IT202000016396A1 - Circuito generatore di impulsi, sistema e procedimento corrispondenti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo:

?Circuito generatore di impulsi, sistema e procedimento corrispondenti?

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo tecnico

La descrizione ? relativa ai circuiti generatori di impulsi.

Una o pi? forme di attuazione sono applicabili nei circuiti generatori di impulsi per pilotare diodi laser.

Sfondo tecnologico

I circuiti generatori di impulsi possono essere usati in varie applicazioni come i transistori di potenza e i dispositivi di pilotaggio (?driver?), i dispositivi di pilotaggio per diodi laser, per esempio nei sistemi LIDAR (LIght Detection And Ranging o Laser Imaging Detection And Ranging) come sempre pi? usati nel settore automotive.

Nei generatori di impulsi come discussi in precedenza, si possono generare impulsi usando un circuito (?tank?) risonante comprendente un condensatore ricaricato durante il funzionamento.

Un tempo di ricarica breve e una potenza limitata dissipata nella ricarica del condensatore del tank risonante sono cos? caratteristiche desiderabili di tali generatori di impulsi.

Scopo e sintesi

Uno scopo di una o pi? forme di attuazione ? di contribuire a fornire tali caratteristiche nei generatori di impulsi.

Secondo una o pi? forme di attuazione, tale scopo ? raggiunto da un circuito generatore di impulsi avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.

Una o pi? forme di attuazione possono riguardare un relativo sistema. Un sistema LIDAR per uso nel settore automotive, per esempio, comprendente uno o pi? diodi laser pu? essere un esempio di un tale sistema.

Una o pi? forme di attuazione possono riguardare un relativo procedimento.

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

In una o pi? forme di attuazione, un condensatore del tank risonante pu? essere caricato usando un induttore di carica, il che pu? ridurre in modo apprezzabile la dissipazione di potenza in confronto a una carica resistiva.

Una o pi? forme di attuazione possono sfruttare la risonanza di un induttore di carica, il che pu? comportare di controllare il valore della tensione del condensatore in un certo istante a una tensione suscettibile di essere inferiore o superiore alla tensione di alimentazione.

Una o pi? forme di attuazione facilitano una carica accurata e non dissipativa di un condensatore del tank risonante come usato, per esempio, per generare impulsi di corrente al di sotto di un nanosecondo in un laser per applicazioni LIDAR.

Una o pi? forme di attuazione possono comprendere un blocco di regolazione della tensione con la funzione di caricare il condensatore del tank risonante in maniera veloce e non dissipativa.

In una o pi? forme di attuazione, la corrente che scorre attraverso il diodo laser ? legata alla tensione di carica del condensatore.

Una o pi? forme di attuazione possono comprendere una topologia di circuito (abbastanza simile a un convertitore DC-DC) che pu? essere sincronizzata con le attivazioni del tank risonante. Ci? ? in contrasto con le topologie di convertitori DC-DC che comportano un anello chiuso con retroazione sulla corrente di uscita allo scopo di generare una corrente costante uguale all?ampiezza della corrente che scorre attraverso una schiera (?array?) di diodi laser (una schiera di diodi VCSEL o laser a emissione superficiale con cavit? verticale (?Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser?), per esempio).

Una o pi? forme di attuazione possono fornire uno o pi? dei seguenti vantaggi:

bassa dissipazione di potenza, che facilita la miniaturizzazione e l?efficienza,

controllo accurato della carica del tank risonante, controllo accurato della corrente del laser, integrazione facilitata.

Breve descrizione dei disegni annessi

Le caratteristiche e i vantaggi delle forme di attuazione diverranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue di sue implementazioni pratiche, rappresentate a titolo di esempio non limitativo nelle figure annesse, nelle quali:

le Figure 1 e 2 sono esempi di schemi circuitali di carica resistiva di un condensatore in un tank risonante in un generatore di impulsi;

la Figura 3 ? un esempio di uno schema circuitale generale di carica non dissipativa di un condensatore in un tank risonante in un generatore di impulsi;

la Figura 4 ? un esempio di uno schema circuitale di un?implementazione ad anello aperto di una carica non dissipativa di un condensatore;

la Figura 4A ? un diagramma illustrativo di un possibile comportamento nel tempo di segnali che possono ricorrere nell?implementazione della Figura 4;

la Figura 5 ? un esempio di uno schema circuitale di un?implementazione ad anello chiuso di una carica non dissipativa di un condensatore;

la Figura 5A ? un diagramma illustrativo di un possibile comportamento nel tempo di segnali che possono ricorrere nell?implementazione della Figura 5;

la Figura 6 ? un esempio di uno schema circuitale di un?implementazione a corrente continua di una carica non dissipativa di un condensatore;

la Figura 6A ? un diagramma illustrativo di un possibile comportamento nel tempo di segnali che possono ricorrere nell?implementazione della Figura 6;

la Figura 7 ? un esempio di uno schema circuitale di un?implementazione con corrente nell?induttore livellata (?clamped?) e discontinua di una carica non dissipativa di un condensatore;

la Figura 7A ? un diagramma illustrativo di un possibile comportamento nel tempo di segnali che possono ricorrere nell?implementazione della Figura 7; e

la Figura 8 ? una rappresentazione di una possibile integrazione di un dispositivo di pilotaggio per laser comprendente un circuito generatore di impulsi secondo forme di attuazione della presente descrizione.

Descrizione dettagliata di esempi di forme di attuazione

Nella descrizione che segue, sono illustrati vari dettagli specifici, allo scopo di permettere una comprensione approfondita delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere fornite senza uno o pi? dei dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture note non sono rappresentate o descritte in dettaglio al fine di evitare di rendere poco chiari vari aspetti delle forme di attuazione.

Un riferimento a ?una forma di attuazione? nel quadro di questa descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta con riferimento alla forma di attuazione ? compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, le frasi come ?in una forma di attuazione? o simili che possono essere presenti in vari punti di questa descrizione non fanno necessariamente riferimento proprio alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un modo adeguato qualsiasi in una o pi? forme di attuazione.

