensión que tiene como entrada la
salida del primer bloque y como salida dichas intensidades máximas
Imax_{i} y mínimas Imin_{i}.
Según una primera realización preferida de la
invención, de la cual se ilustran dichos bloques primero y segundo
en la figura 2, el seguidor de tensión es un amplificador
operacional (O.A.) con una de sus entradas conectada a su salida,
estando constituida su otra entrada por tres ramas en paralelo, una
primera rama conectada con interposición de una primera resistencia
a una tensión imagen de dicha intensidad de referencia IREF, una
segunda rama conectada con interposición de una segunda resistencia
a una tensión imagen de dicha intensidad filtrada I_{i+1} del
convertidor adyacente C_{i+1} y una tercera rama conectada a
tierra con interposición de una capacidad, que permite obtener dicha
intensidad filtrada I_{i+1}.
Por lo tanto, con esta disposición, en la
entrada positiva del amplificador operacional se obtiene el valor
medio V_{+average} = (i_{REF}+i_{2})/2, es decir que se
realiza la suma con un factor de escala de ½.
Por lo tanto, el condensador aporta el efecto de
filtrado pasa-bajos necesario para que se deshagan
las señales de las consignas de corriente.
El mencionado filtro se modeliza, tal como se
aprecia en la figura 3, como un filtro (1/(ts + 1)), y su función es
la de garantizar el "interleaving" entre las corrientes
de cada convertidor.
En el caso ilustrado, este filtro se ha
implementado como un circuito sencillo con un condensador. La
constante de tiempo queda determinada por el condensador CF (220 pF
en la figura 2) y las resistencias RF (33 k\Omega en la figura 2),
de modo que:
\tauF =
CF\cdotRF/2
El valor del condensador se escogerá en función
de las resistencias escogidas y otros parámetros del dispositivo,
como por ejemplo el número de convertidores conectados en anillo
para funcionar en modo interleaving.
Experimentalmente se ha comprobado que un
condensador de 220 pF se adapta especialmente bien para dos, tres o
cuatro fases.
En el caso de más fases, sería necesaria una
capacidad menor. Cuantas más fases se introduzcan, es decir más
convertidores, menos retraso se necesita para que las fases se
dispongan en configuración de interleaving.
Si no se dispone condensador en la entrada al
amplificador, entonces el dispositivo reivindicado podrá funcionar
con valores medios correctos.
Sin embargo, los rizados de tensión y de
corriente serán mayores porque no se logrará una cancelación de
harmónicos óptima.
Según una segunda realización preferida de la
fuente de la invención, cuyos bloques primero y segundo se ilustran
en la figura 4, la segunda rama comprende además entre la segunda
resistencia y la tensión imagen de dicha intensidad filtrada
I_{i+1} una segunda capacidad (en este caso de 330 nF), de modo
que se configura un filtro pasa-
banda.
banda.
Según una tercera realización preferida,
ilustrada en la figura 5, el seguidor de tensión es un amplificador
operacional con una de sus entradas conectada a su salida, estando
constituida su otra entrada por dos ramas en paralelo, una primera
rama conectada con interposición de una primera resistencia a una
tensión imagen de dicha intensidad de referencia IREF, y una segunda
rama constituida por una tercera resistencia, un seguidor de tensión
(O.A. con una entrada conectada a su salida) y una segunda
resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad filtrada
I_{i+1} del convertidor adyacente C_{i+1} y que comprende una
derivación conectada a tierra con interposición de una capacidad
(aquí de nuevo de 220 pF), que permite obtener dicha intensidad
filtrada I_{i+1}.
El divisor puede comprender en el siguiente
orden (ver figuras 2, 4 y 5):
- Una tercera resistencia;
- Dos diodos (D);
- Una cuarta resistencia;
Estando el terminal libre de la tercera
resistencia conectado a un potencial superior (en este caso de 15
V), estando el terminal libre de la cuarta resistencia conectado a
un potencial inferior, estando el punto de conexión de los dos
diodos conectado a la salida del primer bloque, siendo la tensión en
el punto de conexión entre la tercera resistencia y el diodo aguas
abajo imagen de la intensidad máxima Imax_{1} y siendo la tensión
en el punto de conexión entre la cuarta resistencia y el diodo aguas
arriba imagen de la intensidad mínimas Imin_{1}.
