ITMI971092A1 - Dispositivo di riduzione della componente di ripple del segnale alimentato ad un carico da un amplificatore di potenza switching - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione

Forma oggetto della presente invenzione un dispositivo ed un procedimento per la riduzione della componente di ripple nel segnale alimentato ad un carico da un amplificatore di potenza switching. E' noto che gli amplificatori di potenza di tipo ''switching'', siano essi a modulazione, o durata (PWM) o frequenza (PFM), a fronte di un ottimo rendimento, e di un piccolo ingombro, producono in uscita un segnale che, oltre ad avere una componente proporzionale al segnale di ingresso, ha una componente alternata, di frequenza uguale o multipla a quella di switching dell'amplificatore. Tale componente viene comunemente indicata con il termine "ripple" ed in tal modo verrà indicata anche nel presente contesto. Il ripple del segnale presente al carico collegato all'amplificatore deve essere il più possibile ridotto, poiché implica una serie numerosa di conseguenze negative. E' noto, infatti, che, a causa del ripple, il carico tende a riscaldarsi, poiché é soggetto a variazioni veloci tensione corrente (perdite correnti parassite o "eddy current"); d'altro canto, il funzionamento del carico é disturbato, poiché é sottoposto sia alla componente di tensione o corrente voluta, sia alla componente alternata di ripple. Inoltre, il ripple é fonte di rumore, irradiato e condotto lungo i conduttori collegati al carico o dal carico stesso.

Per ovviare ai sopracitati inconvenienti é noto utilizzare filtri passa-basso, generalmente comprendenti induttanze o induttanze e condensatori, posti in serie all'uscita dell'amplificatore e collegati al carico. Tali metodi non si sono dimostrati del tutto efficaci, in quanto riescono a ridurre solo in parte la componente di ripple.

E' nota altresì una tecnica di riduzione del ripple detta di ''Zero-Ripple '' basata sull 'utilizzo di un induttore accoppiato, si vedano a tal proposito gli articoli: "Practical design consideration for a multi-output CUK convertor '' e ''The generalized use of integrated magnetics and zero-ripple tecniques in switch mode power cuverters” , pubblicati nel libro "Mospower applications hand book" edito nel 1985 negli Stati Uniti dalla Siliconix Incorporated. E' da sottolineare, innanzitutto, che la tecnica del "zero-ripple" é stata fino ad oggi utilizzata solo nel campo dei convertitori di corrente continua, ovvero nel caso in cui le caratteristiche elettriche del carico sono stabili e conosciute. Secondo tale tecnica si possono usare solo componenti elettronici con tolleranze di costruzione molto ristrette e che devono avere particolari caratteristiche elettroniche (ad esempio il valore dell'induttanza) determinabili mediante formule lunghe e complicate. Ad esempio, nel caso del circuito di Fig. 1A, modellizzato nei circuiti di Fig. 1B e 1A, per avere una componente di corrente di ripple ridotta a zero nel circuito primario dell'induttore accoppiato 102 collegato al carico (100) ed al generatore (101), l'induttore deve avere una induttanza disperso sul secondario

sono

rispettivamente il numero di spire sul secondario e sul primario e Lc è l'induttanza mutua (per una trattazione dettagliata dell'equazione di cui sopra si veda l'articolo precedentemente citato "The generalized use of intergrated magnetica and zeroripple techniques...."). Per ottenere un valore di induttanza che rispetti l'equazione di cui sopra nel campo dei convertitori sono stati sviluppati circuiti che prevedano un induttanza trimmerabile posta in serie al circuito secondario dell'induttore accoppiato. L'induttanza viene generalmente regolata manualmente in modo da ottenere un ripple vicino allo zero. Tale circuito e tale regolazione è però dipendente dalle caratteristiche elettriche del carico, da quelle fisiche dei componenti elettronici (ad esempio dalla ferrite degli induttori), dalla temperatura e dalle correnti circolanti. Tale tipo di circuito non può pertanto essere utilizzato nel campo degli amplificatori di potenza. Alternativamente, è noto realizzare circuiti elettronici presentanti induttori accoppiati con un traferro avente caratteristiche particolari e tali da avere in uscita su un circuito primario dell'induttore un segnale privo di ripple (per una trattazione più dettagliata dei circuiti noti di cui sopra si veda l'articolo precedentemente citato). Anche in questo caso il calcolo delle caratteristiche del traferro è strettamente correlato a precise condizioni di temperatura, carico, induttanze; per tali motivi anche tale tipo di circuito non è utilizzabile nel campo degli amplificatori di potenza in cui il carico e le condizioni di utilizzo sono variabili, e vi è una presenza di tensioni contro elettromotrici.