Le intestazioni/riferimenti usati qui sono forniti semplicemente per convenienza e quindi non definiscono l?ambito di protezione o l?ambito delle forme di attuazione.

In tutte le figure, parti, elementi o componenti simili sono indicati con simboli di riferimento simili senza ripetere una descrizione dettagliata per ciascuna figura al fine di non appesantire la presente descrizione dettagliata.

Analogamente, in tutta questa descrizione, una stessa designazione pu? essere usata per semplicit? per indicare una certa linea o un certo nodo del circuito e un segnale che ricorre su quella linea o in quel nodo.

La Figura 1 rappresenta una forma di attuazione di un circuito generatore di impulsi, quale un circuito come descritto nella domanda di brevetto italiano n.

102019000029132, non ancora disponibile al pubblico al momento del deposito della presente domanda.

La Figura 1 illustra un circuito generatore di impulsi usato come un circuito di pilotaggio per un diodo laser LD.

Come illustrato, il circuito generatore di impulsi comprende uno switch di pilotaggio elettronico sul lato alto (?high-side?) HSD e uno switch di pilotaggio elettronico sul lato basso (?low-side?) LSD.

Questi switch possono essere transistori come transistori a effetto di campo, vantaggiosamente transistori al nitruro di gallio o GaN (Gallium Nitride), in quanto possono avere tempi di commutazione nel range di 100 ps.

Il diodo laser LD ? un esempio, in generale, di un carico elettrico cui ? previsto sia applicato un segnale a impulsi. Come tale, il carico come rappresentato a titolo di esempio dal diodo laser LD pu? essere un elemento distinto dal generatore di impulsi.

Come illustrato:

lo switch di pilotaggio elettronico high-side HSD ? accoppiato tra un primo nodo 10 e un secondo nodo 12,

lo switch di pilotaggio elettronico low-side LSD ? accoppiato tra il secondo nodo 12 e un nodo di riferimento (per esempio, la massa GND),

il carico elettrico ? accoppiato tra il primo nodo 10 e il secondo nodo 12.

Nel caso di esempio del diodo laser LD qui considerato, l?anodo e il catodo del diodo laser LD sono accoppiati rispettivamente al primo nodo 10 e al secondo nodo 12.

Due circuiti di pilotaggio 141, 142 sono illustrati accoppiati agli elettrodi di controllo (gate, nel caso di transistori a effetto di campo) degli switch HSD e LSD.

E previsto un tank risonante LC comprendente un induttore Lr e un condensatore Cr connessi in serie accoppiato tra il primo nodo 10 e il nodo di riferimento GND.

Come illustrato, l?induttore Lr ? disposto intermedio tra il primo nodo 10 e un nodo intermedio 16 del tank risonante e il condensatore Cr ? disposto intermedio tra il nodo 16 e il nodo di riferimento GND.

Un resistore di carica Rcharge ? accoppiato tra un nodo di tensione regolata a una tensione VCC e il nodo intermedio 16 nel circuito risonante Lr, Cr.

I due circuiti di pilotaggio 141, 142 sono configurati per essere fatti funzionare al fine di portare gli switch di pilotaggio 141, 142 alternativamente a on (switch chiuso e conduttivo) e a off (switch aperto e non conduttivo), in modo tale che al carico siano applicati impulsi di pilotaggio (per produrre un funzionamento laser a impulsi del diodo laser LD, per esempio) come rappresentato schematicamente sul lato di sinistra della Figura 1, dove l?attivazione del laser LA e il pilotaggio del tank risonante RTD sono rappresentati a titolo di esempio rispetto a una scala (ascissa) dei tempi t comune.

Per esempio, la domanda di brevetto italiano n.

102019000029132 (gi? citata) descrive una soluzione in cui la circuiteria di pilotaggio 141, 142 ? configurata per ripetere ciclicamente durante una sequenza di cicli di commutazione le fasi seguenti:

per un primo intervallo di tempo, chiudere il primo switch elettronico HSD e aprire il secondo switch elettronico LSD, in cui il primo nodo 10 e il secondo nodo 12 sono cortocircuitati e la capacit? Cr nel circuito risonante LC Lr, Cr ? caricata mediante il circuito di carica;

per un secondo intervallo di tempo successivo, chiudere il primo switch elettronico HSD e chiudere il secondo switch elettronico LSD, in cui il primo nodo 10 e il secondo nodo 12 sono cortocircuitati e il circuito risonante LC Lr, Cr oscilla a una frequenza di risonanza (identificata da una costante di tempo Tr = 2?*(Lr*Cr)<1/2>);

per un terzo intervallo di tempo successivo, aprire il primo switch elettronico HSD e chiudere il secondo switch elettronico LSD, in cui il circuito risonante LC Lr, Cr fornisce una corrente a impulsi verso il carico (qui il diodo laser LD) mediante il primo nodo 10 e il secondo nodo 12; e

per un quarto intervallo di tempo successivo, chiudere il primo switch elettronico HSD e il secondo switch elettronico LSD, in cui il primo nodo 10 e il secondo nodo 12 sono cortocircuitati e il circuito risonante LC Lr, Cr oscilla alla frequenza di risonanza.

In un circuito come rappresentato a titolo di esempio nella Figura 1, la corrente fornita dal circuito risonante LC Lr, Cr oscilla con un dato valore di corrente massimo e la circuiteria di pilotaggio 141, 142 pu? essere controllata per fare partire il terzo intervallo di tempo quando la corrente fornita dal circuito risonante LC Lr, Cr raggiunge un valore di corrente (massimo) di soglia.

In un circuito come rappresentato a titolo di esempio nella Figura 1, la durata del secondo intervallo di tempo pu? essere selezionata in un campo tra il 90% e il 110%, preferibilmente tra il 95% e il 105%, di un quarto del periodo di risonanza del circuito risonante LC Lr, Cr.

In un circuito come rappresentato a titolo di esempio nella Figura 1, la corrente fornita dal circuito risonante LC Lr, Cr oscilla con un valore di corrente massimo e una circuiteria di controllo associata pu? essere configurata per:

ricevere dati che identificano un?ampiezza di corrente richiesta da fornire a due terminali di uscita 10, 12; e determinare la durata del secondo intervallo di tempo in funzione dei dati che identificano un?ampiezza di corrente richiesta.

