IT201600080294A1 - Dispositivo e metodo di controllo ad anello chiuso di un convertitore di potenza - Google Patents

Dispositivo e metodo di controllo ad anello chiuso di un convertitore di potenza

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IT201600080294A1
IT201600080294A1 IT102016000080294A IT201600080294A IT201600080294A1 IT 201600080294 A1 IT201600080294 A1 IT 201600080294A1 IT 102016000080294 A IT102016000080294 A IT 102016000080294A IT 201600080294 A IT201600080294 A IT 201600080294A IT 201600080294 A1 IT201600080294 A1 IT 201600080294A1
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IT
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IT102016000080294A
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Alberto Cattani
Alessandro Gasparini
Stefano Ramorini
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St Microelectronics Srl
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Description

"DISPOSITIVO E METODO DI CONTROLLO AD ANELLO CHIUSO DI UN CONVERTITORE DI POTENZA"
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo e ad un metodo di controllo ad anello chiuso di un convertitore di potenza, in particolare un convertitore di tensione DC/DC (in corrente continua).
In modo noto, i convertitori di potenza, in particolare i convertitori di tensione, sono largamente utilizzati nei sistemi elettronici per eseguire operazioni di innalzamento (step-up), o riduzione (step-down) di tensione.
In particolare, convertitori di tensione, tipicamente con funzione di innalzamento di tensione, sono utilizzati nei sistemi microelettromeccanici (cosiddetti MEMS, da Micro-Electro-Mechanical Systems), per innalzare una tensione di ingresso proveniente da una batteria (o da un'analoga sorgente di alimentazione) a bassa tensione LV (Low Voltage) in una tensione di uscita, ad alta tensione HV (High Voltage), utilizzata ad esempio per pilotare elettrodi o elementi piezoelettrici di relative strutture microelettromeccaniche e causare l'azionamento di corrispondenti masse inerziali, ad esempio per effetto elettrostatico o piezoelettrico.
Come mostrato in figura 1, un convertitore di potenza 1, di tipo innalzatone di tensione, in questo esempio di tipo flyback, comprende in generale un elemento trasformatore 2, avente: un avvolgimento primario 2a, con un primo terminale di avvolgimento collegato ad un ingresso IN del convertitore di potenza 1, ricevente una tensione di ingresso VIN, a bassa tensione (ad esempio dell'ordine di qualche Volt, ad esempio compresa tra 3 e 5 V), ed un secondo terminale di avvolgimento collegato ad un primo nodo interno Ni; ed un avvolgimento secondario 2b, avente un rispettivo primo terminale di avvolgimento accoppiato tramite un elemento a diodo 5 ad un'uscita OUT dello stesso convertitore di potenza 1, fornente una tensione di uscita VOUT, ad alta tensione (ad esempio dell'ordine di qualche decina di Volt, ad esempio compresa tra 40 e 200 V), ed un rispettivo secondo terminale collegato ad un terminale di riferimento, o massa (gnd).
In particolare, il suddetto elemento a diodo 5 ha il terminale di anodo collegato al primo terminale di avvolgimento dell'avvolgimento secondario 2b dell'elemento trasformatore 2, e terminale di catodo collegato all'uscita OUT del convertitore di potenza 1.
Lo stesso convertitore di potenza 1 comprende inoltre: un elemento interruttore 4, in particolare realizzato mediante un transistore, nell'esempio un transistore MOSFET, avente un primo terminale di conduzione corrente collegato al secondo terminale di avvolgimento dell'avvolgimento primario 2a dell'elemento trasformatore 2, un secondo terminale di conduzione di corrente collegato al terminale di riferimento gnd e terminale di controllo ricevente un segnale di comando SGD; ed un elemento condensatore 6, collegato tra il terminale di uscita OUT ed il terminale di riferimento gnd.
Il convertitore di potenza 1 comprende inoltre un dispositivo di controllo 8, atto a generare il segnale di comando SGD, per controllare la commutazione dell'elemento interruttore 4 e regolare in tal modo il valore della tensione di uscita Vout.
Il dispositivo di controllo 8 riceve in ingresso una tensione di retroazione (feedback) VFB, indicativa del valore della tensione di uscita Vout, in particolare generato in corrispondenza di un nodo di retroazione FB mediante un partitore resistivo 9 accoppiato all'uscita OUT e costituito da: un primo resistore di partizione 9a collegato tra il nodo di retroazione FB ed il terminale di riferimento gnd, ed un secondo resistore di partizione 9b, collegato tra il nodo di retroazione FB e l'uscita OUT. Nella forma di realizzazione illustrata, il secondo resistore di partizione 9b è formato da una pluralità di elementi resistori 9b ', collegati elettricamente in serie tra il nodo di retroazione FB e l'uscita OUT.
La tensione di retroazione VFB, pertanto, è un segnale con escursione a bassa tensione, generato mediante partizione della tensione di uscita Vout, ovvero di un segnale con escursione ad alta tensione.