Scopo del presente trovato é quello di realizzare un dispositivo per la riduzione del ripple del segnale presente su un carico, generato da un amplificatore di potenza di tipo switching, che sia atto a ridurre efficacemente il ripple, anche con carichi di caratteristiche variabili, e, più in generale, indipendentemente dalle particolari caratteristiche elettriche delle varie componenti del carico, e dalle condizioni ambientali (ad esempio temperatura).

Un ulteriore scopo é quello di realizzare un dispositivo che non necessiti di trimmerare componenti magnetiche né l’utilizzo di componenti con caratteristiche di induttanza particolari come é richiesto nella tecnica di ’’zero-ripple " .

Un ulteriore scopo é quello di realizzare un dispositivo mediante il quale sia possibile ottenere una cancellazione del ripple senza limiti di potenza alimentata.

Un ulteriore scopo é quello di realizzare un dispositivo che presenti un comportamento simile a quello degli amplificatori lineari ovvero: ripple tendente a zero, alto guadagno e ampia banda passante, pur utilizzando un amplificatore tipo switching.

Questi ed altri scopi che appariranno evidenti ad un esperto del ramo vengono raggiunti da un dispositivo conforme alle rivendicazioni annesse.

Per una migliore comprensione del presente trovato si allegano, a titolo esemplificativo, ma non limitativo, disegni in cui:

le Figg. 1A,B,C rappresentano circuiti di dispositivi convertitori noti.

le Figg. 2,A,B sono una rappresentazione schematica rispettivamente di un circuito a cui è applicabile un dispositivo secondo l'invenzione, e di un circuito comprendente un dispositivo secondo l'invenzione .

le Figg. 3A,F mostrano dei grafici schematici tensione-tempo relativi a valori di tensione rilevabili negli schemi elettrici delle Figg. 3 e 4

le Figg. 4, 5 mostrano uno schema elettrico di una prima possibile forma di realizzazione;

le Figg. 6,7 ne mostrano varianti.

In un circuito del tipo mostrato nelle Figg.

2A, 2Bf ovvero in un circuito in cui un carico 2, 102 è collegato attraverso il circuito primario di un induttore accoppiato 3 ad un amplificatore di potenza 1 (Fig. 2B) o ad un generatore 101 (Fig. 2A) , il procedimento secondo il trovato riesce a ridurre drasticamente la componente di ripple sul carico, applicando al circuito secondario 3B dell'induttore un opportuno segnale elettrico V2 (in Fig. 2A) variabile in funzione del valore di ripple rilevato sul carico, e tale da ridurre il ripple sul carico.

In altri termini, come abbiamo visto precedentemente, la condizione per avere zero ripple sul carico nel circuito di Fig. 1A, equivalente a quella di Fig. 1D, è che

Ora, applicando al circuito secondario 3B dell'induttore 3 una tensione V2 modulata, essendo costante la tensione del generatore 101, ovvero dell'amplificatore 1, si riesce a controllare l'induttanza dell'induttore 3, modificando il valore del parametro "a" del termine a

con il valore di L2 dato, in modo tale da soddisfare la condizione necessaria ad ottenere la desiderata riduzione del ripple.

Ε' da sottolineare che il procedimento secondo l'invenzione tiene conto delle possibili variazioni di L.2 , ad esempio, dovute ad un diverso carico, alla temperatura, in quanto la tensione V2 viene modificata automaticamente e con continuità in relazione al valore di ripple rilevato sul carico 2, 102.