El segundo bloque de resistencias y diodos tiene
como función la de polarizar los diodos y sumar y/o restar al valor
medio de la corriente un valor de offset que corresponde a la
caída de tensión directa de los diodos V_{D}.
El comparador ideal representado en la figura 3
corresponde a un comparador con histéresis como el de la figura 4,
donde D y -D corresponden respectivamente a VD y a -VD.
Además, otra de sus funciones es la de desplazar
el centro de la histéresis con un punto de tensión adecuado para
evitar utilizar una alimentación bipolar de +/-15 V, de modo que con
una de +15 V ya es suficiente.
Esta opción también simplifica el dispositivo y
reduce su coste.
El hecho de necesitar una tensión negativa de
-15 V obliga en una aplicación real a la inclusión de un circuito de
generación de tensión negativa específico, por ejemplo de
capacidades conmutadas.
Por otro lado, la invención podría, en
determinadas circunstancias, evitar la inclusión de una capacidad
para producir el retardo.
Los retardos por conmutación son inherentes a la
implementación del dispositivo y se añaden al efecto del filtro
pasabajos.
Por lo tanto, en versiones optimizadas, se
podrían seleccionar los interruptores controlados y el resto de
componentes para poder prescindir de las capacidades.
Respecto a la regulación de la tensión, tal como
se aprecia en el esquema de control de la figura 3, respecto a una
determinada carga la tensión de salida (V_{c}) es:
Donde Vg es la tensión de entrada, R es la
resistencia de carga de la referencia de corriente y n el número de
fases, siendo dicha referencia de corriente el valor:
Por lo tanto, en una aplicación en la que se
desee una determinada tensión de salida, para un valor de n escogido
por diseño y teniendo en cuenta que los valores de Vg y de R van
variando, es preciso introducir un lazo de control adicional para
regular dicha tensión.
En resumen, la invención resuelve el problema
del desfasado entre n convertidores de potencia conectados en
paralelo, lo cual permite reducir la complejidad del circuito de
control el coste y el consumo energético.
Estas ventajas son determinantes en aplicaciones
en las que el consumo energético y las dimensiones son esenciales
para la viabilidad del producto, como por ejemplo en fuentes de
potencia de sistemas integrados de ordenadores portátiles, teléfonos
móviles o microsistemas.
También se puede prever su utilización en
convertidores de potencia para energías renovables, vehículos
eléctricos, módulos reguladores de tensión multifase (VRM's),
convertidores del lado de carga
(Point-of-Load), Fuentes
conmutadas integradas en general, Fuentes de potencia para
microsistemas tales como sensores y actuadores, sistemas
fotovoltaicos o de pila de combustible de baja potencia, entre
otros.
En general, la ventaja principal de la invención
es la simplicidad del circuito de control, que no necesita ni
hardware ni señales externas para la sincronización de las señales
de la fuente con los desfases entre los n convertidores requerido
para operar en modo interleaving.
Ello implica que la implementación
microelectrónica de la invención requerirá una superficie de
integración mínima, y por ende su coste, en comparación con
productos existentes.
Claims (6)
1. Fuente de alimentación conmutada (1)
concebida para funcionar en modo entrelazado, que comprende:
- Una pluralidad de convertidores
CC-CC (C_{i}) dispuestos en paralelo provistos
cada uno de un interruptor controlado (I_{i});
- siendo la evolución temporal de la intensidad
suministrada por cada convertidor (C_{i}) una sucesión de tramos
de pendiente positiva, asociados a periodos de cierre de los
interruptores controlados (I_{i}), y tramos de pendiente negativa,
asociados a periodos de abertura de los interruptores controlados
(I_{i});
- En el que el estado de conmutación de cada
convertidor (C_{i}) está controlado en función de una señal
generada por el convertidor adyacente (C_{i+1}) y en el que el
primero (C_{1}) está controlado por una señal generada por el
último convertidor (C_{n}), de modo que los convertidores
(C_{i}) están dispuestos en una configuración de anillo;
caracterizada por el hecho de que
comprende medios para establecer las intensidades máximas
(Imax_{i}) y mínimas (Imin_{i}) que determinan el paso del
estado de cierre a abertura y de abertura a cierre respectivamente
de los interruptores controlados (I_{i}) de cada convertidor
(C_{i}) en función de la señal generada por el convertidor
adyacente (C_{i+1}), de modo que el dispositivo puede operar en
modo entrelazado.
