IT201600122087A1 - Modulo di rilevazione di picco di ringing per un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, relativo sistema e circuito integrato - Google Patents

Description

“Modulo di rilevazione di picco di ringing per un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, relativo sistema e circuito integrato”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo Tecnico

Le forme di attuazione della presente descrizione sono relative a soluzioni concernenti un modulo di rilevazione di picco di ringing per rilevare un ringing all’uscita di un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, in particolare un circuito di pilotaggio di un motore DC, comprendente un circuito di rilevazione di picco di ringing configurato in modo da rilevare il valore di picco di un’oscillazione che ha luogo sul carico elettrico induttivo, e un modulo configurato in modo da confrontare detto valore di picco rilevato con un valore massimo, comandando detto circuito di pilotaggio con un segnale di errore calcolato in funzione della differenza tra detto valore di picco e detto valore massimo.

Sfondo tecnico

Nelle applicazioni automotive, l’uso di motori in corrente continua (DC, “Direct Current”) o in corrente continua senza spazzole (BLDC, “Brushless DC”) per le applicazioni relative alle ventole, alle pompe o agli attuatori, è molto comune con la tendenza di rimpiazzare i tradizionali motori DC con quelli BLDC.

I carichi elettrici induttivi, come i motori DC, in particolare i motori DC brushless, sono spesso controllati per mezzo di una modulazione a larghezza di impulso (PWM, “Pulse-Width-Modulation”) al fine di regolare una corrente elettrica e/o una tensione elettrica per il rispettivo carico elettrico. A questo scopo, un carico elettrico è spesso accoppiato in un circuito risonante full-bridge o half-bridge a componenti elettronici, quali dei transistori a effetto di campo semiconduttore ossido di metallo (MOSFET, “Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor”) o transistori bipolari a gate isolato (IGBT, “Insulated-Gate Bipolar Transistor”) che sono accesi e spenti secondo il controllo del segnale PWM e, come risultato, regolano la corrente e/o la tensione per il carico elettrico.

Come descritto, per esempio, nel documento IT102016000009376, un motore è spesso pilotato per mezzo di uno o più half-bridge in funzione di uno o più rispettivi segnali PWM.

Per esempio, la Figura 1 rappresenta un tipico dispositivo half-bridge 20 comprendente due switch elettronici SW1e SW2, come dei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) di potenza a canalen, connessi in serie tra una tensione di alimentazione Vdd e una massa GND.

Di solito, gli switch SW1e SW2sono chiusi alternativamente al fine di connettere l’uscita OUT del dispositivo half-bridge 20, cioè il punto intermedio tra gli switch SW1e SW2, alla tensione Vdd o a massa GND.

A questo scopo, l’half-bridge è pilotato in funzione di due segnali di pilotaggio DRV1e DRV2, che sono connessi (per es. direttamente) rispettivamente ai gate di controllo degli switch SW1e SW2.

Specificamente, al fine di pilotare correttamente i gate di controllo, di solito un circuito di pilotaggio high-side 2001è usato per generare il segnale di pilotaggio DRV1per lo switch high-side SW1in funzione di un primo segnale di controllo IN1, e un circuito di pilotaggio low-side 2002è usato per generare il segnale di pilotaggio DRV2per lo switch low-side SW2in funzione di un segnale di controllo IN2.

Il segnale di controllo IN2corrisponde spesso a una versione invertita del segnale IN1(o viceversa), cioè il segnale IN2è basso quando il segnale IN1è alto e viceversa. Per esempio, nella Figura 1 è usato un inverter 202 che riceve in ingresso il segnale IN1e fornisce in uscita il segnale IN2.

L’uscita OUT del dispositivo half-bridge 20 può essere usata per pilotare un carico. Per esempio, nella Figura 1, il dispositivo half-bridge 20 pilota una motore M1connesso tra l’uscita OUT del dispositivo half-bridge 20 e la massa GND.

Per contro, la Figura 2 rappresenta un esempio nel quale due dispositivi half-bridge 20ae 20bsono usati per pilotare un motore lineare M2, come un motore di tipo “voice coil”, connesso tra l’uscita OUTadel primo dispositivo ponte (“bridge”) 20ae l’uscita OUTbdel secondo dispositivo ponte 20b. Come ben noto agli esperti nella tecnica, in questo caso, anche la direzione di rotazione del motore M2può essere controllata applicando segnali di controllo INae INbappropriati ai dispositivi half-bridge 20ae 20b.

Infine, la Figura 3 rappresenta un esempio nel quale tre dispositivi half-bridge 20a, 20be 20ccontrollati da rispettivi segnali di controllo INa, INbe INcsono usati per pilotare un motore trifase M3, come un motore di mandrino, connesso tra le uscite OUTa, OUTbe OUTcdei dispositivi half-bridge 20a, 20be 20c.

