ITMI940917A1 - DC / DC CONVERTER INCLUDING A HIGH INSULATION CHARGE TRANSFER FEEDBACK NETWORK - Google Patents

DC / DC CONVERTER INCLUDING A HIGH INSULATION CHARGE TRANSFER FEEDBACK NETWORK Download PDF

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Renato Vai
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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce al campo dei convertitori DC/DC e più precisamente ad un convertitore DC/DC comprendente una rete di retroazione a trasferimento di carica ad alto isolamento. The present invention relates to the field of DC / DC converters and more precisely to a DC / DC converter comprising a highly insulated charge transfer feedback network.

I principi di funzionamento dei convertitori DC/DC sono noti da tempo, cosi come le numerose configurazioni circuitali che si fondano su questi principi. Una trattazione esauriente dell'argomento è data, ad esempio, nel volume di LLoyd Dixon Jr, intitolato: Switching Power Supply Topology Review; pubblicato dalla UNITRODE CORPORATION, a seguito del Power Supply Design Seminar, tenutosi a Lexinghton (USA) nel 1985. The operating principles of DC / DC converters have been known for some time, as well as the numerous circuit configurations that are based on these principles. An exhaustive discussion of the subject is given, for example, in the volume by LLoyd Dixon Jr, entitled: Switching Power Supply Topology Review; published by UNITRODE CORPORATION, following the Power Supply Design Seminar, held in Lexinghton (USA) in 1985.

II progetto di un convertitore DC/DC è oggi grandemente facilitato dal fatto che sono comunemente reperibili appositi circuiti integrati in grado di svolgere tutte le principali funzioni per il governo dello stesso convertitore. Detti circuiti comprendono essenzialmente: a) un oscillatore a frequenza presettabile, da cui sono ricavate le forme d'onda utili per il pilotaggio degli interruttori elettronici; b) un generatore di una tensione costante di riferimento, resa stabile in temperatura; c) un amplificatore operazionale che esegue la differenza tra la tensione costante di riferimento e la tensione sul carico, ottenendo un segnale errore; d) una rete di retroazione che, sulla base del segnale errore, produce una modulazione della durata degli impulsi dell'oscillatore, stabilizzando la tensione sul carico. The design of a DC / DC converter is nowadays greatly facilitated by the fact that specific integrated circuits are commonly available which are able to perform all the main functions for governing the converter itself. Said circuits essentially comprise: a) a presettable frequency oscillator, from which the wave forms useful for driving the electronic switches are obtained; b) a generator of a constant reference voltage, made stable in temperature; c) an operational amplifier that makes the difference between the constant reference voltage and the voltage on the load, obtaining an error signal; d) a feedback network which, on the basis of the error signal, produces a modulation of the duration of the oscillator pulses, stabilizing the voltage on the load.

Spesso per ragioni di sicurezza, sia delle persone che degli apparati alimentati dal convertitore DC/DC, è inoltre' richiesto un isolamento galvanico tra la fonte di alimentazione primaria del convertitore e il carico utilizzatore; allo scopo è quasi sempre utilizzato un trasformatore. Tuttavia il solo trasformatore non è sufficiente a garantire l'isolamento galvanico, poiché attraverso la rete di retroazione potrebbe essere fornita una via diretta di connessione tra i circuiti lato primario e quelli lato secondario. Occorre quindi utilizzare opportuni accorgimenti nella rete di retroazione onde preservare l'isolamento di cui sopra. Often for safety reasons, both for people and for the equipment powered by the DC / DC converter, galvanic isolation is also required between the primary power source of the converter and the user load; a transformer is almost always used for this purpose. However, the transformer alone is not sufficient to guarantee galvanic isolation, since a direct way of connection between the primary and secondary side circuits could be provided through the feedback network. It is therefore necessary to use suitable measures in the feedback network in order to preserve the above insulation.

Una prima soluzione nota utilizza un avvolgimento primario ausiliario sul trasformatore connesso ad un ponte raddrizzatore e ad un filtro passa basso. All'uscita del filtro è presente una tensione continua il cui livello varia proporzionalmente alla tensione secondaria, pertanto essa può essere utilizzata per la generazione del segnale errore. Il maggior inconveniente di questa prima soluzione è che se varia la tensione diretta di giunzione dei diodi che raddrizzano la corrente secondaria, o quella a cavallo di eventuali componenti in serie al carico, anche la tensione sul carico varia senza che la rete di retroazione riveli tale variazione, in quanto essa è sensibile soltanto alla somma di dette tensioni. A first known solution uses an auxiliary primary winding on the transformer connected to a rectifier bridge and to a low pass filter. At the output of the filter there is a direct voltage whose level varies proportionally to the secondary voltage, therefore it can be used for the generation of the error signal. The major drawback of this first solution is that if the direct junction voltage of the diodes that rectify the secondary current varies, or that across any components in series with the load, the voltage on the load also varies without the feedback network revealing this. variation, as it is sensitive only to the sum of said voltages.

Una seconda soluzione nota utilizza un optoisolatore per trasferire la tensione di errore verso la restante rete di retroazione. Il maggior inconveniente di questa seconda soluzione è dovuto al fatto che l'optoisolatore introduce un polo a bassa frequenza nella risposta ad anello chiuso, legato alla bassa velocità di funzionamento di questi componenti, tipicamente inferiore a 10 KHz. Per i noti criteri di stabilità, è consigliabile avere un andamento della risposta in frequenza del guadagno d'anello del convertitore, simile a quello di una funzione ad un solo polo. Occorre pertanto neutralizzare il polo introdotto dall'optoisolatore mediante l'introduzione nell'anello di retroazione di una rete a zero dominante, tuttavia ciò risulta di difficile attuazione per le seguenti cause: a) l'ampia variabilità dei parametri fisici riscontrabile nei lotti di produzione degli optoisolatori; b) la forte dipendenza dalla temperatura della frequenza del polo degli optoisolatori. A second known solution uses an optocoupler to transfer the error voltage towards the remaining feedback network. The major drawback of this second solution is due to the fact that the optocoupler introduces a low frequency pole in the closed loop response, linked to the low operating speed of these components, typically less than 10 KHz. For the known stability criteria, it is advisable to have a trend of the frequency response of the converter loop gain, similar to that of a single pole function. It is therefore necessary to neutralize the pole introduced by the optoisolator by introducing a dominant zero network into the feedback loop, however this is difficult to implement due to the following causes: a) the wide variability of the physical parameters found in the production batches of the optocouplers; b) the strong dependence on the temperature of the frequency of the pole of the optocouplers.

Un modo pratico per compensare la variabilità riferita al punto a) è quello di generare il segnale errore a monte dell 'optoisolatore, costringendo in tal modo l'anello di retroazione ad attuare la suddetta compensazione automaticamente. Cosi facendo non è più però possibile avvalersi del comparatore differenziale e del generatore della tensione di riferimento interni al circuito integrato che controlla il convertitore, si rende quindi necessario l'impiego di un'ulteriore componentistica elettronica. Contrariamente a quanto avviene per il punto a), risulta difficile compensare gli effetti termici menzionati al punto b), in ogni caso la compensazione introdotta è solo parziale e non ripetitiva. A practical way to compensate for the variability referred to in point a) is to generate the error signal upstream of the optocoupler, thus forcing the feedback loop to perform said compensation automatically. In doing so, however, it is no longer possible to use the differential comparator and the generator of the reference voltage inside the integrated circuit that controls the converter, it is therefore necessary to use further electronic components. Contrary to what happens for point a), it is difficult to compensate for the thermal effects mentioned in point b), in any case the compensation introduced is only partial and not repetitive.

