ITMI961465A1 - Circuito traslatore perfezionato per un circuito di pilotaggio di un transistore di potenza - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un circuito traslatore per un circuito di pilotaggio del tipo noto come High Side Driver.

Più specificatamente l'invenzione si riferisce ad un circuito traslatore del tipo comprendente un primo generatore di corrente inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione ed un terminale d'ingresso del circuito di pilotaggio, un interruttore comandato inserito tra detto terminale d'ingresso ed un riferimento di massa, ed un secondo generatore di corrente interposto tra detto interruttore ed il riferimento di massa.

Arte nota

Come è ben noto, in moltissime applicazioni del settore elettronico si ha la necessità di regolare il valore di corrente che scorre su un carico elettrico.

Nella maggior parte dei casi la corrente sul carico elettrico viene regolata tramite un transistore di potenza che sia di tipo integrato, sia di tipo discreto.

Il transistore di potenza viene a sua volta pilotato tramite un circuito integrato di pilotaggio detto High Side Driver.

Ai circuiti di pilotaggio High Side Driver è normalmente associato un circuito traslatore di livello, il quale è destinato a trasformare un segnale di pilotaggio riferito ad una propria massa di segnale in un segnale riferito alla massa di segnale del circuito integrato di pilotaggio .

Un buon circuito traslatore consente di minimizzare i tempi di propagazione del segnale e di rendere sostanzialmente simmetrica la propagazione del segnale di accensione e di spegnimento.

In alcune applicazioni, come ad esempio nel caso dei convertitori di commutazione (switching converters) è di particolare importanza che i fronti di commutazione del transistore di potenza siano molto piccoli in modo da non pregiudicare l'efficienza del convertitore.

Inoltre, può capitare che avvengano false commutazioni del transistore di potenza in quanto la massa del circuito di pilotaggio coincide con il terminale di sorgente del transistore di potenza e quindi, poiché il potenziale del terminale di sorgente varia molto velocemente, il segnale di pilotaggio dev'essere in grado di muoversi con la stessa velocità.

La tecnica nota propone già una soluzione per cercare di soddisfare a questa esigenza.

Ad esempio, nella qui allegata figura 1 è mostrato un circuito 10 di pilotaggio realizzato secondo la tecnica nota per un transistore MI di potenza, di tipo NMOS.

Il circuito 10 è alimentato tramite una tensione Vs di alimentazione a 12 V ed ha un'uscita U per pilotare il terminale di comando del transistore di potenza MI.

Il transistore di potenza MI è inserito tra un riferimento di tensione Vcc di alimentazione ed un'estremità di un carico elettrico 13. Tale estremità coincide con un riferimento di massa di segnale del circuito 10 sul quale è presente un potenziale GND_driver.

Al circuito 10 è associato un circuito traslatore 11 che utilizza due generatori 14 e 15 di correnti II ed 12.

Più in particolare, il circuito traslatore 11 comprende un transistore A di tipo NMOS avente terminale di sorgente collegato verso una massa di segnale tramite il primo generatore 14 della corrente II. Il terminale di pozzo del transistore A è collegato ad un terminale IN d'ingresso del circuito 10 di pilotaggio ed al secondo generatore 15 della corrente 12.

Sul tale terminale IN d'ingresso risulta applicato un segnale DRIVE_high, mentre sul terminale G di comando del transistore A viene applicato un segnale DRIVE_low.

Il transistore A opera essenzialmente come un interruttore. Quando l'interruttore è aperto, la corrente Il è nulla ed il segnale DRIVE_high assume un valore pari alla massa GND_driver del circuito 10 più la tensione Vs.

Se invece l'interruttore A è chiuso, la corrente II è maggiore della corrente 12 ed il potenziale DRIVE_high sul terminale IN d'ingresso coincide con quello GND_driver del riferimento di massa del circuito 10. In questa situazione il transistore di potenza MI viene forzato in accensione .

Pur vantaggiosa sotto vari aspetti, e sostanzialmente rispondente allo scopo, questa soluzione tecnica nota comporta comunque il rischio di false commutazioni.