In un circuito come rappresentato a titolo di esempio nella Figura 1, una circuiteria di controllo associata pu? essere configurata per fare partire il primo intervallo di tempo quando la corrente fornita dal circuito risonante LC Lr, Cr raggiunge lo zero.

Per il resto, si apprezzer? che le presenti forme di attuazione riguardano principalmente il controllo di carica del tank risonante Lr, Cr nel generatore di impulsi, piuttosto dei dettagli di funzionamento come richiamato precedentemente, il che rende superfluo fornire in questa sede una descrizione di maggior dettaglio.

Una soluzione come illustrata nella Figura 1 usa il tank risonante Lr, Cr per generare impulsi di corrente (molto) veloci in corrispondenza di un carico elettrico, come un diodo laser (per applicazioni LIDAR, per esempio).

L?ampiezza di corrente dell?impulso laser ? fissata dall?energia immagazzinata nel tank risonante. Un controllo accurato dell?ampiezza dell?impulso di corrente laser comporta cos? di controllare la quantit? di carica sul condensatore Cr nel momento in cui il tank risonante ? attivato. Ci? comporta, a sua volta, di ricaricare a un valore di tensione preciso il condensatore del tank risonante nel momento dell?attivazione del tank risonante.

Una ricarica veloce svolge cos? un ruolo nel facilitare un?attivazione del laser LD a una frequenza di attivazione elevata.

Una carica veloce del condensatore ostacola, a sua volta, un controllo preciso della tensione. Inoltre, una carica a frequenza elevata pu? avere come risultato una dissipazione di potenza elevata nel circuito di carica.

Come illustrato nella Figura 1, il condensatore ? caricato mediante una sorgente di riferimento di tensione VCC e un resistore Rcharge.

Il valore di resistenza di Rcharge pu? essere selezionato abbastanza elevato da evitare un?interferenza con il tank risonante, con Vcc/Rcharge (molto) minore della corrente di picco Ipeak.

Di conseguenza, la carica di Cr pu? diventare un fattore critico quando si desidera attivare il laser a una frequenza elevata: un valore di resistenza di Rcharge ridotto, vantaggioso per una (ri)carica veloce, sarebbe in realt? in conflitto con il fatto di contrastare l?interferenza con il tank risonante come discusso precedentemente.

Questo problema pu? essere affrontato come illustrato nella Figura 2, dove parti, elementi o componenti gi? discussi con riferimento alla Figura 1 sono indicati con gli stessi simboli di riferimento.

Come illustrato nella Figura 2, il condensatore Cr ? caricato con un resistore ?commutato? Rcharge, in modo tale da poter ottenere una carica veloce di Cr con un piccolo valore di Rcharge senza interferire con il tank risonante.

Come illustrato nella Figura 2, uno switch di carica CS (questo pu? essere di nuovo un transistore, come un transistore a effetto di campo) ? disposto tra VCC e Rcharge. Lo switch CS pu? essere controllato (vale a dire, reso alternativamente conduttivo e non conduttivo) da un rispettivo circuito di pilotaggio 143 accoppiato all?elettrodo di controllo (il gate, nel caso di un transistore a effetto di campo) dello switch CSl.

Il dispositivo di pilotaggio 143 pu? essere azionato in una maniera sincronizzata con i dispositivi di pilotaggio 141 e 142 come rappresentato schematicamente sul lato di sinistra della Figura 2, dove la temporizzazione del processo di carica di Cr CRC ? rappresentata a titolo di esempio rispetto a una scala (ascissa) dei tempi t comune insieme all?attivazione del laser LA e al pilotaggio del tank risonante RTD.

La soluzione della Figura 2 pu? essere vantaggiosa nella misura in cui un basso valore di Rcharge facilita una carica veloce di Cr (per esempio, 1/(Rcharge*Cr) pu? essere minore di 3*Frequenza degli impulsi laser).

Inoltre, quando lo switch CS ? off, Rcharge non ha alcuna influenza sul circuito risonante.

La soluzione illustrata nella Figura 2 pu? cos? essere adeguata per frequenze degli impulsi laser nel range di 100 kHz.

Per il resto, si pu? notare che, se si fa ricorso alla soluzione della Figura 2 per una carica resistiva di Cr, l?energia dissipata nello switch CS e in Rcharge ? sostanzialmente la stessa energia coinvolta nel caricare il condensatore, che ? uguale all?energia persa durante l?attivazione del tank risonante. Questo ha come risultato perdite di energia che eguagliano l?energia dissipata nello switch CS e le perdite di energia nel tank risonante.

La dissipazione di potenza nello switch ? uguale a queste perdite di energia moltiplicate per l?attivazione della frequenza di attivazione del tank risonante (della frequenza degli impulsi laser).

Se si prevede una frequenza di attivazione del laser nel range di 500 kHz, la dissipazione di potenza nello switch CS pu? innalzarsi sino alcuni watt, con la dissipazione del sistema di pilotaggio del laser sostanzialmente raddoppiata.

Si nota che una dissipazione di potenza elevata pu? essere indesiderabile per vari motivi:

un raffreddamento adeguato pu? comportare un dissipatore (?heat sink?) di grandi dimensioni, con il punto critico rappresentato del fatto di ottenere un buon accoppiamento termico del dispositivo di pilotaggio del laser con il dissipatore,

il dispositivo di pilotaggio del laser pu? essere difficile da miniaturizzare a causa di una densit? di dissipazione di potenza elevata,

l?efficienza pu? risultare ridotta in quanto la dissipazione di potenza totale del dispositivo di pilotaggio del laser pu? essere raddoppiata (il doppio delle perdite di energia nel tank risonante),

la dissipazione di potenza pu? diventare proibitivamente elevata per frequenze del laser molto alte (per es., 500 kHz).

Una o pi? forme di attuazione possono affrontare i problemi discussi in precedenza secondi criteri di una soluzione per una carica non dissipativa di Cr, come illustrata in termini generali nella Figura 3.