Il dispositivo di controllo 8, nella forma di realizzazione illustrata, è configurato in modo da implementare un controllo isteretico, ovvero in modo da controllare il valore della tensione di uscita Vouttra un valore di soglia inferiore VTIT ed un valore di soglia superiore VTH<+>.
In dettaglio, il dispositivo di controllo 8 comprende un comparatore 10, avente un primo ingresso di comparazione collegato al nodo di retroazione FB e ricevente la tensione di retroazione VFB, un secondo ingresso di comparazione ricevente i valori di soglia inferiore VTH<->e superiore VTH<+>ed un'uscita di comparazione che fornisce un segnale di comparazione SComp, in funzione del risultato del confronto isteretico tra la tensione di retroazione VFBed il valore di soglia inferiore VTHO superiore VTH<+>come illustrato nei diagrammi di figura 2.
Il dispositivo di controllo 8 comprende inoltre un'unità logica 11, accoppiata all'uscita del comparatore 10, che riceve il segnale di comparazione SComp e genera il segnale di comando SGDsulla base dello stesso segnale di comparazione SComp.
La presente Richiedente ha constatato che tale soluzione di controllo, seppur funzionale, almeno in alcune condizioni operative, presenta alcuni inconvenienti.
In particolare, gli errori del comparatore 10 e gli errori eventualmente presenti sui riferimenti di tensione, ovvero sui valori di soglia inferiore VTH<->e superiore VTH<+>, vengono amplificati dal guadagno di partizione introdotto dal partitore di tensione 9, che genera il valore della tensione di uscita Vout; in altre parole, tali errori si ritrovano amplificati nel segnale di uscita Vout. Inoltre, la stessa isteresi in bassa tensione è moltiplicata per il guadagno di partizione.
Le caratteristiche elettriche del comparatore 10 pertanto influenzano in maniera sostanziale la corretta regolazione del valore della tensione di uscita Vout(in termini del valore di offset, della velocità di regolazione e così via).
In figura 3 è mostrata una ulteriore forma di realizzazione nota del dispositivo di controllo, nuovamente indicato con 8, del convertitore di potenza 1 (a titolo di esempio, nuovamente di tipo flyback, realizzato in maniera analoga a quanto discusso con riferimento alla figura 1).
Il dispositivo di controllo 8 in questo caso è configurato per implementare un controllo in anello chiuso e tempo continuo del valore della tensione di uscita Voute comprende quindi: un amplificatore operazionale 12, in particolare un amplificatore operazionale a transconduttanza OTA, che presenta un primo terminale di ingresso ricevente una tensione di riferimento Vref, di valore opportuno (ad esempio generata mediante un generatore di band-gap a partire da una tensione di alimentazione del convertitore di potenza 1), un secondo terminale di ingresso collegato al nodo di retroazione FB mediante un primo elemento di impedenza Zi ed un'uscita collegata al secondo terminale di ingresso mediante un secondo elemento di impedenza Z2e fornente una tensione di controllo Vc, in funzione dell'errore tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB, come illustrato nei diagrammi di figura 4. La tensione di controllo Vcè utile per il controllo del valore della tensione di uscita Vout.
Il dispositivo di controllo 8 comprende inoltre un'unità di controllo PWM 13, che riceve la tensione di controllo Vce genera in maniera opportuna il segnale di comando SGDper l'elemento interruttore 4, in modo tale da minimizzare il suddetto errore tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB.
In particolare, in modo noto, l'unità di controllo PWM 13 può implementare una modalità di controllo in tensione o in corrente, sulla base della stessa tensione di controllo Vc, per generare il suddetto segnale di comando SGD, ed in particolare per definire la durata dell'intervallo di accensione (TON) e l'intervallo di spegnimento (TOFF) dell'elemento interruttore 4 durante un relativo periodo di commutazione .
Ad esempio, con riferimento alla figura 5, si illustra una possibile forma di realizzazione, di tipo noto, dell'unità di controllo PWM 13, nel caso in cui implementi una modalità di controllo in tensione.
In questo caso, l'unità di controllo PWM 13 comprende un modulo comparatore 15, avente un primo terminale di confronto accoppiato all'uscita dell'amplificatore operazionale 12, e ricevente la tensione di controllo Ve, un secondo terminale di confronto che riceve una tensione a rampa VR, ed un'uscita che genera un segnale di confronto Se.
In particolare, la tensione a rampa VRè generata mediante la carica di un condensatore 16 con una opportuna corrente di carica le, costante, generata da un generatore di corrente 17; un interruttore 18, comandato da un segnale di comando SW, è collegato in parallelo all'elemento condensatore 16, per determinarne l'avvio della carica e la successiva scarica (e dunque l'andamento alternativamente crescente e decrescente della tensione a rampa VR).
L'unità di controllo PWM 13 comprende inoltre un flipflop S/R 19, che presenta: ingresso di reset R collegato all'uscita del modulo comparatore 15 e ricevente il segnale di confronto Se; ingresso di set S collegato ad un modulo di temporizzazione 20; uscita negata Q che definisce il suddetto segnale di comando SW dell'interruttore 18; ed uscita Q che fornisce, tramite un'unità di pilotaggio (driver) 21, il segnale di comando SGDper comandare la commutazione dell'elemento interruttore 4 del convertitore di potenza 1.