Come menzionato in precedenza, i segnali di controllo IN, o INae INb, oppure INa, INbe INcpossono essere segnali PWM, cioè segnali con una frequenza fissa e un duty cycle variabile.

Quando dei componenti elettronici come questi sono accesi e spenti, possono verificarsi oscillazioni parassite indesiderate della corrente e della tensione, che possono influire negativamente sulla compatibilità elettromagnetica del circuito e provocare perdite di commutazione.

Più in particolare, in un’applicazione di un circuito di pilotaggio di motore, è necessario mantenere sotto un certo livello le emissioni condotte. I requisiti di emissioni condotte sono violati soltanto nella gamma di frequenza in cui ha luogo un ringing. Il ringing è un’oscillazione presente a un terminale qualsiasi di un MOS esterno, provocata da una carica di recupero inversa dei diodi di corpo (“body diode”) o da di/dt o dv/dt elevate.

Al fine di ridurre le oscillazioni parassite, è noto connettere condensatori esterni al gate e al source o al drain dei componenti elettronici, dei resistori di gate per ridurre le velocità (“rate”) di cambiamento della corrente di gate e usare circuiti di soppressione o tensione di gate per smorzare le oscillazioni. La connessione di tali componenti elettrici presenta vari inconvenienti, come l’allungamento dei tempi di commutazione e l’incremento delle perdite di commutazione, dei ritardi di commutazione e dei costi di fabbricazione.

Un’altra soluzione nota prevede di misurare il picco del ringing all’uscita del transistore MOS che pilota il motore o il carico elettrico e di sottrarre da tale picco un valore predefinito del punto di impostazione (“setpoint”), che rappresenta un ringing massimo ammissibile, al fine di pilotare in modo appropriato il gate del MOS esterno, cioè il componente elettrico.

Tale soluzione è schematizzata nella Figura 4, nella quale è rappresentato il circuito di pilotaggio low-side 2002della Figura 1 usato per generare il segnale di pilotaggio DRV2per lo switch low-side SW2in funzione di un segnale di controllo, cioè un segnale PWM, IN2. Nella Figura 4 è anche rappresentata un’induttanza di shunt RS connessa tra il source dello switch low-side SW2e la massa.

Un modulo analizzatore del ringing 300 comprende un circuito di rilevazione di picco 310 che riceve a un ingresso il segnale PWM di controllo IN2e riceve anche un ingresso differenziale. L’ingresso differenziale, SLx-Sly, è ottenuto da una coppia di segnali di retroazione SLx e SLy, rappresentativi della tensione drain-source dello switch low-side SW2.

Il circuito di rilevazione di picco 310 fornisce in uscita un valore di picco pv che, dopo la sottrazione con un valore di stato stazionario (“steady-state”) ss, è portato come picco di ringing pr a un ingresso di un blocco di sottrazione 320 per effettuare la differenza con un setpoint sp predefinito, portato all’altro ingresso del blocco di sottrazione 320, che rappresenta il ringing massimo ammissibile: dalla sottrazione nel blocco 320 è ottenuto un segnale di errore di ringing re, che è quindi inviato per comandare il circuito di pilotaggio low-side 2002, che pilota il gate dello switch low-side SW2. Il circuito di pilotaggio low-side 2002è configurato in modo da generare una configurazione (“pattern”) di una corrente di gate o una tensione di gate in sincronismo con i fronti di salita e di discesa del segnale PWM IN2. Il segnale di errore di ringing re può essere usato dal circuito di pilotaggio lowside 2002per comandare le variazioni di tale pattern di corrente di gate o di tensione di gate in modo tale che il valore di picco pv sia ridotto.

Per esempio, in US 2015/0349772 A1 sono descritti un procedimento e un dispositivo per accendere o spegnere un componente elettronico sotto il controllo di un segnale a modulazione di larghezza di impulso che usa tale soluzione. Il segnale di errore di ringing è usato per variare i tempi di commutazione (“switchover”) a livelli differenti della corrente di gate o della tensione di gate, così da diminuire l’ampiezza delle oscillazioni se il loro picco è maggiore del set-point sp.

L’ingresso differenziale SLx-SLy è proporzionale alla tensione di drain source degli switch low-side, siccome ciascuno dei segnali della coppia differenziale, SLx o Sly, è preso all’uscita dello switch low-side dell’half-bridge di una data fase. Nella Figura 5 è illustrato un esempio con riferimento a un circuito di pilotaggio con tre fasi, come nella Figura 3, in cui ci sono perciò tre rilevatori di picco 310 connessi tra ciascuno dei tre half-bridge 20a, 20b, 20c, uno per ciascuna fase, che ricevono come ingresso differenziale la differenza delle coppie SLa, SLb, o SLb,SLcoppure SLa, SLc, di un segnale preso sui rispettivi induttori di shunt RSa, RSb, RSc, connessi tra il source del rispettivo switch low-side e la massa.