Nella Figura 3 (e anche nelle figure seguenti), parti, elementi o componenti simili parti, elementi o componenti gi? discussi con riferimento alle Figure 1 e 2 sono indicati con simboli di riferimento simili, senza ripetere per brevit? una descrizione dettagliata.

Come indicato, pi? che altri dettagli del funzionamento del circuito (apertura/chiusura degli switch HSD e LSD), le presenti forme di attuazione riguardano principalmente il controllo di carica del tank risonante Lr, Cr nel generatore di impulsi: per quanto qui interessa, si pu? assumere che tale funzionamento del circuito corrisponda al funzionamento ciclico comprendente un primo, un secondo, un terzo e un quarto intervallo di tempo successivi come richiamato precedentemente con riferimento alla Figura 1.

In breve, un circuito come rappresentato in generale a titolo di esempio nella Figura 3 pu? comprendere una circuiteria di pilotaggio (141, 142 - si veda anche 14 nella Figura 8) del primo switch elettronico HSD e del secondo switch elettronico LSD configurata per ripetere ciclicamente durante una sequenza di cicli di commutazione:

intervalli di tempo di carica (si veda il primo intervallo di tempo richiamato precedentemente con riferimento alla Figura 1), in cui il primo switch elettronico HSD ? chiuso e il secondo switch elettronico LSD ? aperto e la capacit? Cr nel circuito risonante LC Lr, Cr ? caricata mediante il circuito di carica 100, intervalli di tempo di generazione di impulsi (successivi agli intervalli di tempo di carica ? si veda il terzo intervallo di tempo richiamato precedentemente con riferimento alla Figura 1), in cui il primo switch elettronico HSD ? aperto e il secondo switch elettronico LSD ? chiuso e il circuito risonante LC Lr, Cr fornisce una corrente a impulsi al carico (qui, il diodo laser LD) mediante il primo nodo 10 e il secondo nodo 12, intervalli di tempo di oscillazione (si vedano il secondo intervallo di tempo e il quarto intervallo di tempo richiamati precedentemente con riferimento alla Figura 1) intercalati con gli intervalli di tempo di carica e di generazione di impulsi; negli intervalli di tempo di oscillazione il primo switch elettronico HSD e il secondo switch elettronico LSD sono entrambi chiusi e il circuito risonante LC Lr, Cr oscilla a una frequenza di risonanza.

Nella soluzione illustrata generalmente nella Figura 3, il condensatore Cr nel tank risonante ? caricato usando un circuito di commutazione 100 che pu? essere assimilato sostanzialmente a un convertitore DC-DC accoppiato tra il nodo VCC e il nodo 16 allo scopo di ricaricare il condensatore Cr con una dissipazione di potenza minima.

Un riferimento a un convertitore DC-DC indica che una qualsiasi topologia di convertitore DC-DC nota agli esperti nella tecnica (buck, boost, buck boost, risonante, giusto per menzionarne alcune a titolo di esempio) pu? essere presa come un modello per il circuito 100, essendo per il resto inteso che il circuito 100 attua una specifica topologia che pu? essere sincronizzata con le attivazioni del tank risonante.

A tale riguardo, si nota che, seppur di certo vantaggioso, un funzionamento sincronizzato (vale a dire, con il segnale PWM sincronizzato con la frequenza di attivazione del tank risonante) non ? imperativo; inoltre, la frequenza di commutazione pu? essere differente dalla frequenza delle attivazioni del tank risonante. In effetti, ? possibile generare una corrente di carica per Cr con una frequenza differente (per es., pi? elevata) della frequenza delle attivazioni del tank risonante, in quanto questo non comporterebbe una sincronizzazione con il tank risonante.

Per quanto qui interessa, si pu? notare sostanzialmente che una circuiteria di pilotaggio (141, 142 ? si veda anche 14 nella Figura 8) nel circuito della Figura 3 ? configurata per agire sul primo switch elettronico HSD e sul secondo switch elettronico LSD al fine di ripetere cicli di commutazione comprendenti intervalli di tempo di carica (si veda il primo intervallo di tempo richiamato precedentemente con riferimento alla Figura 1), in cui il primo switch elettronico HSD ? chiuso e il secondo switch elettronico LSD ? aperto e la capacit? Cr nel circuito risonante LC Lr, Cr ? caricata con un induttore (L Charge) atto a risuonare con il condensatore.

Un approccio come qui considerato si presta a essere implementato secondo differenti opzioni. Queste differenti opzioni possono essere sincronizzate con le attivazioni del tank risonante al fine di facilitare il raggiungimento di un valore desiderato per la tensione di carica V Cr sul condensatore Cr in coordinamento con il tank risonante (in linea di principio, proprio nello stesso istante in cui il tank risonante ? attivato).

In seguito, saranno discusse varie tali opzioni: controllo di carica non dissipativa di Cr in anello aperto (Figure 4 e 4A);

controllo di carica non dissipativa di Cr in anello chiuso (Figure 5 e 5A);

controllo di carica non dissipativa di Cr con corrente continua (Figure 6 e 6A);

controllo di carica non dissipativa di Cr con corrente nell?induttore livellata e discontinua (Figure 7 e 7A).

Passando dapprima al controllo di carica non dissipativa di Cr in anello aperto, la Figura 4 illustra un circuito di switch di carica 102 comprendente un (semi)ponte H che comprende un primo switch elettronico 102a e un secondo switch elettronico 102b (come indicato, questi possono essere transistori come transistori a effetto di campo, come transistori GaN, per esempio).

Gli switch 102a, 102b sono pilotati alternativamente a on e off (si veda l?invertitore logico 102c accoppiato all?elettrodo di controllo ? al gate, nel caso di un transistore a effetto di campo - dello switch 102b) per pilotare con una tensione a onda quadra Vswitch un induttore (L Charge) accoppiato tra il punto intermedio 106 del ponte e il condensatore Cr.