Il problema fondamentale risolto dall'optoisolatore, e che comunque deve essere risolto da qualunque dispositivo o circuito che lo sostituisce, è quello di trasferire tra due punti tra loro disaccoppiati una tensione lentamente variabile, come è appunto quella di errore. The fundamental problem solved by the optocoupler, and which in any case must be solved by any device or circuit that replaces it, is that of transferring a slowly variable voltage between two decoupled points, such as the error voltage.

Un circuito che "in prima analisi" potrebbe risolvere lo stesso problema è descritto nella domanda di brevetto internazionale PCT No. WO-A-86/01653. In realtà nel documento vengono descritti e rivendicati due diversi circuiti, di cui un primo è denominato "Trasformatore di tensione capacitivo" (vedi fig.4 annessa), e un secondo, più vicino ad una rete a trasferimento di carica utilizzata nell'invenzione in oggetto, è uno "Stadio disaccoppiatore" utilizzato per separare le apparecchiature utilizzatrici dalle linee principali di alimentazione in alternata, o da una tensione continua (vedi fig.2). La suddetta separazione viene attuata da un circuito di commutazione comprendente due doppi interruttori elettronici che lavorano in opposizione di fase tra i punti d'ingresso e d'uscita. Essi sono controllati da un generatore di frequenze ad onda quadra, che può essere ottenuta squadrando la forma d'onda della tensione alternata sulle linee principali. Nella descrizione è anche detto che la suddetta tensione alternata ha un periodo di 50 o 60 Hz, e che per il controllo degli interruttori elettronici viene eventualmente usato un optoisolatore . A circuit which "in the first analysis" could solve the same problem is described in the international patent application PCT No. WO-A-86/01653. In reality, the document describes and claims two different circuits, of which a first is called "Capacitive voltage transformer" (see attached Fig. 4), and a second, closer to a charge transfer network used in the invention in object, is a "decoupler stage" used to separate the user equipment from the main AC power supply lines, or from a direct voltage (see fig.2). The aforesaid separation is carried out by a switching circuit comprising two double electronic switches which work in phase opposition between the input and output points. They are controlled by a square wave frequency generator, which can be obtained by squaring the waveform of the alternating voltage on the main lines. In the description it is also stated that the aforementioned alternating voltage has a period of 50 or 60 Hz, and that an optocoupler is optionally used to control the electronic switches.

L'insegnamento del brevetto italiano potrebbe indurre il tecnico del ramo, mosso dall'intento di rimuovere gli inconvenienti causati dall'optoisolatore nella rete di retroazione di un convertitore DC/DC, a prendere in debita considerazione l'ipotesi di sostituire l'optoisolatore con lo stadio disaccoppiatore, così come esso risulta dalla descrizione. Tuttavia questo comporterebbe due grossi inconvenienti che renderebbero una mera sostituzione improponibile. Un primo inconveniente sarebbe quello della mancanza di isolamento galvanico, ed un secondo quello della inadeguatezza del segnale errore che verrebbe generato. Al primo inconveniente si potrebbe rimediare come suggerito nel testo, ovvero utilizzando almeno un optoisolatore per il controllo degli interruttori elettronici. Con ciò verrebbero però reintrodotti i già menzionati inconvenienti che si volevano rimuovere, sostanzialmente riconducibili alla neutralizzazione di un polo a bassa frequenza e alla sua compensazione in temperatura. In questo caso il polo nel guadagno d'anello sarebbe causato dal fatto che una variazione della tensione sul carico più rapida del tempo di commutazione dell'optoisolatore verrebbe sentita solo parzialmente, o non sentita affatto, The teaching of the Italian patent could induce the person skilled in the art, moved by the intention of removing the drawbacks caused by the optocoupler in the feedback network of a DC / DC converter, to take into due consideration the hypothesis of replacing the optocoupler with the decoupler stage, as it results from the description. However, this would involve two major drawbacks that would make a mere replacement impossible. A first drawback would be that of the lack of galvanic isolation, and a second that of the inadequacy of the error signal that would be generated. The first drawback could be remedied as suggested in the text, ie by using at least one optocoupler to control the electronic switches. This would however reintroduce the aforementioned drawbacks which were intended to be removed, substantially attributable to the neutralization of a low frequency pole and its temperature compensation. In this case the pole in the loop gain would be caused by the fact that a change in the voltage on the load faster than the switching time of the optocoupler would be felt only partially, or not felt at all.

Per quanto riguarda la reintroduzione dell'optoisolatore, essa non è da considerarsi come possibilità eventuale, bensì come requisito essenziale per ottenere l'isolamento tra i due punti da disaccoppiare. Infatti volendo realizzare il generatore ad onda quadra Gf (indicato solo schematicamente in fig.2) occorre disporre di un circuito squadratore seguito da un invertitore, inevitabilmente connessi alle linee principali, dopodiché i due doppi interruttori sarebbero rispettivamente controllati dalla forma d'onda vera o negata. In assenza di optoisolatore, occorre avere un punto comune di riferimento per i potenziali sugli elettrodi di controllo dei transistori che costituiscono i due doppi interruttori elettronici, perdendo in tal modo l'isolamento galvanico tra gli stessi. Utilizzando invece un optoisolatore per il controllo del doppio interruttore connesso al carico, ed alimentando il transistore dell'optoisolatore con la tensione sul carico, non sarebbe più necessario collegare insieme le due masse e l'isolamento galvanico verrebbe preservato. As for the reintroduction of the optoisolator, it is not to be considered as a possible possibility, but as an essential requirement to obtain the isolation between the two points to be decoupled. In fact, wanting to realize the square wave generator Gf (indicated only schematically in fig. 2) it is necessary to have a squaring circuit followed by an inverter, inevitably connected to the main lines, after which the two double switches would be respectively controlled by the true waveform or denied. In the absence of an optocoupler, it is necessary to have a common reference point for the potentials on the control electrodes of the transistors that make up the two double electronic switches, thus losing the galvanic isolation between them. Using instead an optocoupler to control the double switch connected to the load, and powering the optocoupler transistor with the voltage on the load, it would no longer be necessary to connect the two masses together and the galvanic isolation would be preserved.

Per quanto riguarda il secondo inconveniente, e cioè l'inadeguatezza del segnale errore, salta subito all'occhio che lo stadio disaccoppiatore descritto nel brevetto italiano trasferisce una tensione in modo sostanzialmente discontinuo. Infatti, quando un doppio interruttore è chiuso verso le linee principali, l'altro è aperto e il carico non è più alimentato per la durata di una semionda. Questo tipo di funzionamento non pone limitazioni in applicazioni lente, come ad esempio nel caso dell'accensione di una lampadina, ma può invece risultare inaccettabile nei casi in cui la durata della chiusura degli interruttori può risultare molto breve rispetto al loro tempo di apertura, come avviene nel contesto dell'invenzione in oggetto. In questi casi, come anche sarà visto in seguito, diventa fondamentale la possibilità di trasferire parte della carica accumulata sul primo condensatore, ad un secondo condensatore che supplisce la tensione nel punto in cui serve quando il primo condensatore viene disconnesso. E' appunto la presenza di un secondo condensatore che può qualificare lo stadio disaccoppiatore di cui sopra come rete a trasferimento di carica. As regards the second drawback, namely the inadequacy of the error signal, it is immediately obvious that the decoupler stage described in the Italian patent transfers a voltage in a substantially discontinuous manner. In fact, when a double switch is closed towards the main lines, the other is open and the load is no longer powered for the duration of a half wave. This type of operation does not pose limitations in slow applications, such as in the case of switching on a light bulb, but can instead be unacceptable in cases where the duration of the circuit breakers closing can be very short compared to their opening time, such as takes place in the context of the present invention. In these cases, as will also be seen below, the possibility of transferring part of the charge accumulated on the first capacitor to a second capacitor which supplies the voltage at the point where it is needed when the first capacitor is disconnected becomes fundamental. It is precisely the presence of a second capacitor that can qualify the above decoupler stage as a charge transfer network.