La coppia di segnali SLxe Slydella Figura 4 può corrispondere a una qualsiasi di tali tre coppie, o a una differenza di due segnali, nel caso della Figura 2, oppure anche uno dei due segnali può essere zero, nel caso della Figura 1, cioè l’analizzatore di ringing 300 riceve soltanto un ingresso, l’altro essendo zero.

Questo tipo di soluzione presenta almeno due inconvenienti.

In primo luogo, la forma d’onda di ingresso nel rilevatore di picco, cioè la forma d’onda determinata dalla coppia differenziale SLxe Sly, ha un modo comune (funzionale) tra -1 V e 1 V (e uno assoluto tra –6 V e 6 V), con un’ampiezza differenziale che può raggiungere 3 V. Perciò, l’intervallo di tensione complessivo è al di fuori dell’area operativa sicura (SOA, Safe Operating Area) dei CMOS a 3,3 V. Questo può essere risolto usando uno switch ad alta tensione all’ingresso, con dei rail flottanti a 3,3 V (per funzionare con i circuiti CMOS) o con l’uso di cascode; tuttavia, è difficile garantire la precisione e la velocità.

Poi, è necessario memorizzare il valore di picco pv e il valore di stato stazionario ss della forma d’onda di ingresso nel rilevatore di picco, per calcolare il picco di ringing pr e sottrarre il set-point. Un ringing ad alta frequenza (per esempio da 40 a 60 MHz), con una piccola ampiezza (per esempio da circa 50 mV a circa 100 mV) in confronto all’escursione (“swing”) di tensione totale dell’intera forma d’onda di ingresso può essere critico così come la gestione della polarità, poiché il rilevatore di picco funziona soltanto con segnali in salita. Una soluzione possibile potrebbe essere di usare un condensatore interno e un amplificatore operazionale addizionatore per effettuare tutte le operazioni matematiche necessarie; tuttavia, l’architettura del rilevatore di picco in questo modo diventa complessa da progettare, poiché è necessario memorizzare il valore di stato stazionario dell’ingresso, memorizzare il valore di picco dell’ingresso, calcolare il valore di picco meno quello in stato stazionario per ottenere il picco del ringing, e sottrarre quindi nel blocco di somma successivo al rilevatore di picco il set-point per ottenere l’errore di ringing per pilotare il gate.

Sintesi

In considerazione di ciò che precede, uno scopo della presente descrizione è di fornire soluzioni che superano uno o più degli inconvenienti precedenti.

Secondo una o più forme di attuazione, uno o più degli scopi precedenti sono raggiunti per mezzo di un rilevatore di picco di ringing per un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo avente le caratteristiche esposte specificamente nelle rivendicazioni che seguono. Le forme di attuazione concernono inoltre un relativo procedimento e circuito integrato.

Le rivendicazioni sono parte integrante dell’insegnamento tecnico della descrizione qui fornita.

Come menzionato in precedenza, la presente descrizione è relativa a un modulo di rilevazione di picco di ringing per rilevare un ringing all’uscita di un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, in particolare un circuito di pilotaggio di motore DC, comprendente un circuito risonante full-bridge o half-bridge che comprende uno o più switch elettronici high-side e uno o più switch low-side, in particolare dei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), connessi in serie tra una tensione di alimentazione e una massa,

un circuito di rilevazione di picco di ringing che riceve un ingresso differenziale ottenuto da una coppia di segnali di retroazione rappresentativi della tensione drain-source di uno switch low-side, configurato in modo da rilevare il valore di picco di un’oscillazione della corrente e/o della tensione che ha luogo sul carico elettrico induttivo, e

un modulo configurato in modo da confrontare un picco di ringing, corrispondente alla differenza tra detto valore di picco rilevato e lo stato stazionario, con un valore massimo predefinito, comandando detto circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo con un segnale di errore calcolato in funzione della differenza tra detto valore di picco di ringing e detto valore massimo,

caratterizzato dal fatto che detto modulo di rilevazione di picco di ringing comprende

un modulo di buffer di ingresso, posto a monte di detto circuito di rilevazione di picco, configurato in modo da traslare i segnali di retroazione dell’ingresso differenziale, in modo tale che il modo comune dell’ingresso differenziale sia centrato a metà dinamica della tensione di alimentazione, fornendo come uscita per l’ingresso di un circuito di rilevazione di picco una uscita differenziale traslata, che mantiene un valore di stato stazionario di detto segnale di ingresso differenziale,

il modulo di rilevazione di picco comprendendo un buffer di ingresso che comprende condensatori di ingresso connessi in serie su ciascuno dei suoi pin di ingresso che ricevono la coppia di segnali di retroazione che formano l’ingresso differenziale, detti condensatori essendo configurati per sostenere l’intervallo di tensione di ingresso,

un modulo differenziale analogico/digitale che riceve come ingresso uno dei segnali di tensione traslati e il segnale di uscita del rilevatore di picco, e che fornisce come uscita la loro differenza digitale.