Come illustrato, una tensione a onda quadra (modulata PWM) per pilotare il circuito di switch 102 pu? essere prodotta da un comparatore 104 confrontando la tensione di carica di Cr (cio?, V Cr) con una tensione di soglia (una soglia fissa 108 nel caso illustrato nella Figura 4), generata in una maniera nota di per s?, in modo tale che il segnale PWM sia sincronizzato con le attivazioni del tank risonante.

Il valore di L Charge pu? essere selezionato in modo tale che la corrente Icharge media attraverso l?induttore L Charge sia superiore a zero 0 con un ripple minore del valore medio, cos? da ottenere un controllo di corrente in una modalit? continua (?continuous mode?).

In tal modo, il condensatore Cr ? caricato con la corrente Icharge, con il valore di Icharge (e quindi la velocit? di carica di Cr) che ? funzione della tensione di soglia 108. Siccome la frequenza di attivazione del tank risonante ? costante, il valore di V Cr nell?istante in cui il tank risonante ? attivato (vale a dire, la tensione di carica di Cr) sar? funzione della soglia di tensione 108 (fissa).

I diagrammi della Figura 4A illustrano, rispetto a una scala dei tempi in ascissa comune, possibili comportamenti nel tempo:

della tensione V Cr ai capi di Cr, rappresentata rispetto alla soglia 108 e una tensione di carica desiderata Cr CV (diagramma superiore), e

della corrente di carica Icharge rappresentata rispetto al ciclo di on-off di Vswitch (diagramma inferiore, con l?attivazione del tank risonante evidenziata in RTA).

Si pu? notare che, dopo alcuni cicli dall?avvio, lo switch di carica 102 ? sincrono con le attivazioni del tank risonante e il valore di V Cr nei momenti delle attivazioni del tank rimane sostanzialmente stabile.

In un dispositivo come illustrato nella Figura 4, la soglia di commutazione a off e i valori dei componenti possono essere definiti cos? da avere la tensione del risonatore uguale a VCC all?attivazione dell?accensione (?firing?).

In un dispositivo come illustrato nella Figura 4, l?induttore di ricarica L Charge funziona in una modalit? a conduzione continua (?continuous conduction mode?).

Per esempio, la corrente di picco nell?induttore di ricarica pu? essere di 1,6 A con un valore medio di 1,3 A, che ? adeguato per ricaricare il risonatore Lr, Cr in applicazioni come discusse in precedenza.

Questi sono naturalmente valori puramente di esempio, menzionati senza alcuna intenzione di limitare le forme di attuazione.

Le Figure 5 e 5A si riferiscono a un controllo di carica non dissipativa di Cr in una configurazione ad anello chiuso.

Il circuito della Figura 5 ? sostanzialmente simile al circuito della Figura 4, con l?eccezione di una soglia variabile 108' introdotta al fine di definire il valore della tensione di carica di Cr mediante il comparatore 104.

La soglia variabile 108' pu? essere generata (in una maniera nota di per s?, in modo tale da essere collegata a parametri di retroazione (ad anello chiuso) indicati in generale come FB. Questi possono comprendere, per esempio, la V Cr stessa o un parametro legato a V Cr, come - a titolo di esempio - la corrente nel tank risonante e/o la potenza emessa dal diodo laser.

Una soglia variabile, come 108', facilita una regolazione continua di Vcr e/o una definizione delle procedure di calibrazione.

I diagrammi della Figura 5A illustrano, rispetto a una scala dei tempi in ascissa comune, possibili comportamenti nel tempo:

della tensione V Cr ai capi di Cr, rappresentata rispetto alla soglia 108' - variabile ? e di una tensione di carica desiderata Cr CV (diagramma superiore), e della corrente di carica Icharge rappresentata rispetto al ciclo di on-off di Vswitch (diagramma inferiore, con l?attivazione del tank risonante evidenziata di nuovo in RTA).

In un dispositivo come illustrato nella Figura 5, l?anello chiuso regola la soglia di commutazione a off in modo tale che la tensione del risonatore uguagli VCC all?attivazione dell?accensione.

In un dispositivo come illustrato nella Figura 5, l?induttore di ricarica L Charge funziona di nuovo in una modalit? a conduzione continua.

Qui, nuovamente, la corrente di picco nell?induttore di ricarica pu? essere di 1,6 A con un valore medio di 1,3 A. Come indicato, questo ? adeguato per ricaricare il risonatore Lr, Cr in applicazioni come discusso in precedenza.

Di nuovo, questi sono valori puramente di esempio, menzionati senza alcuna intenzione di limitare le forme di attuazione.

Le Figure 6 e 6A si riferiscono a un controllo di carica non dissipativa di Cr con corrente continua in una configurazione circuitale che usa soltanto un induttore di carica (cio?, L Charge) accoppiato tra VCC e Cr.

L?induttore L Charge risuona con il condensatore Cr con oscillazioni generate dalle attivazioni del tank risonante.

In un circuito come illustrato nella Figura 6, il valore di induttanza dell?induttore L Charge pu? essere selezionato in modo tale che la frequenza di risonanza del risonatore LC comprendente L Charge e Cr sia (molto) inferiore a una frequenza di attivazione del tank risonante. In tal modo, la corrente nell?induttore scorrer? di nuovo in una modalit? continua.

Una tale scelta per il valore di induttanza dell?induttore L Charge pu? essere peraltro vantaggiosa anche per le altre implementazioni qui illustrate.

I diagrammi della Figura 6A illustrano, rispetto a una scala dei tempi in ascissa comune, possibili comportamenti nel tempo:

della tensione V Cr ai capi di Cr, rappresentata rispetto alla tensione VCC (diagramma superiore), e

della corrente di carica Icharge (diagramma inferiore, con l?attivazione del tank risonante evidenziata di nuovo in RTA).

La Figura 6A fa vedere che, dopo alcuni cicli di attivazioni del tank risonante, il valore di V Cr raggiunge un valore stabile nell?istante dell?attivazione del tank risonante.

In una configurazione come illustrata nella Figura 6, un valore di VCC = 6 V pu? avere come risultato una tensione del risonatore uguale a 11 V all?attivazione dell?accensione.

Anche in questo caso, l?induttore di ricarica funziona in modalit? a conduzione continua con possibili valori per la corrente di picco e la corrente media in esso uguali a 1,66 e 1,58, di nuovo adeguati per ricaricare il risonatore.

