ITMI20112268A1 - Circuito di sensing tensione-corrente e relativo convertitore dc-dc - Google Patents
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Description
CIRCUITO DI SENSING TENSIONE-CORRENTE E RELATIVO CONVERTITORE DC-DC
CAMPO TECNICO
Questa invenzione concerne i circuiti di sensing e più in particolare un'architettura di un circuito di sensing tensione-corrente con un numero ridotto di componenti ad alta tensione, e un convertitore multifase DC-DC avente una pluralità di circuiti di sensing tensione-corrente che condividono un terminale di polarizzazione comune.
BACKGROUND
Nei convertitori di tensione a commutazione DC-DC monofase o multifase può essere necessario rilevare la corrente circolante attraverso ciascun avvolgimento di fase per pilotare in maniera appropriata il convertitore. La corrente circolante attraverso gli avvolgimenti di fase e rilevata inserendo una resistenza di rilevazione ("sensing") in serie all'avvolgimento (figura 1a) o sfruttando la resistenza DC del avvolgimento, o accoppiando l'avvolgimento di fase con una linea R-C (figura 1b), in cui il condensatore di rilevazione Cdcr à ̈ caricato con la componente DC della caduta di tensione sull'avvolgimento di fase, quindi rilevando la caduta di tensione sui terminali di rilevazione CS+, CS-.
Un sensore di corrente comunemente utilizzato à ̈ mostrato in figura 2. Esso comprende sostanzialmente un amplificatore operazionale che controlla un transistore di uscita Mo in modo da rendere la tensione sul terminale COMP sostanzialmente uguale alla tensione sul terminale CS+ forzando una corrente di rilevazione Iout attraverso il resistore di confronto Rcomp. In condizioni quasi stazionarie, la corrente di rilevazione Iout à ̈
<R>
I<out>=I<coil>â‹… sense (1) R comp
e può essere facilmente specchiata e distribuita ai circuiti che pilotano gli avvolgimenti di fase. Il resistore di confronto Rcomp può essere un componente discreto installato su una scheda di circuito stampato o essere integrato nel chip che contiene il convertitore di tensione DC-DC.
Un inconveniente di questo tipo di circuito di sensing consiste nel fatto che la tensione regolata Vout, prodotta dal convertitore DC-DC, può essere relativamente alta, cioà ̈ essa può eccedere la tensione massima che i comuni componenti a bassa tensione possono sopportare in sicurezza. Quindi, per rendere il summenzionato circuito in grado di rilevare una corrente che circola attraverso una linea ad una tensione relativamente alta, il transistore Mo e quindi l'intero amplificatore operazionale OPAMP0 deve essere composto di componenti ad alta tensione. Le stesse conclusioni valgono se si usa una linea R-C adattata, come mostrato in figura 1b, invece di un resistore di rilevazione Rsense connesso in serie con l'avvolgimento di fase.
I componenti ad alta tensione consumano area di silicio, assorbono una corrente relativamente grande e sono normalmente più lenti dei componenti a bassa tensione. Per queste ragioni, à ̈ desiderabile ridurre il numero di componenti ad alta tensione quanto più à ̈ possibile nel progetto di circuiti di sensing tensione-corrente.
Altri circuiti anteriori di sensing tensione-corrente sono divulgati nella domanda di brevetto pubblicata US 2010/0231187 a nome della Texas Instruments Inc. e nell'articolo di S. Herzer et al. "Capacitive-coupled current sensing and auto-ranging slope compensation for current mode SMPS with wide supply and frequency range", Proceedings of ESSCIRC 2009, 14-18 Sept. 2009, pagg.140-143, e sono mostrati nelle figure 3 e 4, rispettivamente. Entrambi questi circuiti anteriori necessitano di condensatori commutati ad alta tensione, che consumano area di silicio e rallentano i transitori dei noti circuiti di sensing tensione-corrente.