Il modulo di temporizzazione 20 comprende un'unità di rilevamento 21, che, in modo noto, qui non descritto in dettaglio, genera un segnale di rilevamento ZCD indicativo dell'insorgere di una condizione di corrente nulla nell'avvolgimento primario 2a dell'elemento trasformatore 2 del convertitore di potenza 1.
Il modulo di temporizzazione 20 comprende inoltre: un'unità di ritardo (delay) 22, collegata all'uscita dell'unità di rilevamento 21 e configurata per applicare un opportuno ritardo temporale al segnale di rilevamento ZCD; una porta logica OR 24, avente un primo ingresso collegato all'uscita dell'unità di ritardo 22, un secondo ingresso collegato ad un'unità di avvio 25 (cosiddetta "starter") ed un'uscita fornente il segnale di set S al flip-flop S/R 19.
In uso, assumendo che l'elemento interruttore 4 sia inizialmente chiuso, la tensione a rampa VRcresce fino a quando non raggiunge il valore della tensione di controllo Ve, in tal modo commutando l'uscita del modulo comparatore 15, che resetta il flip-flop S/R 19 e causa l'apertura dello stesso elemento interruttore 4.
Di conseguenza, l'uscita del modulo comparatore 15 determina la durata dell'intervallo di accensione TONdell'elemento interruttore 4.
In seguito all'apertura dell'elemento interruttore 4, l'energia precedentemente accumulata nell'elemento trasformatore 2 viene trasferita sull'elemento condensatore 6 e sul carico, fino a alla completa demagnetizzazione dell'avvolgimento primario 2a.
L'unità di rilevamento 21 del modulo di temporizzazione 20 genera un impulso in seguito al rilevamento di tale demagnetizzazione; tale impulso nel segnale di rilevamento ZCD, opportunamente ritardato dall'unità di ritardo 22, va quindi a settare il flip flop S/R 19 e a chiudere nuovamente l'elemento interruttore 4, determinando in tal modo un nuovo ciclo operativo del convertitore di potenza 1.
In tal modo, la soluzione di controllo prevede che l'avvio di ogni nuovo ciclo di commutazione avvenga dopo che la corrente nell'avvolgimento primario 2a abbia raggiunto un livello nullo, in seguito ad un opportuno ritardo. Si noti che la presenza della porta logica OR 24 nel modulo di temporizzazione 20, e della suddetta unità di avvio 25, consente di avviare un nuovo ciclo operativo ad esempio in fase di accensione (o di ritorno da una condizione di disattivazione).
In maniera altrettanto nota, qui non illustrata in dettaglio al fine di non appesantire la trattazione, nel caso di una modalità di controllo in corrente, l'unità di controllo PWM 13 è configurata per generare una corrente di controllo a partire dalla tensione di controllo Ve, e confrontare tale corrente di controllo con una corrente di rilevamento indicativa della corrente che scorre nell'avvolgimento primario 2a (o nell'avvolgimento secondario 2b) dell'elemento trasformatore 2. In questo caso, il segnale di comando SGDè generato in funzione del confronto tra la corrente di controllo e tale corrente di rilevamento.
La presente Richiedente ha constatato che anche l'ulteriore soluzione di controllo descritta con riferimento alla figura 3, almeno in alcune condizioni operative, presenta alcuni inconvenienti.
In primo luogo, anche in questa soluzione, errori dell'amplificatore operazionale 12 ed errori sulla tensione di riferimento Vrefvengono amplificati dal guadagno di partizione definito dal partitore di tensione 9.
L'accuratezza della regolazione della tensione di uscita V0utdipende fortemente dalle caratteristiche elettriche dell'amplificatore di errore 12 (guadagno in continua, offset dell'amplificatore, e così via).
Inoltre, la compensazione in frequenza dell'anello chiuso di controllo richiede in generale una rete di compensazione; pertanto, gli elementi di impedenza Zi, Z2definiscono in generale una rete di compensazione complessa, spesso realizzata con componenti esterni al circuito integrato.
Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, ed in particolare quello di fornire una soluzione di controllo ad anello chiuso di tipo perfezionata per un convertitore di potenza operante in commutazione.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo di controllo di un convertitore di potenza, ed un corrispondente metodo di controllo, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra uno schema circuitale di massima di un convertitore di potenza e di un relativo dispositivo di controllo, di tipo noto;
- la figura 2 mostra diagrammi di grandezze elettriche associate al dispositivo di controllo di figura 1;
- la figura 3 mostra uno schema circuitale di massima del convertitore di potenza e di un ulteriore dispositivo di controllo, di tipo noto;
- la figura 4 mostra diagrammi di grandezze elettriche associate al dispositivo di controllo di figura 3;
- la figura 5 mostra uno schema circuitale maggiormente dettagliato del dispositivo di controllo di figura 3, che implementa un controllo in tensione;
- la figura 6 mostra uno schema a blocchi circuitale di un dispositivo di controllo di un convertitore di potenza in commutazione, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- la figura 7 mostra in maggiore dettaglio una soluzione circuitale di un modulo traslatore di tensione nel dispositivo di controllo di figura 6;
- la figura 8 mostra in maggiore dettaglio una soluzione circuitale di un modulo amplificatore nel dispositivo di controllo di figura 6;
- la figura 9 mostra in maggiore dettaglio una soluzione circuitale del modulo amplificatore e di un associato anello di controllo di tensione; e
- la figura 10 è uno schema a blocchi di un sistema microelettronico in cui sono utilizzati il convertitore di potenza e il relativo dispositivo di controllo, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione.