In Fig. 2B è mostrato un dispositivo atto ad implementare il procedimento di cui sopra, il circuito di Fig. 2B comprende un convenzionale amplificatore di potenza switching 1 che può essere del tipo a modulazione, o di durata (PWM) o di frequenza, collegato ad un carico 2 alimentato in corrente continua, ad esempio un motore passo-passo o "brushless'', un amplificatore a carico resistivo, o un generico attuatore elettromeccanico. Tra l'amplificatore 1 ed il carico 2 è previsto l'induttore accoppiato 3, il cui circuito primario 3A é connesso al carico 2, il secondario 3B è collegato ad una linea secondaria, indicata complessivamente con 10, ed il capo comune 3C viene comandato dall'amplificatore di potenza principale 1. Collegati alla linea 5 del carico sono previsti primi mezzi 6, atti ad acquisire il segnale applicato al carico, e mezzi 7 atti ad estrarre la componente di ripple da tale segnale. La linea secondaria 10 collegata al circuito secondario 3B dell'induttore 3 comprende un secondo amplificatore 4 di potenza ridotta rispetto al principale, atto ad elaborare solo la componente di ripple "estratta" dai mezzi 6 e 7 dal segnale applicato al carico. Nella particolare forma di realizzazione di Fig. 2B i mezzi 6,7 e l'amplificatore 4 sono collegati tra loro in un anello di retrazione negativo 6A. I mezzi per l'acquisizione del segnale applicato al carico possono prevedere un semplice cavo elettrico 6A (come rappresentato in Fig. 1) tramite il quale prelevare la tensione o la corrente presente sul carico 2, oppure un usuale rilevatore di flusso magnetico presente sull'induttore stesso. Al tal fine potrebbe ad esempio essere utilizzato un sensore ad effetto Hall. In tal modo il circuito primario collegato al carico verrebbe disaccoppiato rispetto alla linea secondaria collegato al secondario dell'induttore 3. Ciò è particolarmente vantaggioso nel caso di alte tensione o correnti di alimentazione. I mezzi 7 di elaborazione della componente di ripple possono essere degli usuali filtri passa banda e/o passa alto, atti ad estrarre dal segnale sul carico la componentè alternata. Più in particolare, si possono utilizzare filtri passabanda centrati sulla frequenza di switching dell'amplificatore principale 1 o filtri passa alto che non penalizzano le variazioni "veloci" di potenza al carico.

Il segnale di ripple viene quindi amplificato e modificato in fase in modo da risultare tale da annullare la componente di ripple presente nel segnale alimentato al carico. A tal fine il segnale in uscita dall’amplificatore secondario 4, attraverso un condensatore di accoppiamento 9, viene inviato al circuito secondario 3B dell'induttore 3 in modo tale che la componente di ripple del segnale alimentato al carico venga scaricata sul secondario, ovvero> scaricata a massa, o sul positivo dell'alimentazione dell'amplificatore secondario 4.

L'invenzione consente quindi di ottenere un ottimale riduzione del ripple che viene, sostanzialmente, forzato a zero mediante l'applicazione di un opportuno valore di tensione o corrente imposto sul secondario.

E' da sottolineare che la retroazione negativa potrebbe essere affiancata da una retroazione positiva <"feed forward"); in tal caso, grazie ad un noto circuito di tipo a microprocessore si potrebbe, noti i parametri di funzionamento dell'induttore, prevedere il segnale in uscita dal primario 3A dell'induttore, sulla base del segnale presente sul secondario.

E' da sottolineare che per l'implementazione del dispositivo si possono utilizzare componenti convenzionali i cui parametri non devono essere selezionati secondo formule particolari come avviene nella tecnica di ''zero-ripple " , e che il dispositivo può funzionare in ogni condizione di carico e/o esterna.

E' da rilevare, inoltre, che l'amplificatore secondario non deve gestire tutta la potenza trasmessa al carico, ma solo quella parte che riguarda il ripple che, generalmente, é dell'ordine del 10% della potenza alimentata; é quindi possibile utilizzare amplificatori secondari di bassa potenza, costo ed ingombro; tali amplificatori possono essere sia di tipo lineare che switching.

Grazie all'invenzione si riesce ad alimentare il carico con un segnale sostanzialmente esente da rumore; inoltre, utilizzando in un anello di retroazione la corrente e la tensione di uscita del carico, grazie all’assenza di ripple, é possibile ottenere dei guadagni di anello e di larghezza di banda molto elevati.

Nelle Figg. 4 e 5 é mostrato, a titolo di esempio, una possibile forma di realizzazione dell'invenzione comprendente, un convenzionale amplificatore di potenza switching, indicato complessivamente con 1, (che non viene descritto in dettaglio in quanto del tutto convenzionale per l'esperto del ramo). L'amplificatore 1 é collegato ad un carico 2, ché nell'esempio é un carico resistivo, attraverso un induttore accoppiato 3.