Infatti, quando l'interruttore A viene chiuso, l'informazione di accensione viene trasmessa al transistore di potenza MI che viene portato in stato di conduzione. Il potenziale sul terminale di sorgente del transistore di potenza sale verso il valore della tensione di alimentazione Vcc. Questa variazione avviene molto velocemente e comporta un aumento della corrente 12 in quanto il generatore 15 di corrente è realizzato con una struttura 12 a specchio di corrente mostrata nella figura 2.

LO specchio di corrente 12 comprende una coppia di transistori Ma ed Mb di tipo PMOS aventi i rispettivi terminali di comando collegati tra loro. Il transistore Ma è in configurazione diodo.

I rapporti dimensionali tra i transistori Ma ed Mb sono regolati da un parametro k di proporzionalità. Le dimensioni di Mb sono k volte quelle di Ma.

Il terminale di porta del transistore Ma presenta una prima capacità CI parassita verso il terminale di sorgente ed una seconda capacità C2 parassita verso massa. Pertanto, quando il potenziale sul terminale di sorgente si muove molto velocemente, la caduta di tensione portasorgente del transistore Ma aumenta velocemente rispetto al valore di regime di una quantità data dal partitore capacitivo C1-C2.

Pertanto, all'accensione del transistore di potenza MI la corrente 12 risulta essere molto maggiore del valore che essa assume a regime, e può essere addirittura superiore al valore della corrente II. Il nodo N viene quindi caricato fino al potenziale Vcc+Vs è l'uscita del circuito 10 forza in spegnimento il transistore di potenza MI causando una falsa o indesiderata commutazione.

Per ovviare a questo problema si potrebbe pensare di rendere la capacità CI porta-sorgente molto maggiore dell'altra capacità C2 porta-massa. Così facendo, però, sarebbe necessario integrare su semiconduttore capacità di grandi dimensioni ed è ben noto che ciò comporta gravi oneri in termini di area circuitale occupata.

In alternativa, si potrebbe pensare di rendere la corrente I1 molto maggiore della corrente 12, ma anche questo possibile rimedio comporta un grave inconveniente dato dal fatto che si provocherebbe un'asimmetria nei tempi di propagazione dei segnali di accensione e spegnimento del transistore di potenza.

Altre possibili soluzioni comportano la realizzazione di strutture circuitali molto complesse e costose che richiedono l'impiego di elementi di memoria.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un circuito traslatore, per un circuito di pilotaggio di un transistore di potenza, il quale abbia caratteristiche strutturali e funzionali tali da superare gli inconvenienti evidenziati con riferimento alle soluzioni proposte dalla tecnica nota.

Sommario dell'invenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di specchiare la corrente di uno dei due generatori di corrente incorporati nel circuito traslatore per ricavare l'altra corrente come somma della corrente specchiata e di un contributo di valore predeterminato. In questo modo l'aumento della corrente provocato da un innalzamento del potenziale di sorgente del transistore di potenza viene compensato da un corrispondente incremento dell'altra corrente, evitando quindi false commutazioni.

Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico è risolto da un circuito traslatore del tipo precedentemente indicato e caratterizzato dal fatto di comprendere un ramo circuitale a specchio di corrente collegato in parallelo al generatore di corrente collegato verso massa.

Le caratteristiche ed i vantaggi del circuito traslatore secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

In tali disegni:

- la figura 1 mostra una vista schematica di un circuito di pilotaggio per un transistore di potenza con un associato circuito traslatore realizzato secondo l'arte nota;

- la figura 2 mostra una vista schematica di un particolare del circuito traslatore di figura 1;

- la figura 3 mostra una vista schematica di un circuito di pilotaggio per un transistore di potenza con un associato circuito traslatore realizzato secondo la presente invenzione;

- la figura 4 mostra una vista schematica di un particolare del circuito traslatore di figura 3.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, ed in particolare all'esempio di figura 3, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un circuito traslatore realizzato secondo la presente invenzione per essere associato ad un circuito 10 di pilotaggio di un transistore di potenza.