Ancora una volta, questi numeri sono puramente valori esemplificativi, menzionati senza alcuna intenzione di limitare le forme di attuazione.

Le Figure 7 e 7A si riferiscono a un controllo di carica non dissipativa di Cr con corrente nell?induttore livellata e discontinua.

Per mezzo di un confronto diretto con la Figura 2, in una soluzione come illustrata nella Figura 7, l?induttore di carica L Charge ? controllato da uno switch di carica CS (questo pu? essere, per esempio, un (semi)ponte H o la combinazione di uno switch elettronico pi? un diodo di ricircolo D1).

Come illustrato nella Figura 7, un diodo di livellamento (?clamping?) D2 ? connesso tra il condensatore Cr e una tensione regolata VCC.

Il diodo di livellamento D2 facilita il fatto di recuperare l?energia in eccesso di nuovo a una tensione di riferimento.

Il diodo D1 facilita un (ri)circolo della corrente nell?induttore L Charge quando lo switch CS ? off (non conduttivo).

In una soluzione come illustrata nella Figura 7, il valore dell?induttore di carica L Charge pu? essere determinato in modo tale che la frequenza di risonanza identificata da L Charge e da Cr sia circa 4 volte la frequenza corrispondente al tempo di carica desiderato del condensatore (vale a dire, la tensione di carica raggiunge un valore di picco desiderato a 1/4 della frequenza di risonanza).

Ci? facilita la carica del condensatore Cr in un tempo che ? sostanzialmente ? del periodo di risonanza (il tempo di carica dovrebbe essere auspicabilmente inferiore o uguale alla frequenza di attivazione del tank risonante).

Per esempio, il valore di Vcr pu? raggiungere Vcro 2x(VCC-Vcro), dove Vcro ? il valore di Vcr quando lo switch di carica CS ? attivato.

Quando si usa una tensione di livellamento regolata minore di Vcro 2x(VCC-Vcro), il valore di carica di Vcr raggiunger? un valore regolato e sar? livellato da questo valore.

I diagrammi della Figura 7B illustrano, rispetto a una scala di tempo in ascissa comune, possibili comportamenti nel tempo:

della tensione V Cr ai capi di Cr, rappresentata rispetto alla tensione di livellamento CV (diagramma superiore), e

della corrente di carica Icharge rappresentata rispetto al ciclo di on-off di Vswitch (diagramma inferiore, con l?attivazione del tank risonante evidenziata di nuovo in RTA).

Una soluzione come illustrato nella Figura 7 facilita un?impostazione del valore di VCr in un solo ciclo.

Perci? questa soluzione pu? essere usata vantaggiosamente con riferimento ai dispositivi in cui le attivazioni del laser non sono effettuate a una frequenza costante.

La Figura 8 ? illustrativa della possibile integrazione di un circuito come discusso precedentemente (per semplicit? ? rappresentata la soluzione della Figura 6) in un sistema LIDAR per uso automotive, per esempio.

Nella Figura 8, un riferimento 14 indica nel complesso gli switch di pilotaggio high-side e low-side HSD e LSD, integrati insieme con i circuiti di pilotaggio cui si ? fatto in precedenza riferimento come 141, 142 oltre a una circuiteria di controllore associata configurata per ricevere un segnale di ingresso (differenziale) tra i nodi di ingresso INH e INL. Un tale assieme integrato pu? essere alimentato con una tensione di alimentazione VCC.

La domanda di brevetto italiano n. 102019000029132 (gi? citata ripetutamente) descrive un dispositivo comprendente un tank risonante come Lr, Cr e due switch. Quando i due switch sono on (conduttivi), il tank risonante scambia l?energia immagazzinata in Cr con l?energia immagazzinata in Lr. Quando Vcr=0, l?energia e la corrente in Lr raggiungono il valore massimo. Quando lo switch HSD (in parallelo al carico - qui, il diodo LD) ? disattivato, la corrente che scorre in Lr scorrer? nel carico e la velocit? di commutazione (di/dt) dipender? dall?induttanza nell?anello di commutazione associato.

Questa topologia consente di avere un?induttanza molto ridotta perch? l?anello di commutazione che comprende (soltanto) lo switch e il carico pu? essere molto corto e le induttanze parassite associate possono essere ridotte sotto il range di 100 pH.

La Figura 8 illustra che una soluzione come qui descritta facilita inoltre il fatto di avere un anello di commutazione ?corto? (racchiuso in una linea tratteggiata) tra lo switch di pilotaggio high-side HSD e il diodo laser LD e un anello di risonanza ?pi? lungo? Lr, Cr, con L Charge accoppiata tra il tank risonante e una tensione regolata VCCreg.

Si ? trovato che una circuiteria di carica induttiva come qui rappresentata a titolo di esempio riduce la dissipazione di potenza relativa alla ricarica del condensatore del tank risonante Cr per un fattore superiore a 10 in confronto a soluzioni resistive, come rappresentato a titolo di esempio nelle Figure 1 e 2, conservando nel contempo la possibilit? di ottenere un valore per la corrente di picco IPeak che ? funzione di VCCreg*(Cr/Lr)<1/2 >e una costante di tempo di oscillazione Tr del tank risonante data da 2?*(Lr*Cr)<1/2>.

In effetti, un circuito integrato (IC, ?Integrated Circuit?) corrispondente pu? comprendere il controllo del tank risonante con l?attivazione del laser insieme al controllo della carica. Ci? facilita il fatto di controllare l?ampiezza della corrente nel laser.

In topologie convenzionali che misurano la corrente nel laser ci? ? difficilmente fattibile, a causa della difficolt? di implementare un rilevamento (?sensing?) affidabile della corrente con un tempo di risposta di 1 ns.

Un IC come qui contemplato pu? i) misurare la corrente nel tank risonante a frequenze nel range di 2 MHz (Tr = 500ns) e, in base a questa misurazione, pu? ii) generare un segnale di retroazione per controllare V Cr che ? legata al valore massimo per la corrente ILr nell?induttore Lr (la corrente nel carico LD non pu? superare ILr).