In varie forme di attuazione, il buffer di ingresso comprende un modulo di traslazione configurato in modo da connettere i segnali ai suoi ingressi differenziali a una semi-tensione corrispondente a metà dinamica della tensione di alimentazione.

In varie forme di attuazione, il buffer di ingresso comprende un modulo configurato in modo da commutare la polarità di segnali differenziali ai suoi ingressi differenziali.

In varie forme di attuazione, il buffer di ingresso è connesso a detti condensatori di ingresso e detto modulo di traslazione è connesso alle uscite di detto buffer di ingresso.

In varie forme di attuazione, il circuito di rilevazione di picco comprende un amplificatore differenziale che riceve come ingresso una delle tensioni traslate e sua uscita segnali per controllare la carica di un condensatore di picco per immagazzinare la tensione di picco.

In varie forme di attuazione, la tensione di stato stazionario è sottratta da detto valore di picco rilevato, al fine di ottenere il segnale di picco di ringing.

In varie forme di attuazione, il modulo configurato in modo da confrontare detto picco di ringing rilevato con un valore massimo, comandando detto circuito di pilotaggio con un segnale di errore calcolato in funzione della differenza tra detto picco di ringing e detto valore massimo comprende un blocco di sottrazione configurato in modo da effettuare una sottrazione tra il valore di picco rilevato e il valore massimo predefinito al fine di ottenere detto segnale di errore per comandare il gate dello switch low-side.

In varie forme di attuazione, il buffer di ingresso comprende un circuito di set-point configurato in modo da aggiungere una tensione corrispondente a detto valore massimo predefinito alla tensione di uscita differenziale del buffer di ingresso.

In varie forme di attuazione, il circuito di set-point comprende un condensatore di immagazzinamento del set-point connesso a una estremità al nodo sul quale si forma la tensione traslata negativa e l’altra è connessa attraverso un primo switch a un ingresso che riceve il valore massimo e attraverso un secondo switch a massa, detto circuito di set-point essendo configurato in modo da connettersi a detto condensatore di immagazzinamento del set-point al valore massimo predefinito per aggiungere una tensione corrispondente a detto valore massimo predefinito alla tensione di uscita differenziale del buffer di ingresso, in modo tale che sia uguale alla somma della tensione di stato stazionario dell’ingresso differenziale e del valore massimo predefinito.

La presente descrizione è relativa anche a un sistema comprendente un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, in particolare un circuito di pilotaggio di motore DC, comprendente un circuito risonante full-bridge o half-bridge che comprende degli switch elettronici high-side e degli switch low-side, in particolare dei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), connessi in serie tra una tensione di alimentazione e una massa, e un modulo di rilevazione di picco per rilevare un ringing all’uscita del circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo come descritto in precedenza.

La presente descrizione è relativa anche a un circuito integrato comprendente il sistema o circuito di rilevazione del modulo di rilevazione di picco come descritto in precedenza.

Breve descrizione delle figure

Le forme di attuazione della presente descrizione saranno ora descritte con riferimento ai disegni annessi, che sono forniti puramente a titolo di esempio non limitativo, e nei quali:

- le Figure da 1 a 5 sono già state descritte in precedenza;

- la Figura 6 rappresenta una forma di attuazione di un modulo di rilevazione di picco di ringing;

- la Figura 7 rappresenta una seconda forma di attuazione di un modulo di rilevazione di picco di ringing;

- la Figura 8 rappresenta un diagramma temporale delle quantità formate nel modulo di rilevazione di picco di ringing.

Descrizione Dettagliata

Nella descrizione che segue, sono dati numerosi dettagli specifici per fornire una comprensione approfondita delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere attuate senza uno o vari dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture ben note non sono rappresentate o descritte in dettaglio in modo da evitare di rendere poco chiari gli aspetti delle forme di attuazione.

Un riferimento a “una forma di attuazione” in tutta questa descrizione significa che una particolare caratteristica, elemento distintivo o struttura descritta con riferimento alla forma di attuazione è inclusa in almeno una forma di attuazione. Così, le comparse delle frasi “in una forma di attuazione” in vari punti in tutta questa descrizione non fanno necessariamente riferimento tutte alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, elementi distintivi o strutture possono essere combinate in un modo adeguato qualsiasi in una o più forme di attuazione.

Le intestazioni fornite qui sono semplicemente per convenienza e non interpretano l’ambito o il significato delle forme di attuazione.

Nelle seguenti Figure 6 e 7, le parti, gli elementi o i componenti che sono già stati descritti con riferimento alle Figure da 1 a 5 sono indicate con gli stessi riferimenti usati precedentemente in tali Figure; la descrizione di tali elementi descritti in precedenza non sarà ripetuta in seguito al fine di non sovraccaricare la presente descrizione dettagliata.

Come menzionato in precedenza, la presente descrizione è relativa a un modulo di rilevazione di picco di ringing per rilevare un ringing all’uscita di un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo, in particolare un circuito di pilotaggio di motore DC.