Viene da ultimo analizzata un'altra causa che potrebbe contribuire alla perdita d'isolamento galvanico, sempre con riferimento allo stadio disaccoppiatore menzionato. Essa dipende dal fatto che viene utilizzata un'onda quadra per controllare gli interruttori elettronici, il che comporta una commutazione simultanea dei due doppi interruttori all'arrivo del fronte ripido. Come è noto, i dispositivi attivi che costituiscono i suddetti interruttori impiegano un tempo finito per portarsi da uno stato di conduzione ad uno di interdizione, durante il quale permane un percorso diretto tra i due punti da disaccoppiare . Finally, another cause is analyzed that could contribute to the loss of galvanic insulation, again with reference to the decoupler stage mentioned. It depends on the fact that a square wave is used to control the electronic switches, which involves simultaneous switching of the two double switches upon arrival of the steep edge. As is known, the active devices constituting the aforementioned switches take a finite time to go from a conduction state to an interdiction state, during which a direct path remains between the two points to be decoupled.

Pertanto scopo della presente invenzione è quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti e di indicare un convertitore DC/DC comprendente una rete di retroazione a trasferimento di carica ad alto isolamento. Therefore, the object of the present invention is to overcome all the aforementioned drawbacks and to indicate a DC / DC converter comprising a highly insulated charge transfer feedback network.

Per conseguire tali scopi la presente invenzione ha per oggetto un convertitore DC/DC che utilizza un trasformatore per isolare galvanicamente il carico dalla fonte di alimentazione primaria, garantendo il suddetto isolamento anche lungo il percorso di retroazione grazie ad una rete a trasferimento di carica inserita lungo detto percorso. La rete è essenzialmente costituita da due condensatori e da due coppie di interruttori elettronici realizzati mediante dispositivi allo stato solido. Una prima coppia di interruttori, quando è chiusa, connette un primo condensatore in parallelo al carico; la seconda coppia connette il primo condensatore in parallelo al secondo, che ha un capo connesso alla massa primaria. Le due coppie di interruttori elettronici sono controllate da due rispettivi segnali periodici tra loro disaccoppiati attraverso il trasformatore, che corrispondono ai segnali utilizzati per la commutazione di due transistori di potenza del convertitore in una configurazione push-pull. Durante ciascun periodo dei segnali di controllo si susseguono quattro fasi in cui: in una prima di esse, il primo condensatore si carica al valore della tensione ai capi del carico; in una seconda fase, le due coppie di interruttori sono entrambe aperte; in una terza, la carica del primo condensatore viene in parte trasferirà al secondo, e in una quarta fase le due coppie di interruttori sono ancora entrambe aperte. Ai capi del secondo condensatore viene così a deteminarsi una frazione della tensione sul carico, pur essendo il condensatore isolato galvanicamente dal carico stesso, come meglio descritto nella rivendicazione 1. To achieve these purposes, the present invention relates to a DC / DC converter which uses a transformer to galvanically isolate the load from the primary power source, ensuring the aforementioned isolation also along the feedback path thanks to a charge transfer network inserted along said path. The network is essentially made up of two capacitors and two pairs of electronic switches made using solid state devices. A first pair of switches, when closed, connects a first capacitor in parallel to the load; the second pair connects the first capacitor in parallel to the second, which has one end connected to the primary ground. The two pairs of electronic switches are controlled by two respective periodic signals decoupled from each other through the transformer, which correspond to the signals used for switching two power transistors of the converter in a push-pull configuration. During each period of the control signals there are four phases in which: in a first of them, the first capacitor charges to the value of the voltage across the load; in a second step, the two pairs of switches are both open; in a third, the charge of the first capacitor is partially transferred to the second, and in a fourth phase the two pairs of switches are still both open. At the ends of the second capacitor a fraction of the voltage on the load is thus determined, even though the capacitor is galvanically isolated from the load itself, as better described in claim 1.

Il convertitore DC/DC in oggetto presenta il fondamentale vantaggio di garantire sempre un perfetto isolamento galvanico tra il carico e la fonte primaria. L'isolamento da spento è ottenuto grazie all'utilizzo di MOSFET di tipo enhancement (cioè ad arricchimento di carica nel canale) nella rete a trasferimento di carica. Durante il funzionamento, l'isolamento è ottenuto grazie alla particolare struttura circuitale della rete a trasferimento di carica, e all'utilizzo di segnali di controllo tra loro disaccoppiati tramite il trasformatore. E' quindi del tutto superfluo l'uso di optoisolatori per il controllo degli interruttori elettronici. Inoltre, essendo i segnali di controllo reciprocamente sfasati di mezzo periodo e con un duty cycle inferiore a 0,5, viene eliminata ogni possibilità di chiusura simultanea delle due coppie di interruttori, dovuta al tempo finito impiegato dai dispositivi attivi per passare dalla conduzione all'interdizione. Più precisamente, la chiusura di una generica coppia di interruttori è sempre preceduta e seguita da fasi in cui le due coppie di interruttori sono entrambe aperte. The DC / DC converter in question has the fundamental advantage of always guaranteeing perfect galvanic isolation between the load and the primary source. Power off isolation is obtained thanks to the use of enhancement MOSFETs (ie charge enrichment in the channel) in the charge transfer network. During operation, isolation is obtained thanks to the particular circuit structure of the charge transfer network, and the use of control signals decoupled from each other through the transformer. The use of optocouplers to control electronic switches is therefore completely superfluous. Furthermore, since the control signals are mutually out of phase by half a period and with a duty cycle of less than 0.5, any possibility of simultaneous closing of the two pairs of switches is eliminated, due to the finite time taken by the active devices to pass from conduction to interdiction. More precisely, the closing of a generic pair of switches is always preceded and followed by phases in which the two pairs of switches are both open.

Un secondo vantaggio del convertitore oggetto della presente invenzione risiede nella sua stabilità intrinseca, dovuta al fatto che la rete a controllo di carica lavora a frequenze dell'ordine di 120 KHz senza introdurre un apprezzabile ritardo di fase nella banda d'anello, larga tipicamente 12 kHz. Non esiste pertanto alcun polo a bassa frequenza da neutralizzare e compensare termicamente. Risulta inoltre possibile, data l'invarianza dei parametri fisici della rete a trasferimento di carica, utilizzare il riferimento di tensione e il comparatore differenziale interni al circuito integrato che governa il convertitore stesso. A second advantage of the converter object of the present invention lies in its intrinsic stability, due to the fact that the charge control network works at frequencies of the order of 120 KHz without introducing an appreciable phase delay in the ring band, typically 12 wide. kHz. There is therefore no low frequency pole to neutralize and thermally compensate. It is also possible, given the invariance of the physical parameters of the charge transfer network, to use the voltage reference and the differential comparator inside the integrated circuit that governs the converter itself.