Con riferimento alla figura 6, viene ora descritta una forma di realizzazione di un dispositivo di controllo, indicato con 30, di un convertitore di tensione, nuovamente indicato con 1 e, a titolo puramente esemplificativo, realizzato come descritto con riferimento alla figura 1 (essendo dunque di tipo innalzatone flyback); il convertitore di potenza 1 non è pertanto nuovamente descritto in dettaglio.
Il dispositivo di controllo 30 del convertitore di potenza 1 comprende un modulo traslatore di tensione 32, collegato all'uscita OUT del convertitore di potenza 1, da cui riceve la tensione di uscita Vout, in alta tensione, ed atto a fornire in corrispondenza del nodo di retroazione FB, la tensione di retroazione VFB, in bassa tensione, secondo l'espressione:
VFB — Vout Vt
dove Vtè un opportuno valore di traslazione della tensione di uscita V0utin un intervallo di bassa tensione.
In particolare, in questa forma di realizzazione, il modulo traslatore di tensione 32 comprende: un resistore di traslazione 33, collegato tra il nodo di retroazione FB e l'uscita OUT, e formato qui da una pluralità di elementi resistori 33', collegati elettricamente in serie tra il nodo di retroazione FB e l'uscita OUT; ed un generatore di corrente di traslazione 34, collegato tra il nodo di retroazione FB, su cui fornisce una corrente di traslazione It, ed il terminale di riferimento gnd.
Il dispositivo di controllo 30 comprende inoltre un modulo di amplificazione 36, avente un primo ingresso collegato al nodo di retroazione FB e ricevente la tensione di retroazione VFB, un secondo ingresso ricevente una tensione di riferimento Vref, indicativa di un valore desiderato per la tensione di uscita Vout(ad esempio generata da un generatore di tensione di riferimento), ed un'uscita che fornisce una tensione di controllo Vc, in funzione della differenza (o errore) tra la tensione di retroazione VFBe la suddetta tensione di riferimento Vref.
In maniera analoga a quanto indicato in precedenza, la tensione di controllo Vcviene fornita all'unità di controllo PWM 13, che, a partire dalla stessa tensione di controllo Vc, genera in maniera opportuna (tramite una modalità di controllo in tensione, o in corrente) il segnale di comando SGDper l'elemento interruttore 4, in modo tale da minimizzare l'errore tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB.
Nella forma di realizzazione illustrata, il modulo di amplificazione 36 include un amplificatore alle differenze (o differenziale) 36' operante in modalità di corrente, che genera una corrente di uscita Ia, secondo la seguente espressione :
la<=>(Vref<—>VFB)/Req,
dove Req è il valore di resistenza di un resistore interno allo stesso modulo di amplificazione 36 (come meglio descritto in seguito).
Il modulo di amplificazione 36 comprende inoltre un resistore di guadagno 37, avente un primo terminale collegato all'uscita del modulo di amplificazione 36, a cui fornisce la corrente di uscita Iae su cui è presente la tensione di controllo Vc, che è pertanto data dall'espressione seguente:
Ve<=>(Vref<—>VFB )<■>Rg/Req,
dove Rg è il valore di resistenza del suddetto resistore di guadagno 37, nel caso in cui il secondo terminale del resistore di guadagno 37 sia collegato al terminale di massa del dispositivo.
Nella forma di realizzazione illustrata, il dispositivo di controllo 30 comprende inoltre un modulo di buffer 38, includente un amplificatore operazionale 39 in configurazione di inseguitore di tensione, collegato tra l'uscita del modulo di amplificazione 36 ed un secondo terminale del resistore di guadagno 37.
La presenza di tale modulo di buffer 38 al secondo terminale della resistenza di guadagno 37, invece della connessione a massa del terminale, consente vantaggiosamente di mantenere il valore della tensione di controllo Vcall'uscita del modulo di amplificazione 36, in presenza di una corrente nulla sul resistore di guadagno 37, ovvero con un errore sostanzialmente nullo all'ingresso dello stesso modulo di amplificazione 36, tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFBe quindi di mantenere un errore sostanzialmente nullo sul valore di regolazione della tensione di uscita Vout.