Il segnale sul carico viene prelevato sotto forma di tensione da mezzi di acquisizione 6, nell'esempio un ramo 6A in parallelo al carico, ed è inviato ai mezzi di elaborazione 7, nell'esempio un condensatore in serie ad una resistenza, ed all'amplificatore secondario 4, nell'esempio di tipo lineare. L'uscita 7A dell'amplificatore é collegata attraverso un convenzionale interruttore 8 al circuito secondario 3B dell’induttore 3.

In Fig. 3B é mostrato l'andamento della tensione V3, rilevato sperimentalmente sul carico 2, quando il dispositivo secondo l'invenzione non é inserito e con una tensione Vi di uscita dell'amplificatore 1 del tipo rappresentata in Fig. 3A. In Fig. 3E é mostrato invece l'andamento rilevato per la tensione V3 sul carico 2 quando il dispositivo secondo l'invenzione é inserito. In Fig. 3C é indicato l'andamento rilevato per la tensione V2 fornita al circuito secondario dell’induttore 3 dal secondo amplificatore 4. Come appare evidente, confrontando le Figg. 3B e 3C, qualora si sottragga al segnale di Fig. 3B, quello di Fig. 3C si ottiene il segnale costante, privo di ripple, di Fig. 3E. Nelle Figg. 3D e 3F sono infine rappresentati gli andamenti rilevati per la tensione V5 in uscita dal secondo amplificatore 4, rispettivamente, con trovato inserito e non inserito .

Come si deduce dai grafici di Figg. 3A-F quando il dispositivo secondo l'invenzione é inserito, il rumore in uscita sul carico si riduce a 100 milli V dai 10 V misurabili a dispositivo non inserito (la tensione si intende tensione picco-picco).

E' inoltre stato rilevato che a fronte di una potenza fornita al carico di 94 W la potenza dissipata sull'amplificatore secondario é risultata di circa 5 W (la misura é stata fatta misurando il salto termico su un dissipatore con resistenza termica nota). I risultati di cui sopra potrebbero essere ulteriormente migliorati utilizzando al posto dell'amplificatore secondario lineare 4 di Fig. 4 un amplificatore switching.

E' stato inoltre verificato che l'effetto di cancellazione del ripple fosse effettivamente introdotto dal dispositivo secondo l'invenzione, e non da un eventuale effetto di filtraggio, introdotto dal condensatore di accoppiamento 9. Ciò é stato fatto ponendo a massa l'ingresso dell'amplificatore secondario 4 e connettendo attraverso il condensatore l'uscita di tale amplificatore con il circuito secondario dell'induttore 3. In tal caso la tensione V3 sul carico risulta la stessa di Fig. 3B.

In Fig. 7 é rappresentato un circuito del tutto simile a quello di Fig. 4 (la parte relativa all'amplificatore 1 é stato omessa in quanto é identica a quella di Fig. 4). L'unica differenza rispetto al circuito di Fig. 4 sta nel fatto che l'induttore 4 non é più del tipo accoppiato, ma presenta una sola bobina 3D, avente induttanza uguale a quella delle bobine 3A-B di Fig. 4. Si é rilevato sperimentalmente che anche se il circuito di retroazione é collegato direttamente a valle dell'induttore 3D e non ad un circuito secondario, si ottengono risultati paragonabili a quelli precedentemente presentati. Tale dispositivo ad induttore singolo è particolarmente adatto quando il carico è alimentato con potenze ridotte.

In Fig. 6 è mostrata una variante, rispetto allo schema delle figure 4,5 in cui l'uscita dell'amplificatore secondario 4 è collegata al circuito secondario 3B dell'induttore 3 attraverso un primo (Z3) ed un secondo componente (Zi) che possono essere di tipo capacitivo, induttivo, o corto circuito, ed in cui è previsto un terzo componente Z2 collegato a massa tra i primi due. Tale terzo componente può essere capacitivo, induttivo, un circuito aperto, o il secondario di un trasformatore come rappresentato in Fig. 6A. La scelta di uno o l'altro delle diverse tipologie di componenti è legato solo al particolare amplificatore secondario utilizzato e non inficia il funzionamento del dispositivo. Uno schema analogo a quello di Fig. 6 è valido anche quando l'induttore accoppiato viene sostituito da un induttore singolo come in Fig. 7.