Il circuito 10 è del tipo noto come High Side Driver e presenta un terminale di uscita U collegato al terminale di comando di un transistore di potenza MI, in particolare un transistore NMOS.

Il transistore M1 è inserito con i propri terminali di pozzo e sorgente tra un primo potenziale di riferimento a tensione Vcc di alimentazione ed un nodo N che coincide con un secondo potenziale di riferimento, ad esempio una massa di segnale per il circuito 10. Su tale nodo N è presente un potenziale variabile GND_driver che dipende dalla caduta di tensione sul carico 13.

Il circuito 10 è alimentato invece tra un nodo H ed il nodo N da una tensione Vs fornita da un generatore 3 di tensione.

Il circuito 10 presenta un terminale IN d'ingresso sul quale viene applicato un segnale di comando DRIVE_high.

Al circuito 10 è associato il circuito traslatore 1 della presente invenzione, il quale comprende un interruttore comandato formato da un transistore A di tipo NMOS collegato tra il terminale IN d'ingresso del circuito 10 ed un riferimento di massa GND. La massa GND è una massa di segnale del circuito 1.

Il circuito 1 comprende un generatore 4 di corrente 12 inserito tra il nodo H di alimentazione del circuito 10 ed il terminale IN d'ingresso dello stesso circuito 10.

Tale generatore 4 risulta sostanzialmente collegato al terminale di pozzo del transistore A.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, il circuito 1 comprende un secondo generatore 5 di corrente 13 collegato tra il terminale di sorgente del transistore A e la massa GND. E' previsto inoltre uno specchio 6 di corrente collegato in parallelo a questo secondo generatore 5.

Lo specchio 6 riproduce il valore della corrente 12 del primo generatore 4.

Nella figura 4 è mostrata in maggiore dettaglio un esempio preferito di realizzazione del circuito traslatore 1 secondo l'invenzione. Tale esempio di circuito traslatore è stato realizzato in tecnologia BCD60II per un circuito 10 di pilotaggio di un transistore MI verticale di tipo DMOS che viene utilizzato come interruttore in un convertitore switching di tipo step down.

Nella figura 4 è possibile appressare che il primo generatore 4 di corrente 12 viene realizzato con una struttura a specchio 7 di corrente comprendente i transistori PMOS M5, M6 ed M7. Il primo M5 di essi è in configurazione diodo.

I valori dei rapporti dimensionali W/L di tali transistori sono indicati in figura e corrispondono a: 18/6.5 per il transistore M5, 108/6.5 per il transistore M6 e 18/6.5 per il transistore M7.

L'interruttore comandato A di figura 3 corrisponde al transistore M2 di tipo DMOS.

Il secondo generatore 5 di corrente 13 viene realizzato con una struttura 8 a specchio di corrente comprendente i transistori NMOS M8 ed M11. Anche i valori dei rapporti dimensionali W/L dei transistori M8 ed M11 sono indicati in figura e sono rispettivamente: 8/8 e 120/8. Sul transistore Mll scorre sostanzialmente la corrente 13 dello schema di figura 3.

Il transistore M8 è in configurazione diodo ed è collegato ad un riferimento di alimentazione a 5 V tramite un generatore di corrente 1I. Il transistore M11 è collegato tra il transistore M2 e la massa GND

E' previsto inoltre un transistore M4 collegato al transistore M5 tramite un ulteriore transistore M3 di protezione sul cui terminale di comando viene mantenuto un valore di potenziale pari a 5 V. Il terminale di comando del transistore M4 è in comune con i terminali di comando dei transistori M8 ed Mll.

Vantaggiosamente, lo specchio 6 di corrente viene realizzato con una coppia di transistori M9 ed M10 di tipo NMOS. I valori dei loro rapporti dimensionali sono rispettivamente: 108/7 e 18/7. Il transistore M10 è in configurazione diodo e collegato al transistore M7 della struttura 7.

Il transistore Mll dello specchio 8 è collegato in parallelo al transistore M9. Sul transistore M9 scorre sostanzialmente la corrente specchiata 12.