La Figura 6 rappresenta l’architettura generale di un modulo di rilevazione di picco di ringing 400 secondo la presente descrizione.

Nella forma di attuazione considerata, il modulo di rilevazione di picco 400 comprende un modulo di buffer di ingresso 412 per traslare ed eventualmente invertire l’ingresso differenziale SLx-SLy, con un modo comune dell’ingresso differenziale SLx-SLy centrato a metà dinamica della tensione di alimentazione, nell’esempio a 1,65 V.

Il modulo di buffer di ingresso 412 comprende condensatori di ingresso Cx, Cy connessi in serie su ciascuno dei pin di ingresso che ricevono la coppia di segnali di retroazione SLx, SLy che formano l’ingresso differenziale SLx-Sly. In questo caso, il segnale di retroazione SLx, che può corrispondere per esempio al segnale Sla nella Figura 3, è il segnale all’ingresso positivo del modulo di rilevazione di picco di ringing 400 (e, come rappresentato in seguito, del circuito di rilevazione di picco 310), mentre il segnale SLy, che può corrispondere per esempio al segnale SLb nella Figura 3, è il segnale all’ingresso negativo. Tali condensatori di ingresso Cx, Cy consentono di sostenere l’intervallo di tensione di ingresso, cosicché è possibile usare un’architettura CMOS 3,3 V completa.

Poi, è fornito un modulo 412a per selezionare la polarità dei segnali differenziali di ingresso SLx, Sly, comprendente un dispositivo di switch configurati in modo da commutare in base alla selezione le connessioni dei segnali di retroazione SLx e SLy agli ingressi di un modulo seguente, specificamente un modulo di traslazione 412b seguente.

Il modulo di traslazione 412b è configurato attraverso un rispettivo dispositivo di switch per connettere selettivamente i segnali differenziali di ingresso SLx, Sly, secondo la polarità selezionata nel blocco 412a, a una semi-tensione Vhd corrispondente a metà dinamica della tensione di alimentazione, per es. 1,65 V per CMOS a 3,3 V. Questa inizializzazione è necessaria perché il buffer di ingresso 412 è progettato in modo da seguire le variazioni differenziali del segnale di ingresso, ma non è in grado di impostare il punto di partenza in DC dei due segnali rispetto a GND.

Il modulo di buffer di ingresso 412 fornisce un’uscita differenziale traslata formata da una coppia di segnali traslati di tensione, Vs1 e Vs2, dove Vs1 indica il segnale positivo traslato e Vs2 il segnale negativo traslato.

In sintesi, il modulo di buffer di ingresso 412 è configurato in modo da fornire una uscita differenziale bufferata, Vs1-Vs2, corrispondente al valore di stato stazionario ss dell’ingresso differenziale SLx-Sly.

Il modulo di rilevazione di picco di ringing 400 comprende quindi il circuito di rilevazione di picco 310, che riceve ai suoi ingressi i due segnali dell’uscita differenziale Vs1, Vs2 del modulo di buffer di ingresso 412, al posto dei segnali differenziali di ingresso SLx, SLy, e fornisce una tensione di uscita Vpout corrispondente al picco di tale uscita differenziale bufferata Vs1-Vs2. In particolare, il segnale traslato positivo Vs1 è portato all’ingresso invertente di un amplificatore differenziale 315, mentre il segnale traslato negativo Vs2 è portato a una linea di massa flottante FG. L’ingresso positivo dell’amplificatore differenziale 315 è connesso al nodo di uscita Vout del circuito 310. Uno specchio di corrente 316, di solito connesso alla tensione di alimentazione CMOS VCC è connesso tra l’uscita dell’amplificatore differenziale 315 e tale nodo di uscita pout, il transistore connesso a diodo dello specchio di corrente 316 ricevendo la corrente di uscita dell’amplificatore differenziale 315 e l’uscita dell’altro transistore dello specchio di corrente 316 che rappresenta il nodo di uscita Vpout.

Un condensatore di picco Cpeak, per immagazzinare la tensione di picco, è connesso tra il nodo di uscita pout e la linea di massa flottante FG.

Lo specchio di corrente 316 carica il condensatore di picco Cpeak. Quando l’uscita è inferiore all’ingresso l’amplificatore 315 permette allo specchio di corrente 316 di caricare il condensatore di picco Cpeak.Quando l’uscita raggiunge il valore di picco, l’amplificatore 315 disabilita lo specchio di corrente 316 e l’uscita è tenuta al valore di picco, cioè alla tensione di picco, sul condensatore di picco Cpeak.

Il rilevatore di picco 310 è un circuito che è noto all’esperto nella tecnica e può essere sostituito con altre topologie di rilevatore di picco che eseguono le funzioni corrispondenti.