Uno schema di alto livello di un altro circuito noto di sensing tensione-corrente à ̈ mostrato in figura 5. La corrente differenza tra la corrente Icomp, che attraversa il resistore di confronto Rcomp, e la corrente di polarizzazione Ibias à ̈ forzata attraverso il transistore M3. Il transistore di uscita M2 à ̈ adattato alla transistore M3, à ̈ riferito a massa come il transistore M3 ed à ̈ controllato dalla stessa tensione di controllo, quindi la corrente di uscita Iout à ̈ sostanzialmente una replica della corrente Icomp-Ibias.
Questo circuito assorbe una rilevante corrente di confronto Icomp dalla linea di fase e non può essere utilizzato quando la corrente che attraversa l'avvolgimento di fase L à ̈ rilevata con un condensatore di rilevazione Cdcr connesso come mostrato in figura 1b.
SOMMARIO
I richiedenti hanno trovato un'architettura particolarmente conveniente per generare su una linea a bassa tensione una corrente rappresentativa della caduta di tensione su un componente di rilevazione connesso in una linea ad alta tensione, usando un numero ridotto di componenti ad alta tensione.
Questo straordinario risultato à ̈ ottenuto con un circuito di sensing tensionecorrente avente un amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi, comprendente un amplificatore a transconduttanza di ingresso ad alta tensione ricevente in ingresso una tensione rilevata e adatto a generare una corrispondente prima corrente, un amplificatore a transconduttanza d'ingresso a bassa tensione ricevente in ingresso una tensione di confronto e adatto a generare una corrispondente seconda corrente, e mezzi circuitali connessi in cascata agli amplificatori a transconduttanza di ingresso ad alta tensione e a bassa tensione per generare una tensione intermedia corrispondente alla somma delle correnti prima e seconda. La corrente che rappresenta la tensione rilevata e generata da un transistore a bassa tensione, connesso all'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi in modo da essere controllato dalla tensione intermedia, e mantenuto in uno stato di conduzione da un generatore di corrente di offset. La tensione di confronto à ̈ prodotta su un resistore di confronto accoppiato tra un terminale di polarizzazione del circuito di sensing mantenuto ad una tensione di riferimento e un nodo di corrente del transistore a bassa tensione.
Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, i mezzi circuitali sono un amplificatore a transconduttanza di uscita a bassa tensione connesso in cascata agli amplificatori a transconduttanza di ingresso ad alta tensione e a bassa tensione.
Il nuovo circuito di sensing tensione-corrente può essere utilizzato per esempio in convertitori DC-DC monofase o multifase, per generare una corrente su una linea a bassa tensione rappresentativa della corrente che circola attraverso gli avvolgimenti di fase del convertitore.
Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e sono qui incorporate per espresso riferimento.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1a illustra uno stadio di commutazione che pilota un avvolgimento connesso in serie con una resistenza di rilevazione Rsense.
La figura 1b illustra uno stadio di commutazione che pilota un avvolgimento connesso in parallelo con una linea R-C per rilevare la tensione DC sull'avvolgimento. La figura 2 illustra un circuito di sensing tensione-corrente noto connesso ad una resistenza di rilevazione serie Rsense.
La figura 3 illustra un circuito di sensing tensione-corrente divulgato nella domanda di brevetto pubblicata US 2010/0231187.
La figura 4 illustra un altro circuito di sensing tensione-corrente noto.
La figura 5 Ã ̈ uno schema di alto livello di ancora un altro circuito di sensing tensione-corrente noto.
La figura 6 illustra una forma di realizzazione di un nuovo circuito di sensing tensione-corrente connesso alla resistenza serie di un avvolgimento pilotato da uno stadio di potenza a commutazione.
La figura 7 illustra come connettere tra loro una pluralità di nuovi circuiti di sensing tensione-corrente ciascuno accoppiato ad un rispettivo avvolgimento di fase di un convertitore DC-DC.
La figura 8 illustra una forma di realizzazione dell'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi delle figure 6 e 7.
La figura 9 illustra un'altra forma di realizzazione dell'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi delle figure 6 e 7.