Una circuiteria di carica induttiva come qui rappresentata a titolo di esempio pu? facilitare un controllo della risonanza di L Charge e Cr e una tensione di carica ben controllata di Cr.

Basandosi sulla risonanza, la tensione controllata pu? essere resa superiore o inferiore alla tensione di alimentazione, con il circuito che fa funzionare un convertitore buck boost.

Un funzionamento in corrente continua di L Charge pu? facilitare una riduzione della corrente di picco in uno switch di carica, cosicch? un tale switch di carica pu? essere integrato facilmente in un IC, il che facilita a sua volta un?integrazione della circuiteria di controllo di carica di Cr in un IC di un dispositivo di pilotaggio per laser.

Per esempio, una circuiteria come rappresentata qui a titolo di esempio pu? facilitare un?implementazione compatta di transistori a nitruro di gallio (GaN) integrati di un dispositivo di pilotaggio per laser a 4 canali e un layout della scheda a circuito stampato o PCB.

Un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio pu? comprendere:

un primo nodo (per esempio, 10) e un secondo nodo (per esempio, 12) configurati per applicare un segnale a impulsi a un carico elettrico (per esempio, LD) accoppiato tra loro;

un primo switch elettronico (per esempio, HSD) accoppiato tra il primo nodo e il secondo nodo;

un secondo switch elettronico (per esempio, LSD) accoppiato tra il secondo nodo e un nodo di riferimento (per esempio, GND);

un circuito risonante LC (per esempio, Lr, Cr) comprendente una connessione serie di un?induttanza (per esempio, Lr) e di una capacit? (per esempio, Cr) aventi un nodo intermedio (per esempio, 16) tra loro, il circuito risonante LC accoppiato tra il primo nodo e il nodo di riferimento;

una circuiteria di carica (per esempio, 100) accoppiata tra un nodo di alimentazione (per esempio, VCC) e il nodo intermedio nel circuito risonante LC;

una circuiteria di pilotaggio (per esempio, 14, 141, 142) del primo switch elettronico e del secondo switch elettronico, la circuiteria di pilotaggio configurata per ripetere cicli di commutazione in una sequenza di cicli di commutazione comprendente intervalli di tempo di carica in cui il primo switch elettronico ? chiuso e il secondo switch elettronico ? aperto e la capacit? nel circuito risonante LC ? caricata mediante la circuiteria di carica, in cui la circuiteria di carica comprende un?ulteriore induttanza (per esempio, L Charge) in una linea di flusso di corrente tra detto nodo di alimentazione e il nodo intermedio nel circuito risonante LC.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, la circuiteria di carica pu? consistere (unicamente) in un?ulteriore induttanza in una linea di flusso di corrente tra detto nodo di alimentazione e il nodo intermedio nel circuito risonante LC.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio,

la circuiteria di pilotaggio del primo switch elettronico e del secondo switch elettronico pu? essere configurata per attivare il circuito risonante LC con una frequenza di attivazione,

l?ulteriore induttanza e la capacit? nel circuito risonante LC possono risuonare a una risonanza inferiore a detta frequenza di attivazione del circuito risonante LC.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, la circuiteria di carica pu? comprendere:

un comparatore (per esempio, 104) configurato per effettuare un confronto della tensione di carica (per esempio, V Cr) della capacit? nel circuito risonante LC con una soglia di carica (per esempio, 108, 108'), e

uno switch di carica (per esempio, 102) disposto in detta linea di flusso di corrente intermedio tra detto nodo di alimentazione e detta ulteriore induttanza, lo switch di carica attivabile per accoppiare detta ulteriore induttanza a detto nodo di alimentazione in funzione dell?esito del confronto in detto comparatore.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, detta soglia di carica pu? comprendere una soglia variabile (per esempio, 108').

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, detta soglia variabile pu? essere variabile in funzione della tensione di carica della capacit? nel circuito risonante LC o di un parametro legato a essa.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, la circuiteria di carica pu? comprendere:

uno switch di carica (per esempio, 102) disposto in detta linea di flusso di corrente intermedio tra detto nodo di alimentazione (per esempio, VCCreg) e detta ulteriore induttanza, lo switch di carica attivabile in modo controllabile (per esempio, 143) per accoppiare detta ulteriore induttanza a detto nodo di alimentazione,

un diodo di livellamento (o ?clamping?, vedere per esempio, D2) connesso tra detto nodo di alimentazione e detto nodo intermedio (per esempio, 16) nel circuito risonante LC.

In un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio l?induttanza (per esempio, Lr) e la capacit? (per esempio, Cr) nel circuito risonante LC possono essere accoppiate, rispettivamente: tra detto primo nodo e detto nodo intermedio, e tra detto nodo intermedio e detto nodo di riferimento, rispettivamente.

Un sistema con funzionamento a impulsi (vale a dire, un sistema configurato per un funzionamento a impulsi), come rappresentato qui a titolo di esempio, pu? comprendere:

un circuito generatore di impulsi come rappresentato qui a titolo di esempio, e

un carico elettrico (per esempio, LD) accoppiato intermedio tra detto primo nodo e detto secondo nodo.

In un sistema con funzionamento a impulsi, come rappresentato qui a titolo di esempio, detto carico elettrico pu? comprendere uno o pi? diodi laser (per esempio, LD).

Un procedimento di funzionamento di un circuito generatore di impulsi, come rappresentato qui a titolo di esempio, o di un sistema con funzionamento a impulsi, come rappresentato qui a titolo di esempio, pu? comprendere di azionare il primo switch elettronico e il secondo switch elettronico ripetendo ciclicamente durante una sequenza di cicli di commutazione:

intervalli di tempo di carica, in cui il primo switch elettronico ? chiuso e il secondo switch elettronico ? aperto e la capacit? nel circuito risonante LC ? caricata mediante il circuito di carica,

intervalli di tempo di generazione di impulsi, in cui il primo switch elettronico ? aperto e il secondo switch elettronico ? chiuso e il circuito risonante LC fornisce una corrente a impulsi al carico mediante il primo nodo e il secondo nodo,

intervalli di tempo di oscillazione intercalati con gli intervalli di tempo di carica e di generazione di impulsi, in cui negli intervalli di tempo di oscillazione il primo switch elettronico e il secondo switch elettronico sono entrambi chiusi e il circuito risonante LC oscilla a una frequenza di risonanza.