Quindi una tensione di uscita Vpout sul nodo di uscita pout del circuito 310 è portata a un convertitore differenziale analogico/digitale 418, che riceve ai suoi ingressi tale tensione di uscita Vpout e la tensione traslata positiva Vs1.

Il modulo di buffer di ingresso 412 è atto a mantenere il valore di stato stazionario ss dell’ingresso differenziale, cioè la differenza SLx-SLy, che è memorizzato nella tensione di uscita traslata differenziale (Vs1 – Vs2).

La tensione di picco è memorizzata nella tensione differenziale Vpout–Vs2.

Perciò, il picco di ringing pr, che è la differenza tra la tensione di picco e lo stato stazionario ss del segnale di ingresso differenziale, è uguale a (Vpout–Vs2)–(Vs1–Vs2)=(Vpout–Vs1)

Usando il convertitore differenziale analogico/digitale 418, è possibile convertire direttamente il segnale di picco di ringing, come la tensione differenziale tra la tensione di uscita Vpout e l’ingresso positivo Vs1, senza alcuna operazione aggiuntiva.

Il segnale di uscita dell’ADC differenziale 418, cioè il picco di ringing pr rilevato, può essere inviato al blocco di sottrazione 320 per effettuare una sottrazione con il set-point sp predefinito, che rappresenta il massimo ringing ammissibile, al fine di ottenere un errore di ringing re per comandare il gate dello switch low-side SW2.

Nella variante di forma di attuazione rappresentata nella Figura 7, un circuito di set-point 419 è aggiunto al buffer di ingresso 412. Tale circuito di set-point 419 comprende un condensatore di immagazzinamento del set-point C2, che è connesso a una estremità al nodo sul quale si forma la tensione traslata negativa Vs2 e l’altra è connessa attraverso un primo switch 421 a un ingresso che riceve il set-point sp e attraverso un secondo switch 422 a massa.

Preferibilmente, il valore di capacità del condensatore di immagazzinamento del set-point C2 è uguale al valore di capacità di ciascuno dei condensatori di ingresso Cx, Cy.

Il buffer di ingresso 412, come nella Figura 6, è atto a mantenere alla sua uscita il valore di stato stazionario ss dell’ingresso differenziale SLx–SLy, memorizzato nella sua tensione differenziale di uscita Vs1 – Vs2.

Quando il condensatore di immagazzinamento del setpoint C2 è commutato dalla massa al set-point sp operando sugli switch 421 e 422, così è creato un evento differenziale uguale al set-point sp per il buffer di ingresso 412, in modo tale che la tensione differenziale di uscita Vs1–Vs2 del buffer di ingresso 412, quando il condensatore di immagazzinamento del set-point C2 è commutato dalla massa al set-point sp, sia uguale alla somma della tensione di stato stazionario ss e del setpoint sp.

Come già indicato, con riferimento alla Figura 6, all’ingresso dell’ADC differenziale 418, è ottenuta una tensione uguale a (Vpout–Vs2)–(Vs1–Vs2); siccome la differenza tra Vs1 e Vs2 è uguale alla tensione di stato stazionario ss sommata al set-point sp, allora all’ingresso dell’ADC differenziale 418 è ottenuta una tensione che corrisponde alla tensione di picco del segnale di ingresso differenziale SLx–Sly, meno lo stato stazionario di tale segnale di ingresso, SLx–SLy meno il set-point sp. Più in breve:

ingresso ADC = tensione di picco pv – (tensione di stato stazionario ss set-point sp)

perciò:

ingresso ADC = tensione di picco pv – tensione di stato stazionario ss – set-point sp

Tuttavia, siccome il picco di ringing pr, cioè il valore di ampiezza dell’oscillazione, è uguale alla differenza tra la tensione di picco pv e il valore di stato stazionario ss dell’ingresso differenziale SLx – Sly:

(tensione di picco pv – tensione di stato stazionario ss) = picco di ringing pr

risulta che all’ingresso del convertitore differenziale analogico/digitale 418 è ottenuto l’ingresso differenziale:

pr – sp = re.

In questo caso, perciò l’errore di ringing re può essere fornito direttamente al circuito di pilotaggio di gate 2002senza usare il blocco di sottrazione 320.

In altre parole, il buffer di ingresso 412 è atto a mantenere il valore di stato stazionario ss del segnale differenziale di ingresso, siccome segue le variazioni, anche le variazioni molto lente, dell’ingresso differenziale, in aggiunta a traslare la tensione di modo comune a metà dinamica.

Il valore di picco pv è il picco del segnale differenziale rispetto alla tensione zero differenziale (Vpout-Vs2). Il ringing di picco pr è la differenza tra il valore di picco pv e il valore di stato stazionario ss, che può essere differente da 0 V. Il ringing di picco pr rappresenta il picco dell’oscillazione che si desidera ridurre. Questo consente di calcolare automaticamente il ringing di picco pr connettendo direttamente le tensioni Vpout e Vs1 al convertitore analogico/digitale 418.