Vediamo ora brevemente il funzionamento del circuito traslatore secondo l'invenzione.

Quando il transistore verticale MI è in conduzione, la tensione sul nodo H è data dalla somma della tensione Vcc di alimentazione e della tensione Vs del generatore 3.

I valori massimi di queste alimentazioni sono 58 V per la Vcc e 12 V per la Vs. Pertanto il valore massimo che la tensione sul nodo H può raggiungere è dato da 70 V.

I transistori NMOS M2 ed M3 devono essere in grado di sopportare questo valore di tensione, lo stesso dicasi per i transistori PMOS M5, M6 ed M7.

Gli altri transistori sono invece realizzati in tecnologia CMOS a 12 V.

All'accensione del transistore di potenza Mi si verifica un aumento della caduta di tensione sul diodo M5 al quale corrisponde un analogo incremento della corrente generata dai transistori M6 ed M7.

Il rapporto di specchio tra i transistori MIO ed M9 è uguale a quello tra i transistori M7 ed M6. In questo modo l'aumento di corrente che attraversa il transistore M6 è compensato dal corrispondente aumento di corrente nel transistore M9.

Il segnale DRIVE_low, applicato al terminale di comando G dell'interruttore A, ha una dinamica piuttosto ampia (tra 0 e 12 V) per incrementare il flusso di corrente attraverso l'interruttore M2.

Il circuito traslatore secondo l'invenzione risolve il problema tecnico e consegue numerosi vantaggi, il primo dei quali è dato sicuramente dal fatto che vengono risolti i fastidiosi problemi di false commutazioni che limitavamo la funzionalità dei circuiti traslatori realizzati secondo l'arte nota.

Inoltre, con la soluzione circuitale proposta nell'esempio preferito di realizzazione, i consumi del circuito 1 di pilotaggio del transistore di potenza sono ridotti a valori dell'ordine dei 40 μΑ, mentre con il transistore MI acceso sono di circa 270 μΑ. La corrente di carica del nodo IN d'ingresso all'atto dello spegnimento è di circa 120 μΑ.

I tempi di transizione del segnale sono inferiore a 50 ns ed in questi tempi sono stati conputati anche gli effetti parassiti dovuti alle varie interconnessioni circuital

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito (1) traslatore per un circuito (10) di pilotaggio di un transistore (M1) di potenza collegato ad un carico elettrico, del tipo comprendente un primo generatore (4) di corrente (12) inserito tra un riferimento di tensione (Vs) di alimentazione ed un terminale (IN) d'ingresso del circuito di pilotaggio, un interruttore (A) comandato inserito tra detto terminale (IN) d'ingresso ed un riferimento di massa (GND), ed un secondo generatore (5) di corrente (II) interposto tra detto interruttore (A) ed il riferimento di massa (GND), caratterizzato dal fatto di comprendere un ramo circuitale a specchio (6) di corrente collegato in parallelo al secondo generatore (5) di corrente .
2. 2. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto specchio (6) di corrente specchia il valore di corrente (12) del primo generatore (4) di corrente.
3. 3. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto specchio (6) di corrente comprende una coppia di transistori (M9, MIO) NMOS uno (MIO) dei quali è in configurazione diodo.
4. 4. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il rapporto di specchio tra detta coppia di transistori (M9, MIO) corrisponde al rapporto di specchio tra una coppia di transistori (M6, M7) incorporati in detto primo generatore (4) di corrente (12).
5. 5. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto interruttore (A) comandato è un transistore MOS avente terminale di sorgente collegato al terminale di pozzo del primo transistore (M9) di detta coppia (M9, MIO) di transistori.
6. 6. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tempi di commutazione in accensione e spegnimento del transistore (MI) di potenza sono resi simmetrici regolando il rapporto tra il primo (4) ed il secondo (5) generatore di corrente.
7. 7. Circuito traslatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un transistore (M3) di protezione inserito sul collegamento elettrico tra il primo (4) ed il secondo (5) generatore di corrente.