Fermi restando i principi di fondo, i dettagli di costruzione e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto ? stato descritto e illustrato qui, puramente a titolo di esempio, senza uscire con ci? dall?ambito delle forme di attuazione.

L?ambito di protezione ? definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1. Circuito generatore di impulsi comprendente:

un primo nodo (10) e un secondo nodo (12) configurati per applicare un segnale a impulsi a un carico elettrico (LD) accoppiato tra loro;

un primo switch elettronico (HSD) accoppiato tra il primo nodo (10) e il secondo nodo (12);

un secondo switch elettronico (LSD) accoppiato tra il secondo nodo (12) e un nodo di riferimento (GND);

un circuito risonante LC (Lr, Cr) comprendente una connessione serie di un?induttanza (Lr) e di una capacit? (Cr) aventi un nodo intermedio (16) tra loro, il circuito risonante LC (Lr, Cr) accoppiato tra il primo nodo (10) e il nodo di riferimento (GND);

una circuiteria di carica (100) accoppiata tra un nodo di alimentazione (VCC) e il nodo intermedio (16) nel circuito risonante LC (Lr, Cr);

una circuiteria di pilotaggio (14, 141, 142) del primo switch elettronico (HSD) e del secondo switch elettronico (LSD), la circuiteria di pilotaggio (14, 141, 142) configurata per ripetere cicli di commutazione di una sequenza di cicli di commutazione comprendente intervalli di tempo di carica in cui il primo switch elettronico (HSD) ? chiuso e il secondo switch elettronico (LSD) ? aperto e la capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) ? caricata mediante il circuito di carica (100),

in cui la circuiteria di carica comprende un?ulteriore induttanza (L Charge) in una linea di flusso di corrente tra detto nodo di alimentazione (VCC) e il nodo intermedio (16) nel circuito risonante LC (Lr, Cr).

2. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 1, in cui la circuiteria di carica consiste in un?ulteriore induttanza (L Charge) in una linea di flusso di corrente tra detto nodo di alimentazione (VCC) e il nodo intermedio (16) nel circuito risonante LC (Lr, Cr).

3. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui:

la circuiteria di pilotaggio (14, 141, 142) del primo switch elettronico (HSD) e del secondo switch elettronico (LSD) ? configurata per attivare il circuito risonante LC (Lr, Cr) con una frequenza di attivazione,

l?ulteriore induttanza (L Charge) e la capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) risuonano a una risonanza inferiore a detta frequenza di attivazione del circuito risonante LC (Lr, Cr).

4. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 1, in cui la circuiteria di carica comprende:

un comparatore (104) configurato per effettuare un confronto della tensione di carica (V Cr) della capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) con una soglia di carica (108, 108'), e

uno switch di carica (102) disposto in detta linea di flusso di corrente intermedio tra detto nodo di alimentazione (VCC) e detta ulteriore induttanza (L Charge), lo switch di carica (102) attivabile per accoppiare detta ulteriore induttanza (L Charge) a detto nodo di alimentazione (VCC) in funzione dell?esito del confronto in detto comparatore (104).

5. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 4, in cui detta soglia di carica comprende una soglia variabile (108').

6. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 5, in cui detta soglia variabile (108') ? variabile in funzione della tensione di carica (V Cr) della capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) o di un parametro legato a essa.

7. Circuito generatore di impulsi secondo la rivendicazione 1, in cui la circuiteria di carica comprende:

uno switch di carica (102) disposto in detta linea di flusso di corrente intermedio tra detto nodo di alimentazione (VCCreg) e detta ulteriore induttanza (L Charge), lo switch di carica (102) attivabile in modo controllabile (143) per accoppiare detta ulteriore induttanza (L Charge) a detto nodo di alimentazione (VCCreg),

un diodo di livellamento (D2) connesso tra detto nodo di alimentazione (VCCreg) e detto nodo intermedio (16) nel circuito risonante LC (Lr, Cr).

8. Circuito generatore di impulsi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?induttanza (Lr) e la capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) sono accoppiate, rispettivamente:

tra detto primo nodo (10) e detto nodo intermedio (16), e

tra detto nodo intermedio (16) e detto nodo di riferimento (GND).

9. Sistema con funzionamento a impulsi, comprendente un circuito generatore di impulsi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, e

un carico elettrico (LD) accoppiato intermedio tra detto primo nodo (10) e detto secondo nodo (12).

10. Sistema con funzionamento a impulsi secondo la rivendicazione 9, in cui detto carico elettrico (LD) comprende almeno un diodo laser.

11. Procedimento di funzionamento di un circuito generatore di impulsi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8 o di un sistema con funzionamento a impulsi secondo la rivendicazione 9 o la rivendicazione 10, in cui il procedimento comprende azionare il primo switch elettronico (HSD) e il secondo switch elettronico (LSD) ripetendo ciclicamente durante una sequenza di cicli di commutazione:

intervalli di tempo di carica, in cui il primo switch elettronico (HSD) ? chiuso e il secondo switch elettronico (LSD) ? aperto e la capacit? (Cr) nel circuito risonante LC (Lr, Cr) ? caricata mediante il circuito di carica (100), intervalli di tempo di generazione di impulsi, in cui il primo switch elettronico (HSD) ? aperto e il secondo switch elettronico (LSD) ? chiuso e il circuito risonante LC (Lr, Cr) fornisce una corrente a impulsi al carico (LD) mediante il primo nodo (10) e il secondo nodo (12), intervalli di tempo di oscillazione intercalati con gli intervalli di tempo di carica e di generazione di impulsi, in cui negli intervalli di tempo di oscillazione il primo switch elettronico (HSD) e il secondo switch elettronico (LSD) sono entrambi chiusi e il circuito risonante LC (Lr, Cr) oscilla a una frequenza di risonanza.