Un terzo vantaggio è dovuto al fatto che ciascun interruttore è realizzato mediante due MOSFET aventi gli elettrodi di sorgente connessi ai rispettivi substrati; i transistori sono attraversati dalla stessa corrente di canale, uno in conduzione diretta e l'altro inversa. Conseguentemente i diodi che si vengono a formare tra le giunzioni pozzo-substrato risultano in serie e con polarità contrapposte. Ciò comporta la garanzia dell'isolamento anche attraverso il substrato. A third advantage is due to the fact that each switch is realized by means of two MOSFETs having the source electrodes connected to the respective substrates; the transistors are crossed by the same channel current, one in direct conduction and the other in reverse. Consequently, the diodes that are formed between the drain-substrate junctions are in series and with opposite polarity. This implies the guarantee of insulation also through the substrate.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa e dal disegno annesso dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui : Further objects and advantages of the present invention will become clear from the following detailed description of an example of its embodiment and from the attached drawing given purely for explanatory and non-limiting purposes, in which:

nell'unica figura (fig.l) è indicato uno schema circuitale di massima del convertitore DC/DC oggetto della presente invenzione in cui viene ben evidenziata le rete a trasferimento di carica TRFC compresa nel percorso di retroazione. in the single figure (fig. 1) a general circuit diagram of the DC / DC converter object of the present invention is indicated in which the charge transfer network TRFC included in the feedback path is clearly shown.

Il convertitore DC/DC di fig.l comprende due transistori di potenza TRI e TR2, rispettivamente connessi tra le due estremità dell'avvolgimento primario di un trasformatore TRS ed una massa primaria, comune al morsetto negativo di una batteria (non visibile in figura) che fornisce una tensione continua Vbat. Il morsetto positivo della batteria è connesso ad un capo di un induttore Li il cui altro capo è connesso ad una presa centrale del primario di TRS; quest'ultima suddivide il primario stesso in due semiavvolgimenti PI e P2. La presa centrale del primario è inoltre connessa ad un capo di un condensatore Ci, che ha l'altro capo a massa primaria. Il secondario del trasformatore è pure suddiviso in due semiavvolgimenti Si e S2 da una presa centrale connessa ad una massa secondaria, galvanicamente isolata da quella primaria. Le due estremità di Si e S2 sono rispettivamente connesse agli anodi di due diodi DI e D2, i cui catodi sono ambedue connessi ad un capo di un induttore Lo, che ha l'altro capo connesso al morsetto d'uscita del convertitore DC/DC. Un condensatore Co è connesso tra il morsetto di uscita e la massa secondaria, in parallelo a Co è visibile una resistenza di carico Ro, ai cui capi sussiste la tensione continua d'uscita Vout. The DC / DC converter of Fig. 1 comprises two power transistors TRI and TR2, respectively connected between the two ends of the primary winding of a TRS transformer and a primary ground, common to the negative terminal of a battery (not visible in the figure) which supplies a continuous voltage Vbat. The positive terminal of the battery is connected to one end of an inductor Li whose other end is connected to a central socket of the primary of the TRS; the latter divides the primary itself into two half-windings P1 and P2. The central tap of the primary is also connected to one end of a capacitor Ci, which has the other end to primary ground. The secondary of the transformer is also divided into two half-windings Si and S2 by a central socket connected to a secondary ground, galvanically isolated from the primary one. The two ends of Si and S2 are respectively connected to the anodes of two diodes DI and D2, whose cathodes are both connected to one end of an inductor Lo, which has the other end connected to the output terminal of the DC / DC converter . A capacitor Co is connected between the output terminal and the secondary ground, in parallel to Co a load resistance Ro is visible, at the ends of which there is the continuous output voltage Vout.

Il trasformatore TRS possiede un ulteriore avvolgimento primario P3 che alimenta un circuito raddrizzatore RD; quest'ultimo fornisce una tensione continua V per l'alimentazione di un circuito integrato PWM che genera due segnali, indicati con Q(t) e Q(t+T/2), rispettivamente applicati agli elettrodi di controllo dei transistori TRI e TR2. La tensione V è inoltre utilizzata da circuiti di protezione del convertitore, connessi come PWM alla massa primaria, e non mostrati in figura per ragioni di semplicità. All'interno dell'integrato PWM è visibile un amplificatore operazionale OP il cui ingresso non invertente è connesso al catodo di un diodo zener Z (che schematizza un generatore di tensione di riferimento), ed il cui ingresso invertente è connesso all'uscita di una rete a trasferimento di carica TRFC, eventualmente per il tramite di un partitore di tensione potenziometrico non visibile in figura. L'anodo del diodo zener Z è internamente connesso alla massa primaria, il catodo è connesso al pin di alimentazione V tramite dei circuiti schematizzati con una resistenza. All'uscita dell'operazionale OP è presente un segnale errore e, utilizzato all'interno dell'integrato PWM per generare i segnali Q(t) e Q(t+T/2). The transformer TRS has a further primary winding P3 which feeds a rectifier circuit RD; the latter supplies a direct voltage V for the power supply of a PWM integrated circuit which generates two signals, indicated with Q (t) and Q (t + T / 2), respectively applied to the control electrodes of the transistors TRI and TR2. The voltage V is also used by the converter protection circuits, connected as PWM to the primary ground, and not shown in the figure for reasons of simplicity. Inside the PWM integrated there is an operational amplifier OP whose non-inverting input is connected to the cathode of a zener diode Z (which schematises a reference voltage generator), and whose inverting input is connected to the output of a TRFC charge transfer network, possibly by means of a potentiometric voltage divider not visible in the figure. The anode of the zener diode Z is internally connected to the primary ground, the cathode is connected to the power supply pin V by means of circuits schematized with a resistor. At the output of the operational OP there is an error signal e, used inside the PWM integrated to generate the signals Q (t) and Q (t + T / 2).

La rete a trasferimento di carica TRFC è costituita da due identici circuiti integrati IC1 e IC2, da due condensatori CI e C2 e da due resistori RI e R2. Ciascun integrato IC1 e IC2 comprende quattro identici transistori MOSFET a canale n, di tipo enhancement, rispettivamente indicati con 1, 2, 3, 4 e 5, 6, 7, 8; l'impiego di MOSFET a canale p, invece che a canale n, non altera comunque il funzionamento della rete. Tutti i transistori hanno il substrato (di tipo p) connesso al rispettivo elettrodo di sorgente. Internamente a ICl e IC2 sono inoltre visibili dei diodi (Ι', . 8') corrispondenti a quelli esistenti tra l'elettrodo di pozzo e il substrato di rispettivi transistori. Gli elèttrodi di porta dei MOSFET 1, 2, 3 e 4 sono tutti connessi tra di loro e ad una estremità del secondario S2 connessa al diodo D2. Gli elettrodi di porta dei MOSFET 5, 6, 7 e 8 sono tutti connessi tra di loro e ad una estremità del primario P3. Nell'integrato ICl i MOSFET 1 e 2 hanno gli elettrodi di sorgente connessi tra loro, ed i MOSFET 3 e 4 hanno gli elettrodi di pozzo connessi tra loro. Nell'integrato IC2 i MOSFET 5 e 6 hanno gli elettrodi di sorgente connessi tra loro, così pure i MOSFET 7 e 8. The TRFC charge transfer network consists of two identical integrated circuits IC1 and IC2, two capacitors CI and C2 and two resistors RI and R2. Each integrated IC1 and IC2 comprises four identical enhancement-type n-channel MOSFET transistors, respectively indicated with 1, 2, 3, 4 and 5, 6, 7, 8; the use of p-channel MOSFETs, instead of n-channel, does not in any case alter the operation of the network. All transistors have the substrate (p-type) connected to the respective source electrode. Inside IC1 and IC2 there are also visible diodes (Ι ',. 8') corresponding to those existing between the drain electrode and the substrate of respective transistors. The gate electrodes of the MOSFETs 1, 2, 3 and 4 are all connected to each other and to one end of the secondary S2 connected to the diode D2. The gate electrodes of the MOSFETs 5, 6, 7 and 8 are all connected to each other and to one end of the primary P3. In the integrated IC1 the MOSFETs 1 and 2 have the source electrodes connected to each other, and the MOSFETs 3 and 4 have the drain electrodes connected to each other. In the integrated IC2 the MOSFETs 5 and 6 have the source electrodes connected to each other, as well as the MOSFETs 7 and 8.