Ε' da sottolineare che il dispositivo secondo l'invenzione può essere realizzato sia in modo da accoppiarsi e ridurre il ripple di amplificatori di potenza switching già utilizzati, sia per realizzare amplificatori di potenza switching con riduzione del ripple.

E' da sottolineare infine che un dispositivo secondo il trovato può essere utilizzato per ridurre il ripple del segnale in uscita da un generico convertitore di potenza collegato ad un carico attraverso una linea comprendente un induttore, del tipo, ad esempio, descritto in fig.

1A. Il convertitore può essere, ad esempio, del tipo descritto negli articoli precedentemente citati, oppure del tipo atto a trasformare un segnale elettrico alternato in un altro segnale alternato con caratteristiche diverse, o un segnale continuo in alternato o viceversa, un segnale alternato in continuo.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la riduzione della componente di ripple del segnale alimentato ad un carico (2) da convertitore di potenza (1), attraverso una linea di alimentazione (5) comprendente almeno un induttore (3), caratterizzato dal fatto di prevedere, mezzi (6) di acquisizione del segnale alimentato al carico, mezzi (7) per estrarre da tale segnale la componente di ripple, e che sono previsti, collegati a detto induttore, mezzi (4) atti a generare un segnale elettrico (V2) alimentato a detto induttore, detti mezzi (4), atti a generare il segnale elettrico (V2) variando automaticamente tale segnale in relazione al valore della componente di ripple rilevata sulla linea di alimentazione, in modo da ridurre la componente di ripple nel segnale alimentato al carico.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il convertitore di potenza è un primo amplificatore di potenza svitching (1).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'induttore è del tipo accoppiato (3) e che il suo circuito primario (3A) è collegato al carico (2), il secondario (3B) è collegato ai mezzi (4) atti a generare il segnale elettrico atto a ridurre la componente di ripple, ed il nodo comune (3C) è collegato al convertitore di potenza (1).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi atti a generare il segnale elettrico alimentato all'induttore (3B) comprendono un secondo amplificatore di potenza (4), avente potenza inferiore rispetto al primo.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi (4) atti a generare il segnale elettrico alimentato all'induttore ricevono come ingresso un segnale relativo alla componente di ripple estratto dai mezzi (7) atti ad estrarre tale segnale.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di acquisizione (6), di estrazione (7), e quelli (4) atti ad alimentare l'induttore, sono collegati in un anello di retroazione.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi per estrarre la componente di ripple comprendono almeno un elemento di filtraggio (7) del tipo passa alto o passa banda.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i mezzi (6) di acquisizione del segnale alimentato al carico (2) sono disaccoppiati dalla linea di alimentazione.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi (6) di acquisizione del segnale alimentato al carico (2) sono direttamente collegati alla linea di alimentazione .
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi atti a prevedere il segnale alimentato al carico, sulla base del segnale rilevato sul circuito secondario (3B) dell'induttore.
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il segnale elettrico alimentato all'induttore è un segnale di corrente o tensione alternato e periodico.
12. 12. Amplificatore di potenza switching, caratterizzato dal fatto di prevedere collegato alla sua linea di uscita un dispositivo per la riduzione della componente di ripple presente nel segnale di alimentazione fornito ad un carico da detto amplificatore, tale dispositivo essendo conforme ad una delle rivendicazioni da 1 a 11.
13. 13. Procedimento per la riduzione della componente di ripple del segnale alimentato ad un carico da un primo amplificatore di potenza switching, attraverso una linea di alimentazione comprendente almeno un induttore, caratterizzato dal fatto di prevedere una prima fase di estrazione della compónente di ripple dal segnale alimentato al carico, e una seconda fase in cui si alimenta l'induttore con un segnale elettrico, tale segnale elettrico venendo variato automaticamente in relazione al valore della componente di ripple estratta, in modo da ottenere una riduzione della componente di ripple nel segnale alimentato al carico .
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13 caratterizzato dal fatto che il segnale elettrico è alimentato al circuito secondario (3B) di un induttore accoppiato.
15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 13 caratterizzato dal fatto di prevedere una retroazione negativa della componente di ripple estratta dal segnale alimentato al carico.