2. Fuente de alimentación conmutada (1) según la
reivindicación anterior, en la que los medios para establecer las
intensidades máximas (Imax_{i}) y mínimas (Imin_{i}) comprenden
dos bloques en serie, siendo el primero de ellos un seguidor de
tensión del promedio de una intensidad de referencia (IREF) y la
intensidad filtrada (I_{i+1}) del convertidor adyacente
(C_{i+1}) y siendo el segundo bloque un divisor de tensión que
tiene como entrada la salida del primer bloque y como salida dichas
intensidades máximas (Imax_{i}) y mínimas (Imin_{i}).
3. Fuente de alimentación conmutada (1) según la
reivindicación anterior, en la que el seguidor de tensión es un
amplificador operacional con una de sus entradas conectada a su
salida, estando constituida su otra entrada por tres ramas en
paralelo, una primera rama conectada con interposición de una
primera resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad de
referencia (IREF), una segunda rama conectada con interposición de
una segunda resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad
filtrada (I_{i+1}) del convertidor adyacente (C_{i+1}) y una
tercera rama conectada a tierra con interposición de una capacidad,
que permite obtener dicha intensidad filtrada (I_{i+1}).
4. Fuente de alimentación conmutada (1) según la
reivindicación anterior, en la que la segunda rama comprende además
entre la segunda resistencia y la tensión imagen de dicha intensidad
filtrada (I_{i+1}) una segunda capacidad, de modo que se configura
un filtro pasa-banda.
5. Fuente de alimentación conmutada (1) según la
reivindicación 2, en la que el seguidor de tensión es un
amplificador operacional con una de sus entradas conectada a su
salida, estando constituida su otra entrada por dos ramas en
paralelo, una primera rama conectada con interposición de una
primera resistencia a una tensión imagen de dicha intensidad de
referencia (IREF), una segunda rama constituida por una tercera
resistencia, un seguidor de tensión y una segunda resistencia a una
tensión imagen de dicha intensidad filtrada (I_{i+1}) del
convertidor adyacente (C_{i+1}) y que comprende una derivación
conectada a tierra con interposición de una capacidad, que permite
obtener dicha intensidad filtrada (I_{i+1}).
6. Fuente de alimentación conmutada (1) según 5
cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en la que el divisor
comprende en el siguiente orden:
- Una tercera resistencia;
- Dos diodos;
- Una cuarta resistencia;
Estando el terminal libre de la tercera
resistencia conectado a un potencial superior, estando el terminal
libre de la cuarta resistencia conectado a un potencial inferior,
estando el punto de conexión de los dos diodos conectado a la salida
del primer bloque, siendo 3 la tensión en el punto de conexión entre
la tercera resistencia y el diodo aguas abajo imagen de la
intensidad máxima (Imax_{i}) y siendo la tensión en el punto de
conexión entre la cuarta resistencia y el diodo aguas arriba imagen
de la intensidad mínimas (Imin_{i}).
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Family
ID=43778618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES201031436A Active ES2356548B1 (es) | 2010-09-28 | 2010-09-28 | Fuente de alimentación conmutada concebida para funcionar en modo entrelazado. |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2356548B1 (es) |
WO (1) | WO2012042089A1 (es) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4422044A (en) * | 1981-11-17 | 1983-12-20 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | High precision triangular waveform generator |
US5389889A (en) * | 1993-09-10 | 1995-02-14 | Allegro Microsystems, Inc. | Temperature-compensated current source for use in a hall analog magnetic-field detector |
WO2005006526A1 (en) * | 2003-07-10 | 2005-01-20 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Switched mode power supply |
EP2159918A2 (en) * | 2008-08-28 | 2010-03-03 | Yamaha Corporation | D/A converter circuit and digital input class-D amplifier |
-
2010
- 2010-09-28 ES ES201031436A patent/ES2356548B1/es active Active
-
2011
- 2011-09-27 WO PCT/ES2011/070681 patent/WO2012042089A1/es active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4422044A (en) * | 1981-11-17 | 1983-12-20 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | High precision triangular waveform generator |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Stitt "Implementationand Applications ofCurrent Ssourcesand Current Receivers" Marzo 1990URLhttp://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/sboa046/sboa046.pdf * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2356548B1 (es) | 2012-03-16 |
WO2012042089A1 (es) | 2012-04-05 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2356548 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20120316 |