La figura 10 à ̈ un'architettura circuitali più dettagliata degli stadi di ingresso a bassa tensione e ad alta tensione dell'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi delle figure 6 e 7.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
Una forma di realizzazione di un diagramma a blocchi del circuito di sensing tensione-corrente qui proposto, accoppiato ad una resistenza di rilevazione di un avvolgimento di fase di un convertitore DC-DC, Ã ̈ mostrata in figura 6. Essa comprende un amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi avente stadi di ingresso ad alta tensione e a bassa tensione, e uno stadio di uscita a bassa tensione che controlla un transistore di uscita a bassa tensione Mo.
A scopo di esempio, nella descrizione che segue si farà riferimento al caso in cui la corrente di fase à ̈ rilevata usando una resistenza serie Rsense, ma le stesse considerazioni sono valide mutatis mutandis nel caso di una linea R-C usata secondo il circuito mostrato in figura 1b.
L'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi à ̈ realizzato in modo da applicare sulla resistenza di confronto Rcomp una replica di un fattore k della tensione rilevata sui terminali di rilevazione CS-, CS+, quindi la corrente Icomp che circola attraverso il resistore di confronto Rcomp à ̈:
<R>
I I sense
comp=coilâ‹… â‹… k
R comp
essendo Icoil la corrente di fase da rilevare.
Il transistore di uscita Mo à ̈ controllato dal amplificatore operazionale in modo da essere in uno stato di conduzione ed essere attraversato dalla differenza tra la corrente di confronto Icomp che circola attraverso la resistenza di confronto Rcomp à ̈ una corrente di offset Ioff fissata da un generatore di corrente. Una tale corrente differenza può essere specchiata, come mostrata nella figura, per generare una corrente di rilevazione Iout che deve essere distribuita al di fuori del circuito di sensing tensione-corrente. Un generatore di tensione di riferimento fornisce una tensione di riferimento Vref su un terminale della resistenza di confronto Rcomp e permette la circolazione di una corrente attraverso di esso.
La corrente di offset Ioff permette di mantenere in uno stato di conduzione il transistore di uscita Mo anche quando la corrente di fase e negativa, quindi permettendo di rilevare la corrente che circola in entrambe le direzioni.
Il circuito di sensing tensione-corrente di figura 6 può essere replicato per rilevare la corrente di ciascun avvolgimento di fase di un convertitore DC-DC multifase, come schematicamente illustrato in figura 7. I circuiti di sensing tensione-corrente hanno la stessa architettura, e tutte le resistenze di confronto Rcomp condividono un terminale comune, connesso all'uscita del generatore di tensione di riferimento mostrato. Il generatore di tensione di riferimento può essere sostanzialmente composto da un amplificatore operazionale ricevente in ingresso una tensione di riferimento Vref, che può essere per esempio la tensione generata da un generatore di tensione a band-gap, che mantiene un transistore in uno stato di conduzione tale da forzare attraverso uno specchio di corrente la differenza tra la somma delle correnti che circolano attraverso le resistenze di confronto Rcomp e una corrente di offset Ioff2. La corrente Isum erogata dallo specchio di corrente rappresenta la corrente complessiva erogata dallo convertitore DC-DC multifase.