La resistenza R1 è connessa tra il morsetto d'uscita del convertitore e l'elettrodo di pozzo del MOSFET 1; il condensatore CI ha un capo connesso agli elettrodi di pozzo dei MOSFET 2 e 3, e l'altro capo connesso all'elettrodo di pozzo del MOSFET 8 e all'elettrodo di sorgente del MOSFET 3. L'elettrodo di sorgente del MOSFET 4 è connesso alla massa secondaria. Il condensatore C2 ha un capo connesso all'elettrodo di pozzo del MOSFET 6, l'altro capo di C2 è connesso all'elettrodo di pozzo del MOSFET 7 e alla massa primaria. La resistenza R2 è connessa in parallelo a C2 e all'ingresso invertente dell'operazionale OP interno all'integrato PWM. Resistor R1 is connected between the output terminal of the converter and the drain electrode of MOSFET 1; the capacitor C1 has one end connected to the drain electrodes of the MOSFETs 2 and 3, and the other end connected to the drain electrode of the MOSFET 8 and to the source electrode of the MOSFET 3. The source electrode of the MOSFET 4 is connected to the secondary ground. The capacitor C2 has one end connected to the drain electrode of the MOSFET 6, the other end of C2 is connected to the drain electrode of the MOSFET 7 and to the primary ground. Resistor R2 is connected in parallel to C2 and to the inverting input of the operational OP inside the PWM integrated circuit.

Per quanto riguarda l'illustrazione del funzionamento del convertitore DC/DC di fig.l, in configurazione push-pull, si rimanda al volume citato nell'introduzione, precisando che l'integrato PWM dell'esempio è l'UCl846 della UNITRODE, tuttavia molti sono oggi i circuiti in grado di svolgere analoghe funzioni. Come già era stato anticipato, essi includono un oscillatore che genera un segnale periodico a frequenza presettabile, da cui sono ricavate due identiche forme d'onda impulsive periodiche, di periodo T, tra loro sfasate di T/2, corrispondenti ai segnali Q(t) e Q(t+T/2). La larghezza degli impulsi è regolata in retroazione negativa sulla base del segnale errore e, con il vincolo che essa sia sempre inferiore a T/2. Per soddisfare a quest'ultimo requisito l'UC1846 dispone di un pin su cui agire come descritto nelle note applicative dello stesso. L'amplificatore d'errore OP esegue la differenza tra la tensione di riferimento presente ai capi del diodo Zener Z, inversamente polarizzato, e una frazione della tensione Vout presente ai capi di C2. As regards the illustration of the operation of the DC / DC converter of fig. 1, in push-pull configuration, please refer to the volume cited in the introduction, specifying that the PWM integrated in the example is the UCL846 of UNITRODE, however today there are many circuits capable of performing similar functions. As previously anticipated, they include an oscillator that generates a periodic signal with a presettable frequency, from which two identical periodic impulsive waveforms, of period T, are out of phase with each other by T / 2, corresponding to the signals Q (t ) and Q (t + T / 2). The width of the pulses is adjusted in negative feedback on the basis of the error signal and, with the constraint that it is always less than T / 2. To satisfy this last requirement, the UC1846 has a pin on which to act as described in the application notes of the same. The error amplifier OP makes the difference between the reference voltage present at the ends of the Zener diode Z, inversely biased, and a fraction of the voltage Vout present at the ends of C2.

La rete TRFC rende disponibile la suddetta frazione di Vout senza rompere l'isolamento galvanico esistente tra i circuiti lato primario e quelli lato secondario, ed a maggior ragione tra le rispettive masse. Questo è reso possibile dalla particolare configurazione circuitale di TRFC, congiuntamente alla forma dei segnali che controllano iMOSFET di IC1 e IC2, e alla scelta di adatti punti di provenienza per l applicazione di detti segnali di controllo. The TRFC network makes the above fraction of Vout available without breaking the galvanic isolation existing between the primary and secondary side circuits, and even more so between the respective masses. This is made possible by the particular circuit configuration of TRFC, together with the shape of the signals that control iMOSFET of IC1 and IC2, and the choice of suitable points of origin for the application of said control signals.

Per quanto riguarda il primo punto si può notare che i MOSFET 1, 2 e 3, A sono in grado di sezionare completamente i contatti tra i due capi di CI ed il carico Ro; così come i MOSFET 5, 6 e 7, 8 sono in grado di sezionare completamente i contatti tra i due capi di CI e quelli di C2. In pratica, ICl comprende una prima coppia di interruttori elettronici sincroni, di cui uno è costituito dai MOSFET 1 e 2, ed un altro dai MOSFET 3 e 4. Similmente, IC2 comprende una seconda coppia di interruttori elettronici sincroni, di cui uno è costituito dai MOSFET 5 e 6, ed un altro dai MOSFET 7 e 8. Risulta pertanto circuitalmente possibile caricare CI alla tensione Vout indipendentemente dalla carica presente su C2, e in modo analogo risulta possibile il travaso della carica di CI a C2 indipendentemente dalla tensione Vout. Come sarà visto tra breve, è proprio l'indipendenza delle suddette operazioni che preserva l'isolamento galvanico. Nello stato di aperto i MOSFET utilizzati sono in grado di sopportare tensioni dell'ordine di 400 Volt, ed essendo di tipo enhancement, restano aperti anche con tensione nulla sull'elettrodo di sorgente. Nello stato di conduzione i MOSFET presentano una resistenza di canale del tutto trascurabile, precisando che dei due MOSFET collegati in serie che realizzano un generico interruttore elettronico, uno è sempre in conduzione diretta e l'altro inversa. In questo modo i diodi che si formano tra le giunzioni pozzo-substrato risultano in serie e con polarità contrapposte, eliminando con ciò ogni possibilità di conduzione attraverso i substrati e conseguente rottura dell'isolamento galvanico. Una scelta sbagliata del tipo di transistori, soprattutto nei casi in cui gli interruttori elettronici sono realizzati con un solo transistore, potrebbe invece comportare l'instaurarsi di una via di conduzione permanente attraverso i substrati indipendente dallo stato di apertura o chiusura degli interruttori elettronici. As regards the first point, it can be noted that the MOSFETs 1, 2 and 3, A are able to completely dissect the contacts between the two ends of CI and the load Ro; as well as the MOSFETs 5, 6 and 7, 8 are able to completely dissect the contacts between the two ends of IC and those of C2. In practice, IC1 comprises a first pair of synchronous electronic switches, one of which consists of MOSFETs 1 and 2, and the other of MOSFETs 3 and 4. Similarly, IC2 comprises a second pair of synchronous electronic switches, of which one consists by the MOSFETs 5 and 6, and another by the MOSFETs 7 and 8. It is therefore circuitally possible to charge CI to the voltage Vout regardless of the charge present on C2, and in a similar way it is possible to transfer the charge of CI to C2 regardless of the voltage Vout. As will be seen shortly, it is precisely the independence of the aforementioned operations that preserves the galvanic isolation. In the open state, the MOSFETs used are able to withstand voltages of the order of 400 Volts, and being of the enhancement type, they remain open even with zero voltage on the source electrode. In the conduction state, the MOSFETs have a completely negligible channel resistance, specifying that of the two MOSFETs connected in series which form a generic electronic switch, one is always in direct conduction and the other in reverse. In this way the diodes formed between the well-substrate junctions are in series and with opposite polarity, thereby eliminating any possibility of conduction through the substrates and consequent breakdown of the galvanic insulation. A wrong choice of the type of transistors, especially in cases where the electronic switches are made with a single transistor, could instead lead to the establishment of a permanent conduction path through the substrates independent of the open or closed state of the electronic switches.