In maggiore dettaglio, e con riferimento alla figura 7, in una possibile forma di realizzazione il generatore di corrente di traslazione 34 del modulo traslatore di tensione 32 comprende un amplificatore operazionale a transconduttanza (OTA) 40, avente un primo terminale di ingresso ricevente una tensione di riferimento di traslazione VLV, di valore opportuno a bassa tensione, operante come riferimento di tensione. Tale tensione di riferimento di traslazione VLV, in maniera non illustrata ma che risulterà evidente ad un tecnico del settore, può essere generata in qualunque modo noto (ad esempio, mediante un generatore di tensione di riferimento, di tipo band-gap) internamente al convertitore di potenza 1, a partire da una relativa tensione di alimentazione, oppure essere ricevuta dall'esterno mediante un bus di comunicazione, ad esempio da un'unità di controllo di un'apparecchiatura elettronica in cui lo stesso convertitore di potenza 1 è utilizzato. Il valore della tensione di riferimento di traslazione VLVpuò essere anche selezionabile tra un insieme di possibili riferimenti per poter selezionare la tensione di regolazione VOUTdell'intero convertitore.
Il generatore di corrente di traslazione 34 comprende inoltre: un resistore di carico 42, collegato tra un secondo terminale di ingresso dell'amplificatore operazionale a transconduttanza 40 ed il terminale di riferimento gnd; ed un elemento transistore 44, nell'esempio di tipo MOSFET, avente un primo terminale di conduzione corrente collegato al nodo di retroazione FB del regolatore, un secondo terminale di conduzione corrente collegato al suddetto secondo terminale di ingresso dell'amplificatore operazionale a transconduttanza 40 ed un terminale di controllo collegato all'uscita dello stesso amplificatore operazionale a transconduttanza 40.
Il generatore di corrente di traslazione 34 genererà dunque una corrente:
IT = VLV/RI
dove Ri indica la resistenza del resistore di carico 42.In maniera che risulterà evidente, considerando l'intero circuito traslatore di tensione 32, la tensione di retroazione VFBè data dalla seguente espressione:
VFB= Vout - VLV (R2/R1)
dove R2indica la resistenza complessiva del resistore di traslazione 33 ed Ri indica la resistenza del resistore di carico 42.
Analogamente, la tensione di uscita Vout, il cui valore regolato è assicurato dal corretto funzionamento del convertitore di potenza 1, è data dalla seguente espressione :
Vout = VFB VLV (R2/R1)
In particolare, dato che l'anello di controllo opera in modo da minimizzare l'errore tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB, COSÌ che Vref<3⁄4>VFB, la suddetta espressione si può esprimere come:
Vout = Vref VLV (R2/R1)
In altre parole, il valore della tensione di uscita Voutè regolato congiuntamente dal valore della tensione di riferimento Vrefe dal valore della tensione di riferimento di traslazione VLV.
Vantaggiosamente, non sono dunque presenti attenuazioni dal dominio dell'alta frequenza a quello della bassa frequenza (dato che è prevista al contrario un'operazione di traslazione di tensione).
Eventuali errori e rumore sui valori di bassa tensione sono dunque traslati verso l'alta tensione con guadagno unitario.
Inoltre, il ripple (ondulazione) di alta tensione è traslato in bassa tensione, contribuendo a fornire un ampio segnale di ingresso per l'anello di controllo.
La precisione della tensione di uscita Vouted il rumore sulla stessa tensione di uscita Voutsono inoltre influenzati esclusivamente dalla realizzazione del modulo traslatore di tensione 32, in cui, vantaggiosamente risulta possibile controllare in maniera molto accurata il "matching" tra i valori di resistenza del resistore di traslazione 33 e del resistore di carico 42 (rapporto R2/R1), il valore della tensione di riferimento Vrefe della tensione di riferimento di traslazione VLV(da cui dipende il valore della tensione di uscita Vout). Inoltre, l'offset dall'amplificatore operazionale a transconduttanza 40 può essere ottimizzato in maniera indipendente (senza considerare ad esempio compromessi di banda o di altre caratteristiche rispetto ad altri stadi del convertitore di potenza 1 ) .
Facendo riferimento alla figura 8, viene ora descritta una possibile implementazione circuitale del modulo di amplificazione 36 ed in particolare del relativo amplificatore da strumentazione, detto anche amplificatore alle differenze 36'.
In dettaglio, l'amplificatore da strumentazione 36' comprende uno stadio di ingresso differenziale 46 costituito da una coppia di transistori MOSFET 46a, 46b, nell'esempio di tipo PMOS, aventi un rispettivo terminale di gate ricevente rispettivamente la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB.
Il succitato resistore interno, qui indicato con 47, avente resistenza Req, è collegato tra i terminali di source dei transistori MOSFET 46a, 46b, ed è attraversato in uso da una corrente di sbilanciamento Is, che è funzione della differenza (o errore) tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB:
Is<=>(Vref<—>VFB)/Req-L'amplificatore alle differenze 36' comprende inoltre uno stadio a specchio di corrente 48, accoppiato elettricamente allo stadio di ingresso differenziale 46 (di tipo per sé noto, qui non descritto in dettaglio) , configurato in modo da specchiare, nell'esempio con fattore di specchio unitario, la corrente di sbilanciamento Issull'uscita del modulo di amplificazione 36, generando la succitata corrente di uscita Ia.