Le soluzioni descritte qui hanno così vantaggi significativi rispetto alle soluzioni note.

Il modulo di rilevazione di picco di ringing con il buffer di ingresso è atto a mantenere il valore a regime del segnale differenziale, siccome segue le variazioni, anche le variazioni molto lente, dell’ingresso differenziale, in aggiunta a traslare la tensione di modo comune a metà dinamica.

La Figura 8 rappresenta un diagramma temporale delle quantità formate nel modulo di rilevazione di picco di ringing. Nel diagramma superiore, la coppia di segnali di retroazione SLx (linea a punti) e SLy (linea a tratti) sono rappresentati in funzione del tempo. Tra un tempo t1e uno t2, il segnale di retroazione SLx presenta un’onda sinusoidale, cioè un evento differenziale, tra -100 mV e 100 mV, mentre il segnale di retroazione SLy è zero e rimane uguale a zero, cioè è connesso al source di un MOS che non commuta. Il segnale SLy è zero, siccome è connesso a un ramo che non commuta. È da notare che il circuito descritto con riferimento alla Figura 5, per pilotare un motore trifase, è basato sull’ipotesi che commuta soltanto un MOS alla volta. Nell’esempio della Figura 8, SLx è connesso al ramo che sta commutando attualmente.

Nel diagramma centrale della Figura 8 sono rappresentate le tensioni traslate Vs1 (linea a punti) e Vs2 (linea a tratti). Come si può vedere, esse hanno un valore di stato stazionario a Vhd=1,65 V e, nell’intervallo di tempo t1-t2che corrisponde all’evento differenziale assumono valori opposti con un’ampiezza picco-picco di 100 mV.

Nel diagramma inferiore della Figura 8 sono rappresentati l’ingresso differenziale SLx-SLy (linea a punti) e la tensione di uscita differenziale Vs1–Vs2 (linea a tratti) che, nell’intervallo di tempo t1-t2che corrisponde all’evento differenziale mantengono sostanzialmente gli stessi valori.

La soluzione qui descritta consente una semplificazione dell’architettura e l’uso di una struttura CMOS standard per progettare il blocco centrale (“core”).

Inoltre, non c’è alcuna necessità di rail flottanti per gestire un’escursione di ingresso elevata (modo comune).

Nel suo complesso, questo conduce a un risparmio di area sul circuito integrato.

Questo è ottenuto in particolare usando dei condensatori per isolare i circuiti CMOS e usando degli switch per resettare la tensione di modo comune al livello di metà dinamica.

Naturalmente, fermi restando i principi di fondo dell’invenzione, i dettagli di costruzione e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto è stato descritto e illustrato qui, puramente a titolo di esempio, senza uscire con ciò dall’ambito della presente invenzione, come definita dalle rivendicazioni che seguono.