Per quanto riguarda i punti di provenienza dei segnali di controllo di IC1 e IC2, si può vedere che detti punti sono isolati galvanicamente tra di loro, in quanto appartenenti l'uno al primario P3 e l'altro al secondario S2 del trasformatore TRS. L'isolamento galvanico tra i segnali di controllo viene mantenuto entro la rete TRFC, poiché il segnale di controllo prelevato al secondario S2 controlla solo IC1, che risulta sempre isolato dai circuiti lato primario, come sarà visto tra breve; analogamente il segnale di controllo prelevato al primario P3 controlla solo IC2, che risulta sempre isolato dai circuiti lato secondario. As regards the points of origin of the control signals of IC1 and IC2, it can be seen that said points are galvanically isolated from each other, since one belongs to the primary P3 and the other to the secondary S2 of the TRS transformer. The galvanic isolation between the control signals is maintained within the TRFC network, since the control signal taken from the secondary S2 controls only IC1, which is always isolated from the primary side circuits, as will be seen shortly; similarly, the control signal taken from the primary P3 only controls IC2, which is always isolated from the secondary side circuits.

Una valida, e più generale, alternativa consiste nel connettere l'ingresso di controllo di IC2 ad un'uscita dell'integrato PWM, mantenendo Inalterata la connessione tra l'ingresso di controllo di IC1 e l'estremità del secondario S2 che fornisce il segnale adatto. A valid, and more general, alternative is to connect the control input of IC2 to an output of the PWM integrated circuit, while maintaining the connection between the control input of IC1 and the secondary S2 end which supplies the signal. suitable.

Per quanto riguarda la forma dei segnali di controllo di IC1 e IC2, essa è quella prodotta ai capi degli avvolgimenti primari e secondario del trasformatore TRS, per effetto della commutazione di TRI e TR2. Le tensioni ai capi di PI, P2, P3, Si e S2 sono impulsi della stessa larghezza di quelli appartenenti a Q(t) e Q(t+T/2) , ma con polarità che si invertono ad ogni semiperiodo T/2. Ai fini del loro utilizzo per il controllo di TRFC, occorre prelevare la tensione al primario P3 e al secondario S2 con polarità opposte, quindi raddrizzarle a singola semionda, utilizzando le semionde positive per il controllo di IC2 e IC1 rispettivamente. In pratica il raddrizzamento è compiuto dai MOSFET stessi, è quindi sufficiente collegare P3 e S2 al rispettivo punto di controllo di IC2 e IC1. As regards the shape of the control signals of IC1 and IC2, it is that produced at the ends of the primary and secondary windings of the TRS transformer, due to the switching of TRI and TR2. The voltages at the ends of PI, P2, P3, Si and S2 are pulses of the same width as those belonging to Q (t) and Q (t + T / 2), but with polarity that are inverted at each half-period T / 2. In order to use them for the control of TRFC, it is necessary to take the voltage from the primary P3 and the secondary S2 with opposite polarity, then straighten them to single half-wave, using the positive half-waves to control IC2 and IC1 respectively. In practice, the rectification is performed by the MOSFETs themselves, it is therefore sufficient to connect P3 and S2 to the respective control point of IC2 and IC1.

Resta ora da vedere se una rottura d'isolamento potrebbe eventualmente verificarsi durante il trasferimento della tensione Vout tra ingresso e uscita di TRFC governata dai segnali di cui sopra. I suddetti segnali di controllo suddividono il funzionamento della rete TRFC in quattro fasi sequenziali che si ripetono ad ogni periodo T, l'ordine d'inizio è indifferente. Assumiamo, ad esempio, che il segnale di controllo corrispondente a Q(t) sia applicato a IC1, e quello corrispondente a Q(t+T/2) ad IC2, partendo da uno stato iniziale in cui il convertitore è spento ed i suddetti segnali vincolati ai rispettivi potenziali di massa. Nello stato iniziale le due coppie di interruttori ICl e IC2 sono entrambe aperte, ne consegue che CI e C2 sono scarichi, e Cl risulta isolato sia da Ro che da da C2. It now remains to be seen if an insulation break could possibly occur during the transfer of the voltage Vout between the input and output of the TRFC governed by the above signals. The aforesaid control signals divide the operation of the TRFC network into four sequential phases which are repeated at each period T, the starting order is indifferent. Let's assume, for example, that the control signal corresponding to Q (t) is applied to IC1, and the one corresponding to Q (t + T / 2) to IC2, starting from an initial state in which the converter is off and the aforementioned signals bound to the respective mass potentials. In the initial state the two pairs of switches ICl and IC2 are both open, it follows that Cl and C2 are discharged, and Cl is isolated both from Ro and from C2.

Durante una prima delle quattro fasi di funzionamento giunge ad ICl un impulso attivo di controllo che produce la chiusura della rispettiva coppia di interruttori, connettendo un capo di Cl al morsetto di uscita del convertitore e l'altro capo alla massa secondaria; Cl si carica al valore Vout attraverso la resistenza RI. Nel contempo il segnale di controllo su IC2 è nullo e la coppia di interruttori IC2 è aperta, isolando Cl dai circuiti connessi al primario di TRS. La costante di tempo di carica R1C1 è abbastanza piccola da consentire il completo caricamento di Cl anche nei casi in cui l'impulso di controllo ha una durata minima. During a first of the four operating phases an active control pulse reaches IC1 which produces the closure of the respective pair of switches, connecting one end of Cl to the output terminal of the converter and the other end to the secondary ground; Cl is charged to the Vout value through the resistor RI. At the same time, the control signal on IC2 is null and the pair of switches IC2 is open, isolating Cl from the circuits connected to the primary of the TRS. The charging time constant R1C1 is small enough to allow complete loading of Cl even in cases where the control pulse has a minimum duration.

In una seconda fase i due segnali di controllo sono entrambi nulli, in tal caso Cl carico risulta isolato sia da Ro che da C2. Questa seconda fase è sempre garantita, in quanto la durata degli impulsi di controllo è sempre inferiore a T/2. In a second phase the two control signals are both null, in which case the load Cl is isolated from both Ro and C2. This second phase is always guaranteed, as the duration of the control pulses is always less than T / 2.

In una terza fase giunge ad IC2 un impulso attivo di controllo che produce la chiusura della rispettiva coppia di interruttori, connettendo Cl in parallelo a C2 e consentendo il trasferimento di carica tra Cl e C2. Nel contempo il segnale di controllo su ICl è nullo e la coppia di interruttori ICl è aperta isolando Cl e C2 dai circuiti lato secondario di TRS. Il trasferimento di carica avviene quasi istantaneamente, la durata è limitata soltanto dalla bassissima resistenza di canale dei MOSFET 5, 6, 7 e 8. Il parallelo tra i due condensatori permane per tutta la durata dell'impulso attivo, durante questo tempo la carica accumulata sui due condensatori si scarica attraverso R2 con una costante di tempo data dal prodotto di R2 per C1+C2. In a third phase an active control pulse reaches IC2 which produces the closure of the respective pair of switches, connecting Cl in parallel to C2 and allowing the charge transfer between Cl and C2. At the same time, the control signal on ICl is null and the pair of switches ICl is open, isolating Cl and C2 from the secondary side circuits of TRS. The charge transfer occurs almost instantaneously, the duration is limited only by the very low channel resistance of the MOSFETs 5, 6, 7 and 8. The parallel between the two capacitors remains for the entire duration of the active pulse, during this time the accumulated charge on the two capacitors it discharges through R2 with a time constant given by the product of R2 by C1 + C2.