Come precedentemente indicato, e come illustrato nella stessa figura 8, tale corrente di uscita Iagenera nel resistore di guadagno 37, collegato all'uscita del modulo di amplificazione 36, la tensione di controllo Vc:
Vc= Ia-Rg.
Vantaggiosamente, la soluzione descritta per il modulo di amplificazione 36 risulta avere una semplice realizzazione con consumo elettrico e dispendio di area in realizzazione integrata limitati. Infatti, grazie al fatto che il modulo traslatore di tensione 32 non introduce attenuazione, risulta possibile utilizzare per lo stesso modulo di amplificazione 36 un semplice modulo di guadagno a singolo stadio.
Inoltre, il guadagno del modulo di amplificazione 36 è controllabile in modo accurato, essendo dato da un rapporto tra resistenze, e può anche essere variato in maniera lineare (ad esempio nell'intervallo 1-30), semplicemente variando il valore di resistenza del resistore di guadagno 37.
Le caratteristiche dell'amplificatore da strumentazione 36' possono essere ottimizzate, ad esempio in termini di offset, in maniera indipendente, senza vincoli rappresentati dagli altri moduli del convertitore di potenza 1. È vantaggioso tuttavia che lo stesso amplificatore da strumentazione 36' abbia una banda più larga rispetto a quella dell'anello di controllo implementato dall'unità di controllo PWM 13, al fine di non introdurre ulteriori singolarità; data la semplice realizzazione, risulta tuttavia agevole soddisfare anche questa esigenza.
Nella soluzione illustrata nella suddetta figura 8, il resistore di guadagno 37 è collegato tra l'uscita del modulo di amplificazione 36 ed il terminale di riferimento gnd.
Come descritto in precedenza, e come illustrato in figura 9, può invece essere previsto il modulo di buffer 38, includente l'amplificatore operazionale 39 in configurazione di inseguitore di tensione, collegato tra l'uscita del modulo di amplificazione 36 ed il secondo terminale dello stesso resistore di guadagno 37.
In particolare, l'amplificatore operazionale 39 presenta ingresso non invertente collegato all'uscita del modulo di amplificazione 36, ed ingresso invertente, collegato all'uscita dello stesso amplificatore operazionale 39, collegato al suddetto secondo terminale del resistore di guadagno 37.
Il modulo di buffer 38 agisce come un ulteriore anello di controllo in continua (DC) all'interno del dispositivo di controllo 30.
In particolare in condizione statica o di regime (cosiddetta di "steady-state"), ovvero quando l'anello di controllo ha stabilizzato il valore della tensione di uscita V0utintorno al valore desiderato, il modulo di buffer 38 mantiene il valore della tensione di controllo Vccon un ingresso di valore nullo, ovvero con un errore di regolazione nullo (la tensione di retroazione VFBè sostanzialmente uguale alla tensione di riferimento Vref). Tale caratteristica consente inoltre di avere una sostanziale immunità rispetto ai fenomeni parassiti.
In condizione dinamica, ad esempio in una condizione di variazione di carico, l'amplificatore da strumentazione 36' reagisce velocemente, mentre l'anello di controllo addizionale definito dal modulo di buffer 38 reagisce lentamente, in modo da regolare la successiva condizione statica.
La banda del suddetto ulteriore anello di controllo è dunque da dimensionare in relazione alla banda dell'anello di controllo principale, in modo da ottimizzare la stabilità e le performance del regolatore. Inoltre, in maniera che risulterà evidente ad un tecnico del settore, al modulo di buffer 38 è richiesto di assorbire (o fornire) la massima corrente richiesta dall'amplificatore da strumentazione 36', per evitare errori durante le variazioni dinamiche.
La presenza di tale modulo di buffer 38 consente vantaggiosamente di mantenere il valore della tensione di controllo Vcall'uscita del modulo di amplificazione 36, con una corrente nulla sul resistore di guadagno 37, ovvero con un errore sostanzialmente nullo all'ingresso dello stesso modulo di amplificazione 36, tra la tensione di riferimento Vrefe la tensione di retroazione VFB, massimizzando quindi la precisione della regolazione della tensione di uscita Vout.
I vantaggi della soluzione proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente che tale soluzione fornisce un controllo perfezionato ad anello chiuso di un convertitore di potenza 1, potendo assicurare anche un errore di regolazione in condizione statica (in continua, DC) sostanzialmente nullo.
La soluzione descritta risulta dunque vantaggiosamente utilizzabile in un sistema microelettronico, del tipo descritto ad esempio con riferimento alla figura 10.