Una forma di realizzazione di una possibile architettura dell'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi à ̈ mostrata in figura 8. Essa sostanzialmente comprende uno stadio a transconduttanza di ingresso ad alta tensione gmHV, adatto a ricevere la caduta di tensione sulla resistenza di rilevazione Rsense, uno stadio a transconduttanza di ingresso a bassa tensione gm1, i cui ingressi possono essere accoppiati alla resistenza di confronto Rcomp, e una resistenza di somma Ro1 sulla quale à ̈ resa disponibile una tensione corrispondente alla somma delle correnti erogate dagli stadi a transconduttanza a bassa tensione e ad alta tensione. Nella forma di realizzazione mostrata, la tensione sulla resistenza Ro1 à ̈ la tensione di controllo del transistore Mo del circuito di sensing tensione-corrente. L'architettura di figura 8 insieme alla retroazione in figura 6 agisce in modo da rendere la tensione VdiffLVuguale ad una replica scalata della tensione VdiffHVsecondo le seguenti equazioni:
g
V<diffLV>= V mHV
<diffHV>â‹…
gm 1
quindi la corrente che circola attraverso la resistenza Rcomp à ̈
<R>
I sense g
<comp>=I â‹… â‹… mHV
<coil>R comp gm 1
secondo una forma di realizzazione, i due stadi a transconduttanza sono adattati l'uno all'altro, cioà ̈ gmHV= gm 1, così che
VdiffLV= VdiffHV
secondo un'altra forma di realizzazione mostrata in figura 6, l'amplificatore differenziale a quattro ingressi comprende uno stadio a transconduttanza di uscita a bassa tensione gm2, Ro1, Ro2 che genera la tensione di controllo delle transistore Mo del circuito di sensing tensione-corrente.
Altre forme di realizzazione dell'amplificatore differenziale a quattro ingressi con due o più stadi di uscita sono possibili. Esse possono essere realizzate facilmente dal tecnico esperto a partire dalle considerazioni date sopra e usando conoscenze comuni nel campo, e per questa ragione esse non sono mostrate nelle figure e non saranno discusse ulteriormente.
La resistenza di confronto Rcomp à ̈ soggetta ad una grande dispersione ("spread") tecnologica e ciò può portare ad una rilevazione inaccurata della corrente di fase Icoil. Per compensare la dispersione tecnologica ed avere una corrente Icomp che sostanzialmente replichi la corrente di fase Icoil, à ̈ possibile regolare corrispondentemente la corrente di polarizzazione dello stadio a transconduttanza di ingresso ad alta tensione, cioà ̈ regolando il valore di transconduttanza gmHVvariando la sua corrente di coda ("tail current").
Con le architetture proposte di circuito di sensing tensione-corrente, c'Ã ̈ solo uno stadio di ingresso ad alta tensione, gli stadi rimanenti e il transistore di uscita Mo essendo fatti di componenti a bassa tensione, quindi risparmiando un'area di silicio rilevante.
Una forma di realizzazione esemplificativa degli stati di ingresso a bassa tensione e ad alta tensione e dei nodi di somma dell'amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi à ̈ schematicamente mostrata nelle figure 10a e 10b. Le due coppie di transistori di ingresso parallele di figura 10b sono composte di transistori a bassa tensione, per ottenere un buon adattamento. Per essere in grado di sostenere tensioni elevate, la coppia d'ingresso corrispondente allo stadio a transconduttanza ad alta tensione à ̈ "cascodato" usando transistori DMOS ad alta tensione, la tensione di polarizzazione dei quali segue la tensione di ingresso usando il circuito illustrato in figura 10a. I segnali di corrente differenziale dai due stadi differenziali sono sommati usando un cascode ripiegato ("folded cascode"), secondo una tecnica comune, ma qualsiasi altro schema di somma può essere utilizzato. In cascata al cascode ripiegato, diversi stadi di guadagno (non mostrati) possono essere aggiunti per migliorare le performance dell'amplificatore operazionale.
Il nuovo circuito di sensing tensione-corrente può essere utilizzato ogni volta che à ̈ necessario rilevare una corrente che circola attraverso una resistenza di rilevazione connessa su una linea a tensione relativamente alta. In particolare, ma non esclusivamente, il dispositivo di sensing di corrente proposto può essere utilizzato in convertitori DC-DC buono fase o multifase per rilevare correnti di fase.
La soluzione proposta utilizza un numero ridotto di componenti ad alta tensione, quindi si risparmia una rilevante aria di silicio, poiché i componenti ad alta tensione richiedono delle tasche ("pocket") ampie per essere in grado di sostenere tensioni alte. Queste ampie tasche dei componenti ad alta tensione hanno anche grandi capacità parassite, quindi limitando il rapporto velocità /potenza. Questo svantaggio dell'approccio tradizionale à ̈ ulteriormente peggiorato dal fatto che l'anello di retroazione passa attraverso i componenti ad alta tensione.