In una quarta ed ultima fase i due segnali di controllo sono nuovamente entrambi nulli, in tal caso viene sezionato il parallelo tra CI e C2, anche in questo caso valgono le stesse considerazioni fatte per la seconda fase. In a fourth and last phase the two control signals are again both null, in this case the parallel between Cl and C2 is dissected, also in this case the same considerations made for the second phase are valid.

Per quanto è stato detto, viene con ciò esclusa nel modo più assoluto la sincronia di funzionamento delle due coppie di interruttori IC1 e IC2, impedendo il formarsi di una via di connessione tra gli stessi durante i transitori di apertura/chiusura, con la possibilità di interrompere, se pur brevemente, l'isolamento galvanico. According to what has been said, the synchrony of operation of the two pairs of switches IC1 and IC2 is thus excluded in the most absolute way, preventing the formation of a connection path between them during the opening / closing transients, with the possibility of interrupt, even if briefly, the galvanic isolation.

A questo punto è utile fare alcune ulteriori considerazioni sui valori di RI, Cl, R2 e C2. Una prima necessità è che le costanti di tempo RlxCl e R2xC2 siano piccole, per far si che i rispettivi poli introdotti nella risposta in frequenza del sistema cadano molto al di sopra dell'estremo superiore della banda d'anello che, nel caso dell'esempio è di circa 12 KHz. In tal modo la loro esistenza non perturba la stabilità del convertitore stesso. In pratica, considerando il diagramma di Bode del guadagno d'anello, è sufficiente che questi poli siano di almeno una decade superiori a detto estremo di banda. Una seconda necessità è che la tensione Vout su CI non venga ridotta di troppo sul parallelo di CI con C2, il che pone un limite al valore di C2. Detto valore dovrebbe comunque essere sempre maggiore di quello di CI per far si che, a trasferimento compiuto, la carica venga accumulata prevalentemente su C2; in tal modo C2 può fungere da "memoria" quando la connessione con Cl viene interrotta prima del completamento della scarica, il che si verifica nei casi in cui la durata degli impulsi di controllo di IC2 è minima. Una buona scelta è, ad esempio, C2 = 4C1. Il valore di R2 dovrà essere tale da non consentire una scarica troppo rapida del condensatore equivalente al parallelo di Cl con C2, o del solo C2, compatibilmente con il periodo T, perchè altrimenti ne discenderebbe un segnale errore costituito da impulsi stretti; In tal caso l'energia cadrebbe prevalentemente sulle componenti poste al di fuori della banda d'anello. At this point it is useful to make some further considerations on the values of RI, Cl, R2 and C2. A first necessity is that the time constants RlxCl and R2xC2 are small, to ensure that the respective poles introduced in the frequency response of the system fall far above the upper end of the ring band which, in the case of the example is about 12 KHz. In this way their existence does not disturb the stability of the converter itself. In practice, considering the Bode diagram of the loop gain, it is sufficient that these poles are at least a decade higher than said band end. A second necessity is that the voltage Vout on CI is not reduced too much on the parallel of CI with C2, which places a limit on the value of C2. Said value should in any case always be greater than that of Cl to ensure that, once the transfer is complete, the charge is mainly accumulated on C2; in this way C2 can act as a "memory" when the connection with Cl is interrupted before the completion of the discharge, which occurs in cases where the duration of the control pulses of IC2 is minimal. A good choice is, for example, C2 = 4C1. The value of R2 must be such as not to allow a too rapid discharge of the capacitor equivalent to the parallel of Cl with C2, or of C2 only, compatibly with the period T, because otherwise an error signal consisting of narrow pulses would result; In this case the energy would fall mainly on the components located outside the ring band.

Le considerazioni fatte per il convertitore DC/DC dell'esempio, restano valide anche per altre configurazioni circuitali diverse da quella push-pull, purché comprendano un trasformatore per isolare il carico dalla fonte di alimentazione primaria. Le configurazioni comprendenti un solo transistore di potenza hanno tensioni primarie e secondarie in cui viene a mancare l'impulso a metà periodo. Il fatto non causa particolari problemi per quanto riguarda il controllo della rete TRFC, basta solo connettere l'ingresso di controllo di IC2 direttamente a quella uscita di PWM che non pilota il transistore di potenza, mentre per il controllo di IC1 il segnale viene preso al secondario, come nel caso dell'esempio. The considerations made for the DC / DC converter of the example remain valid also for other circuit configurations other than the push-pull one, as long as they include a transformer to isolate the load from the primary power source. The configurations comprising a single power transistor have primary and secondary voltages in which the pulse fails in the middle of the period. The fact does not cause particular problems as regards the control of the TRFC network, it is sufficient only to connect the control input of IC2 directly to that PWM output that does not drive the power transistor, while for the control of IC1 the signal is taken to the secondary, as in the case of the example.

Dispositivi diversi da quelli indicati possono essere utilizzati come interruttori elettronici, le considerazioni svolte sono in ogni caso sufficienti al tecnico del ramo per ricercare le forme d'onda di volta in volta più adatte al controllo della rete a trasferimento di carica che utilizza i dispositivi prescelti. Devices other than those indicated can be used as electronic switches, the considerations made are in any case sufficient for the person skilled in the art to search for the waveforms that are each time most suitable for controlling the charge transfer network that uses the chosen devices. .