II sistema microelettronico, indicato in generale con 50, comprende:
una sorgente di alimentazione 51, ad esempio a batteria, fornente una tensione di alimentazione VDD, nell'intervallo della bassa tensione;
il convertitore di potenza 1, ad esempio di tipo innalzatore, includente il dispositivo di controllo 30, precedentemente illustrato in dettaglio, atto a fornire una tensione di uscita Vout, di valore survoltato rispetto alla tensione di alimentazione VDD(che costituisce la tensione id ingresso VIN);
un elemento di accumulo 52, ad esempio a condensatore, collegato all'uscita out del convertitore di potenza 1;
un dispositivo di pilotaggio (driver) 54, collegato all'elemento di accumulo 52 e configurato per generare una tensione di pilotaggio Vd, di valore opportuno nell'intervallo dell'alta tensione, per pilotare ad esempio elettrodi di una struttura MEMS 55, che costituisce il carico del sistema microelettronico 50, ad esempio per movimentare una relativa massa inerziale per effetto elettrostatico o piezoelettrico.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si ribadisce il fatto che, nonostante la descrizione precedente abbia fatto esplicito riferimento ad una tipologia di convertitore di potenza 1 di tipo flyback, la presente soluzione può vantaggiosamente essere applicata anche ad altre topologie di convertitori di tensione, non soltanto di tipo innalzatone (ad esempio convertitori boost), ma anche di tipo riduttore (ad esempio di tipo buck) o di tipo invertitore (ad esempio buck-boost invertente).
Inoltre, come del resto indicato già in precedenza, si sottolinea nuovamente che la soluzione descritta può essere utilizzata indipendentemente dall'algoritmo di controllo, in tensione o in corrente, implementato dall'unità di controllo PWM 13 del convertitore di potenza 1 per generare il segnale di comando SGDper comandare la commutazione dell'elemento interruttore 4 dello stesso convertitore di potenza 1.
Infine, si evidenzia che il convertitore oggetto della presente soluzione può vantaggiosamente realizzare un regolatore o convertitore di tensione, a cui la precedente trattazione ha fatto esplicitamente riferimento, a titolo esemplificativo e non limitativo, o un regolatore o convertitore di corrente (ad esempio in dispositivi di pilotaggio, driver, per LED o in caricabatterie).

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo (30), per il controllo di un convertitore (1) del tipo a commutazione comprendente almeno un elemento induttore (2a) accoppiato ad un ingresso (IN) su cui è presente una tensione di ingresso (VIN), un elemento di immagazzinamento (6) accoppiato ad un'uscita (OUT) su cui è presente una tensione di uscita (Vout), ed un elemento interruttore (4), il dispositivo di controllo (30) essendo configurato in modo da generare un segnale di comando (SGD) per controllare la commutazione dell'elemento interruttore (4) e determinare alternativamente l'immagazzinamento di energia in detto elemento induttore (2a) in un primo intervallo (TON) di un periodo di commutazione, e il trasferimento di energia sull'elemento di immagazzinamento (6) in un secondo intervallo (TOFF) del periodo di commutazione, caratterizzato dal fatto di comprendere: un modulo traslatore di tensione (32) accoppiato a detta uscita (OUT) e configurato per generare su un nodo di retroazione (FB) una tensione di retroazione (VFB), di valore traslato rispetto a detta tensione di uscita (Vout); un modulo di amplificazione (36) avente un primo ingresso atto a ricevere la tensione di retroazione (VFB), un secondo ingresso atto a ricevere una tensione di riferimento (VREF), ed un'uscita atta a fornire, in funzione di una differenza tra la tensione di retroazione (VFB) e la tensione di riferimento (VREF), un segnale di controllo (Vc); ed un'unità di controllo (13) configurata per ricevere detto segnale di controllo (Ve) e generare un segnale di comando (SGD) atto a controllare la commutazione di detto elemento interruttore (4) in funzione di detto segnale di controllo (Vc).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto modulo traslatore di tensione (32) comprende: un generatore di corrente (34) collegato a detto nodo di retroazione (FB) e configurato in modo da fornire in corrispondenza di detto nodo di retroazione una corrente di traslazione (It); ed un resistore di traslazione (33) collegato tra detto nodo di retroazione (FB) e detta uscita (OUT) .
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto generatore di corrente (34) comprende: un amplificatore operazionale (40), avente un primo terminale di ingresso ricevente una tensione di riferimento di traslazione (VLV); un resistore di carico (42), collegato tra un secondo terminale di ingresso dell'amplificatore operazionale (40) ed un terminale di riferimento (gnd); ed un elemento transistore (44), collegato tra il nodo di retroazione (FB) ed il secondo terminale di ingresso dell'amplificatore operazionale (40) ed avente un terminale di controllo collegato all'uscita dello stesso amplificatore operazionale (40); in cui detta tensione di retroazione (VFB) è data dalla seguente espressione: VFB= Vout - VLV (R2/R1) dove R2è la resistenza di detto resistore di traslazione (33) ed Ri è la resistenza di detto resistore di carico (42).
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detto modulo traslatore di tensione (32) è configurato in modo da traslare verso il basso detta tensione di uscita (Vout) da un primo valore, ad alta tensione (HV) , ad un secondo valore, a bassa tensione (LV), inferiore a detto primo valore .