Al contrario, nell'architettura proposta, l'anello di retroazione passa solo attraverso i componenti a bassa tensione, quindi usando il nuovo dispositivo di sensing di corrente à ̈ possibile realizzare convertitori DC-DC più veloci con un ridotto consumo di corrente.
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Un circuito di sensing tensione-corrente adatto a generare una corrente di uscita (Iout) su una linea a bassa tensione corrispondente ad una tensione rilevata (Vsense) su una linea ad alta tensione, avente: un amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi, comprendente: - un amplificatore a transconduttanza di ingresso ad alta tensione ricevente in ingresso detta tensione rilevata (Vsense) e adatto a generare una corrispondente prima corrente (gmHV*Vsense), - un amplificatore a transconduttanza di ingresso a bassa tensione ricevente in ingresso una tensione di confronto (Vcomp) e adatto a generare una corrispondente seconda corrente (gm1*Vsense), - mezzi circuitali connessi in cascata a detti amplificatori a transconduttanza ad alta tensione e a bassa tensione per generare una tensione intermedia corrispondente alla somma tra detta prima corrente (gmHV*Vsense) e detta seconda corrente (gm1*Vsense); un transistore a bassa tensione connesso a detto amplificatore operazionale differenziale a quattro ingressi in modo da essere controllato da detta tensione intermedia, adatto a generare detta corrente di uscita (Iout); un resistore di confronto (Rcomp) su cui viene prodotta detta tensione di confronto (Vcomp), accoppiato tra un terminale di polarizzazione del circuito di sensing mantenuto ad una tensione di riferimento (VREF), e un nodo di corrente di detto transistore a bassa tensione; un generatore di corrente di offset connesso addetto al nodo di corrente adatto a mantenere detto transistore a bassa tensione in uno stato di conduzione quando detta tensione rilevata à ̈ nulla.
- 2. Il circuito di sensing tensione-corrente della rivendicazione 1, comprendente inoltre uno specchio di corrente connesso all'altro terminale di corrente di detto transistore per generare una replica di detta corrente di uscita (Iout).
- 3. Il circuito di sensing di corrente della rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre un generatore di detta tensione di riferimento (VREF) su detto terminale di polarizzazione del circuito di sensing.
- 4. Il circuito di sensing tensione-corrente di una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detti mezzi circuitali comprendono un amplificatore a transconduttanza di uscita a bassa tensione connesso in cascata a detti amplificatori a transconduttanza di ingresso ad alta tensione e a bassa tensione per generare una tensione intermedia corrispondente alla somma di dette correnti prima (gmHV*Vsense) e seconda (gm1*Vsense).
- 5. Un convertitore DC-DC monofase, comprendente un avvolgimento di fase elettricamente connesso ad un componente di rilevazione (Rsense;Cdcr) sul quale la caduta di tensione rappresenta la corrente circolante attraverso l'avvolgimento di fase, comprendente un circuito di sensing tensione-corrente secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 connesso a detto componente di rilevazione (Rsense;Cdcr) per generare su una linea a bassa tensione una corrente (Iout) che rappresenta la corrente che circola attraverso detti avvolgimenti di fase.
- 6. Un convertitore DC-DC multifase, comprendente una pluralità di avvolgimenti di fase ciascuno connesso ad un rispettivo componente di rilevazione (Rsense;Cdcr) sul quale la caduta di tensione rappresenta la corrente circolante attraverso l'avvolgimento di fase, comprendente una pluralità di circuiti di sensing tensione-corrente secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 ciascuno connesso ad uno di detti componenti di rilevazione (Rsense;Cdcr) per generare una corrente (Iout) che rappresenta la corrente che circola attraverso detti avvolgimenti di fase, i terminali di polarizzazione di tutti i circuiti di sensing essendo connessi in comune.
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