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Convertitore DC/DC comprendente uno, o più, dispositivi di potenza (TRI, TR2) funzionanti da interruttori elettronici che aprono e chiudono ciclicamente la connessione tra una batteria ed il primario di un trasformatore (TRS), la cui tensione secondaria alimenta un circuito raddrizzatore connesso al morsetto di uscita del convertitore, a cui si attesta un carico (Ro), e ad una massa secondaria isolata galvanicamente dalla massa primaria di batteria; detto convertitore comprendendo inoltre circuiti di governo e controllo (PWM) alimentati lato primario, essenzialmente consistenti in: a) un oscillatore che pilota una logica per l'ottenimento di due identiche forme d'onda periodiche, di periodo T, sfasate tra di loro di T/2, costituite da impulsi (Q(t), Q(t+T/2)) utilizzati, o utilizzabili, per il controllo dello stato di conduzione dei dispositivi di potenza; b) un generatore di una tensione costante di riferimento stabile in temperatura; c) un circuito (OP) che esegue la differenza tra detta tensione di riferimento e una frazione della tensione (Vout) sul carico, ottenendo un segnale errore fornito ad un circuito di regolazione (d), in retroazione negativa, della durata di detti impulsi di controllo, caratterizzato dal fatto che detta frazione della tensione (Vout) sul carico è ottenuta per mezzo di una rete a trasferimento di carica (TRFC) comprendente: una prima coppia di interruttori elettronici sincroni (IC1), controllati da un primo segnale di controllo, che connettono, o disconnettono, rispettivi capi di un primo condensatore (Cl) al morsetto d'uscita di detto alimentatore o a detta massa secondaria, consentendo la carica di detto primo condensatore fino ad un valore di tensione (Vout) ai capi di detto carico (Ro); una seconda coppia di interruttori elettronici sincroni (IC2), controllati da un secondo segnale di controllo, che connettono, o disconnettono, detto primo condensatore (Cl) in parallelo ad un secondo condensatore (C2), avente un capo connesso a detta massa primaria, consentendo un trasferimento di carica tra detti condensatori (Cl, C2) e una conseguente generazione ai capi di detto secondo condensatore (C2) di detta frazione della tensione sul carico (Ro) utilizzata per la determinazione di detto errore (e); ulteriormente caratterizzato dal fatto che detto primo segnale di controllo corrisponde ad una prima detta forma d'onda periodica impulsiva (Q(t), Q(t+T/2)), trasferita al secondario (S2) di detto trasformatore (TRS), detta prima coppia di interruttori elettronici (IC1) venendo chiusa in corrispondenza di detti impulsi di controllo; dal fatto che detto secondo segnale di controllo è una detta seconda forma d'onda periodica impulsiva (Q(t+T/2), Q(t)) , generata lato primario, detta seconda coppia di interruttori elettronici (IC2) venendo chiusa in corrispondenza di detti impulsi di controllo; e dal fatto che detto circuito di regolazione limita a valori inferiori a T/2 la durata di detti impulsi di controllo, consentendo l'apertura di ambedue dette coppie di interruttori elettronici (IC1, IC2) prima e dopo la carica di detto primo condensatore (Cl). CLAIMS 1. DC / DC converter comprising one or more power devices (TRI, TR2) operating as electronic switches that cyclically open and close the connection between a battery and the primary of a transformer (TRS), whose secondary voltage supplies a rectifier circuit connected to the output terminal of the converter, to which a load (Ro) is connected, and to a secondary ground galvanically isolated from the primary battery ground; said converter also comprising primary-side powered steering and control circuits (PWM), essentially consisting of: a) an oscillator that drives a logic for obtaining two identical periodic waveforms, of period T, out of phase between T / 2, consisting of pulses (Q (t), Q (t + T / 2)) used, or usable, for controlling the conduction state of power devices; b) a generator of a constant reference voltage stable in temperature; c) a circuit (OP) which makes the difference between said reference voltage and a fraction of the voltage (Vout) on the load, obtaining an error signal supplied to a regulation circuit (d), in negative feedback, of the duration of said pulses control, characterized in that said fraction of the voltage (Vout) on the load is obtained by means of a charge transfer network (TRFC) comprising: a first pair of synchronous electronic switches (IC1), controlled by a first control signal, which connect or disconnect respective ends of a first capacitor (Cl) to the output terminal of said power supply or to said secondary ground, allowing charging of said first capacitor up to a voltage value (Vout) across said load (Ro); a second pair of synchronous electronic switches (IC2), controlled by a second control signal, which connect or disconnect said first capacitor (Cl) in parallel to a second capacitor (C2), having one end connected to said primary ground, allowing a charge transfer between said capacitors (Cl, C2) and a consequent generation across said second capacitor (C2) of said fraction of the voltage on the load (Ro) used for determining said error (e); further characterized in that said first control signal corresponds to a first said impulsive periodic wave form (Q (t), Q (t + T / 2)), transferred to the secondary (S2) of said transformer (TRS), said first pair of electronic switches (IC1) being closed at said control pulses; from the fact that said second control signal is a said second impulsive periodic wave form (Q (t + T / 2), Q (t)), generated on the primary side, said second pair of electronic switches (IC2) being closed in correspondence of said control pulses; And by the fact that said regulation circuit limits the duration of said control pulses to values lower than T / 2, allowing the opening of both said pairs of electronic switches (IC1, IC2) before and after the charging of said first capacitor (Cl ). 2. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima coppia di interruttori elettronici (ICl) connette detto primo condensatore (Cl) ai capi di detto carico (Ro) tramite una prima resistenza (RI) posta in serie a detto primo condensatore (Cl). 2. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that said first pair of electronic switches (IC1) connects said first capacitor (Cl) to the ends of said load (Ro) by means of a first resistor (RI) placed in series a said first capacitor (Cl). 3. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto secondo condensatore (C2) è collegato in parallelo ad una seconda resistenza (R2). 3. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that said second capacitor (C2) is connected in parallel to a second resistance (R2). 4. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l'inverso della costante di tempo data dal prodotto di 2π per il valore di capacità di detto primo condensatore (Cl) e per il valore di detta prima resistenza (RI), corrisponde ad un polo della risposta logaritmica in frequenza del guadagno d'anello di detto convertitore DC/DC, il cui valore é di almeno una decade superiore all'estremo superiore della banda di detta risposta. 4. DC / DC converter according to claim 2, characterized in that the inverse of the time constant given by the product of 2π by the capacitance value of said first capacitor (Cl) and by the value of said first resistance (RI) , corresponds to a pole of the logarithmic frequency response of the loop gain of said DC / DC converter, the value of which is at least one decade higher than the upper end of the band of said response. 5. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'inverso della costante di tempo data dal prodotto di 2π per il valore di capacità di detto secondo condensatore (C2) e per il valore di detta seconda resistenza (R2), corrisponde ad un polo della risposta logaritmica in frequenza del guadagno d'anello di detto convertitore DC/DC, il cui valore é di almeno una decade superiore all'estremo superiore della banda di detta risposta. 5. DC / DC converter according to claim 3, characterized in that the inverse of the time constant given by the product of 2π by the capacitance value of said second capacitor (C2) and by the value of said second resistance (R2) , corresponds to a pole of the logarithmic frequency response of the loop gain of said DC / DC converter, the value of which is at least one decade higher than the upper end of the band of said response. 6. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il valore di capacità di detto secondo condensatore (Cl) è superiore al valore di capacità di detto primo condensatore (Cl). 6. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that the capacitance value of said second capacitor (Cl) is higher than the capacitance value of said first capacitor (Cl). 7. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli interruttori elettronici appartenenti a dette coppie di interruttori elettronici (IC1, IC2) sono realizzati per mezzo di transistori di tipo MOSFET enhancement (1...4, 5...8), i transistori di ogni detta coppia avendo gli elettrodi di controllo connessi tra di loro. 7. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that the electronic switches belonging to said pairs of electronic switches (IC1, IC2) are made by means of enhancement MOSFET transistors (1 ... 4, 5 .. 8), the transistors of each said pair having the control electrodes connected to each other. 8. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti transistori hanno il substrato connesso al rispettivo elettrodo di sorgente; e dal fatto che ciascun detto interruttore elettronico è realizzato per mezzo di due detti transistori connessi in serie, un primo transistore essendo in conduzione diretta ed un secondo transistore in conduzione inversa. 8. DC / DC converter according to claim 7, characterized in that said transistors have the substrate connected to the respective source electrode; and in that each said electronic switch is made by means of two said transistors connected in series, a first transistor being in direct conduction and a second transistor in reverse conduction. 9. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il trasferimento al secondario (S2) di detta prima forma d'onda periodica impulsiva (Q(t), Q(t+T/2)), avviene per effetto della commutazione di un detto dispositivo di potenza (TRI, TR2) controllato da detta prima forma d'onda. 9. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that the transfer to the secondary (S2) of said first pulsed periodic wave form (Q (t), Q (t + T / 2)), occurs by effect switching of a said power device (TRI, TR2) controlled by said first wave form. 10. Convertitore DC/DC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il trasferimento al secondario (S2) di detta prima forma d'onda periodica impulsiva (Q(t), Q(t+T/2)), avviene per effetto della commutazione di detti dispositivi di potenza (TRI, TR2), detto primo segnale di controllo essendo ottenuto raddrizzando a singola semionda la tensione secondaria. 10. DC / DC converter according to claim 1, characterized in that the transfer to the secondary (S2) of said first impulsive periodic wave form (Q (t), Q (t + T / 2)), occurs by effect switching of said power devices (TRI, TR2), said first control signal being obtained by rectifying the secondary voltage to a single half-wave.
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