  5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto modulo di amplificazione (36) comprende un amplificatore da strumentazione (36') operante in modalità di corrente, che genera una corrente di uscita (Ia) secondo la seguente espressione : la<=>(Vref<—>VFB)/Req, dove Req è il valore di resistenza di un resistore (47) interno allo stesso modulo di amplificazione (36), ed in cui detto modulo di amplificazione (36) comprende inoltre un resistore di guadagno (37), avente un primo terminale collegato all'uscita del modulo di amplificazione (36), su cui è presente il segnale di controllo (Vc), il cui valore è dato dall'espressione seguente: Ve<=>(Vref<—>VFB ) " Rg/Req, dove Rg è il valore di resistenza del suddetto resistore di guadagno (37).
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detto amplificatore da strumentazione (36') comprende: uno stadio di ingresso differenziale (46) costituito da una coppia di transistori (46a, 46b), aventi un rispettivo terminale di controllo ricevente rispettivamente la tensione di riferimento (Vref) e la tensione di retroazione (VFB), e configurato per generare una corrente di sbilanciamento (Is) che è funzione della differenza tra la tensione di riferimento (Vref) e la tensione di retroazione (VFB); ed uno stadio a specchio di corrente (48), accoppiato elettricamente allo stadio di ingresso differenziale (46) e configurato in modo da specchiare la corrente di sbilanciamento (Is) sull'uscita del modulo di amplificazione (36), generando la corrente di uscita (Ia).
  7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un modulo di buffer (38), includente un amplificatore operazionale (39) in configurazione di inseguitore di tensione collegato all'uscita del modulo di amplificazione (36) e configurato in modo da mantenere il valore del segnale di controllo (Vc), in presenza di un errore sostanzialmente nullo all'ingresso del modulo di amplificazione (36), tra la tensione di riferimento (Vref) e la tensione di retroazione (VFB).
  8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo (13) è configurata in modo da implementare una modalità di controllo, in tensione o in corrente, sulla base del segnale di controllo (Vc), per generare detto segnale di comando (SGD) e definire la durata del primo intervallo (TON) e del secondo intervallo (TOFF) del periodo di commutazione dell'elemento interruttore (4).
  9. 9. Convertitore di potenza (1), comprendente il dispositivo di controllo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  10. 10. Convertitore secondo la rivendicazione 9, di tipo innalzatone di tensione, in modalità boost o flyback, di tipo riduttore o di tipo invertitore.
  11. 11. Sistema microelettronico (50) comprendente il convertitore di potenza (1) ed il dispositivo di controllo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed inoltre una struttura MEMS (55) configurata in modo da ricevere un segnale di pilotaggio (Vd) generato in funzione di detta tensione di uscita (Vout).
  12. 12. Metodo di controllo, per il controllo di un convertitore (1) del tipo a commutazione comprendente almeno un elemento induttore (2a) accoppiato ad un ingresso (IN) su cui è presente una tensione di ingresso (VIN), un elemento interruttore (4) accoppiato a detto elemento induttore (2a), un elemento di immagazzinamento (6) accoppiato ad un'uscita (OUT) su cui è presente una tensione di uscita (Vout), ed un elemento a diodo (5) accoppiato a detto elemento di immagazzinamento (6), il metodo di controllo (30) comprendo la fase di generare un segnale di comando (SGD) per controllare la commutazione dell'elemento interruttore (4) e determinare alternativamente l'immagazzinamento di energia in detto elemento induttore (2a) in un primo intervallo (TON) di un periodo di commutazione, e il trasferimento di energia sull'elemento di immagazzinamento (6) attraverso l'elemento a diodo (5) in un secondo intervallo (TOFF) del periodo di commutazione, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: generare una tensione di retroazione (VFB), di valore traslato rispetto a detta tensione di uscita (Vout); generare, in funzione di una differenza tra la tensione di retroazione (VFB) e la tensione di riferimento (VREF), un segnale di controllo (Ve); e generare un segnale di comando (SGD) atto a controllare la commutazione di detto elemento interruttore (4) in funzione di detto segnale di controllo (Vc).
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di generare una tensione di retroazione (VFB) comprende traslare verso il basso detta tensione di uscita (V0ut) da un primo valore, ad alta tensione (HV), ad un secondo valore, a bassa tensione (LV), inferiore a detto primo valore .
  14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui detta fase di generare un segnale di controllo (Ve) comprende: generare una corrente di uscita (Ia) in funzione della differenza tra la tensione di retroazione (VFB) e la tensione di riferimento (VREF), e fornire detta corrente di uscita (Ia) ad un resistore di guadagno (37), su cui è presente detto segnale di controllo (Vc).
  15. 15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-14, comprendente inoltre la fase di mantenere, tramite un amplificatore operazionale (39) in configurazione di inseguitore di tensione, collegato all'uscita del modulo di amplificazione (36), il valore del segnale di controllo (Vc), in presenza di un errore sostanzialmente nullo all'ingresso dello stesso modulo di amplificazione (36), tra la tensione di riferimento (Vref) e la tensione di retroazione (VFB).
  16. 16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-15, in cui detta fase di generare un segnale di comando (SGD) comprende implementare una modalità di controllo, in tensione o in corrente, sulla base del segnale di controllo (Vc), per generare detto segnale di comando (SGD) e definire la durata del primo intervallo (TON) e del secondo intervallo (TOFF) del periodo di commutazione dell'elemento interruttore (4).
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