La soluzione qui descritta può essere applicata quando è necessario un rilevatore di picco di ringing, atto a funzionare ad alte frequenze, in un intervallo di tensione al di fuori dell’area operativa CMOS standard, per esempio nei circuiti di pilotaggio di motori BLDC.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Modulo di rilevazione di picco di ringing (300; 400; 500) per rilevare un ringing all’uscita di un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo (2002), in particolare un circuito di pilotaggio di un motore DC (M1;M2;M3), comprendente un circuito risonante full-bridge o half-bridge (20; 20a, 20b; 20a, 20b, 20c) che comprende uno o più switch elettronici high-side (SW1) e uno o più switch low-side (SW2), in particolare dei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), connessi in serie tra una tensione di alimentazione (Vdd) e una massa (GND), un circuito di rilevazione di picco di ringing (310) che riceve un ingresso differenziale (SLx-SLy) ottenuto da una coppia di segnali di retroazione (SLx, Sly) rappresentativi della tensione drain-source di uno switch low-side (SW2), configurato in modo da rilevare il valore di picco (pv) e un stato stazionario (ss) di un’oscillazione della corrente e/o della tensione che ha luogo sul carico elettrico induttivo (M1;M2;M3), calcolando il picco di detto ringing (pr) come la differenza tra un valore di picco (pv) e un valore di stato stazionario (ss), e un modulo (320; 418) configurato in modo da confrontare detto valore di picco (pv) rilevato con un valore massimo predefinito (sp), comandando detto circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo (2002) con un segnale di errore (re) calcolato in funzione della differenza tra detto valore di picco (pv) e detto valore massimo (sp), caratterizzato dal fatto che detto modulo di rilevazione di picco di ringing (400; 500) comprende un modulo di buffer di ingresso (412), posto a monte di detto circuito di rilevazione di picco (310), configurato in modo da traslare i segnali di retroazione (SLx, Sly) dell’ingresso differenziale (SLx-SLy) in modo tale che il modo comune dell’ingresso differenziale (SLx-SLy) sia centrato a metà dinamica della tensione di alimentazione (Vdd), fornendo come uscita per l’ingresso di un circuito di rilevazione di picco (310) un’uscita differenziale traslata (Vs1-Vs2), formata da segnali di tensione (Vs1, Vs2) traslati in modo corrispondente che mantiene un valore di stato stazionario di detto segnale di ingresso differenziale, (SLx-SLy), in cui detto buffer di ingresso (412) comprende condensatori di ingresso (Cx, Cy) connessi in serie su ciascuno dei suoi pin di ingresso che ricevono la coppia di segnali di retroazione (SLx, Sly) che formano l’ingresso differenziale (SLx-Sly), detti condensatori (Cx, Cy) essendo configurati per sostenere l’intervallo di tensione di ingresso, un modulo differenziale analogico/digitale (418) che riceve come ingresso uno dei segnali di tensione traslati (Vs1, Vs2) e il segnale di uscita del rilevatore di picco (Vpout), e che fornisce come uscita la loro differenza digitale.
2. 2. Modulo di rilevazione di picco secondo la Rivendicazione 1, in cui detto buffer di ingresso (412) comprende un modulo di traslazione (412b) configurato in modo da connettere i segnali (SLx, Sly) ai suoi ingressi differenziali a una semi-tensione (Vhd) corrispondente a mezza dinamica della tensione di alimentazione.
3. 3. Modulo di rilevazione di picco secondo la Rivendicazione 1 o 2, in cui detto buffer di ingresso (412) comprende un modulo (412a) configurato in modo da commutate la polarità di segnali differenziali ai suoi ingressi differenziali.
4. 4. Modulo di rilevazione di picco secondo le Rivendicazioni da 2 a 4, in cui detto buffer di ingresso (412a) è connesso a detti condensatori di ingresso (Cx, Cy) e detto modulo di traslazione (412b) è connesso alle uscite di detto buffer di ingresso (412a).
5. 5. Modulo di rilevazione di picco secondo una qualsiasi delle Rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di rilevazione di picco (310) comprende un amplificatore differenziale (315) che riceve come ingresso una delle tensioni traslate (Vs1) e suoi segnali di uscita (Vpout) per controllare la carica (316) di un condensatore di picco (Cpeak) per immagazzinare la tensione di picco.
6. 6. Modulo di rilevazione di picco secondo una qualsiasi delle Rivendicazioni precedenti, in cui detto modulo (320; 418) configurato in modo da confrontare detto picco di ringing (pr) rilevato con un valore massimo (sp), comandando detto circuito di pilotaggio (2002) con un segnale di errore (re) calcolato in funzione della differenza tra detto picco di ringing (pr) e detto valore massimo (sp) comprende un blocco di sottrazione (320) configurato in modo da effettuare una sottrazione tra il picco di ringing (pr) rilevato e il valore massimo predefinito (sp) al fine di ottenere detto segnale di errore (re) per comandare il gate dello switch low-side (SW2).
7. 7. Modulo di rilevazione di picco secondo una qualsiasi delle Rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto buffer di ingresso (412) comprende un circuito di set-point (419) configurato in modo da aggiungere una tensione corrispondente a detto valore massimo predefinito (sp) alla tensione di uscita differenziale (Vs1–Vs2) del buffer di ingresso (412).
8. 8. Modulo di rilevazione di picco secondo la Rivendicazione 7, in cui detto circuito di set-point (419) comprende un condensatore di immagazzinamento del set-point (C2) connesso a una estremità al nodo sul quale si forma la tensione traslata negativa (Vs2) e l’altra è connessa attraverso un primo switch (421) a un ingresso che riceve il valore massimo (sp) e attraverso un secondo switch (422) a massa, detto circuito di set-point (419) essendo configurato in modo da connettersi a detto condensatore di immagazzinamento del set-point (C2) al valore massimo (sp) per aggiungere una tensione corrispondente a detto valore massimo predefinito (sp) alla tensione di uscita differenziale (Vs1–Vs2) del buffer di ingresso (412), in modo tale che sia uguale alla somma della tensione di stato stazionario dell’ingresso differenziale (SLx-SLy) e del valore massimo predefinito (sp).
9. 9. Sistema comprendente un circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo (M1;M2;M3), in particolare un circuito di pilotaggio di motore DC (M1;M2;M3), comprendente un circuito risonante full-bridge o half-bridge (20; 20a, 20b; 20a, 20b, 20c) che comprende degli switch elettronici high-side (SW1) e degli switch low-side (SW2), in particolare dei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), connessi in serie tra una tensione di alimentazione (Vdd) e una massa (GND), e un modulo di rilevazione di picco (400;500) per rilevare un ringing all’uscita del circuito di pilotaggio di un carico elettrico induttivo (M1;M2;M3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
10. 10. Circuito integrato comprendente il circuito di rilevazione del modulo di rilevazione di picco (400; 500) secondo una qualsiasi delle precedenti Rivendicazioni da 1 a 8 o un sistema secondo la Rivendicazione 9.