ITMI990257A1

ITMI990257A1 - Circuito elevatore di tensione continua per l'alimentazione di unapparecchio a batteria

Info

Publication number: ITMI990257A1
Application number: IT1999MI000257A
Authority: IT
Inventors: Edoardo Botti; Fabrizio Cassani
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-10
Also published as: US6307357B1; IT1308597B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un circuito elevatore di tensione continua di alimentazione come è definito nel preambolo della rivendicazione 1.

Uno dei fattori che incidono sul successo commerciale di apparecchi di largo consumo alimentati a batteria, come le autoradio e i radioregistratori portatili, è senza dubbio la potenza di uscita. La potenza d'uscita dipende, oltre che dalle caratteristiche elettriche dell'apparecchio, dalla tensione di alimentazione. Ad esempio, nel caso di un amplificatore audio a più canali per autoradio, dati il numero dei canali, la conformazione degli stadi finali e l'impedenza degli altoparlanti, l'unico modo per aumentare la potenza d'uscita è aumentare la tensione di alimentazione. La tensione d'alimentazione, d'altra parte, è determinata, nel caso delle autoradio, dalla tensione della batteria dell'autoveicolo e, nel caso degli apparecchi portatili, dalla quantità e dalla capacità delle pile che, a loro volta, sono determinate in base a considerazioni di peso e d'ingombro.

Per aumentare la tensione d'alimentazione è noto ricorrere a convertitori cc/cc in grado di convertire una tensione continua in ingresso in una tensione continua più elevata in uscita (step-up DC-DC converter). Un'applicazione di un convertitore di questo tipo ad un amplificatore è rappresentata nella figura 1. Una sorgente di tensione continua 10, per esempio una batteria di autoveicolo avente tra i suoi terminali positivo e negativo una tensione di 14V durante il funzionamento del generatore dell'autoveicolo, è applicata a un circuito elevatore di tensione 8 comprendente un converitore cc/cc 11 capace di fornire in uscita una tensione continua di 18V. Si noti che, nel caso di un sistema per autoradio, passare da 14V a 18V è conveniente in quanto consente di ottenere significativi aumenti della potenza di uscita (intorno al 60%) utilizzando amplificatori audio realizzati in circuito integrato con tecnologia standard. Volendo tensioni superiori a 20V si dovrebbero utilizzare per gli amplificatori integrati tecnologie speciali con notevole aumento dei costi di produzione.

La tensione presente all'uscita del convertitore 11, che è anche l'uscita del circuito elevatore, è applicata ad un sistema amplificatore audio di potenza 12, ad esempio del tipo a <' >4 canali con ciascun canale costituito da due amplificatori da 30W collegati tra loro a ponte. Nel circuito elevatore 8 è previsto un circuito che sente la tensione d'uscita tramite un partitore di tensione Rfl e Rf2 e la stabilizza.

La distribuzione delle potenze in gioco per un sistema del tipo sopra descritto, con una tensione di batteria di 14V e un dimensionamento del convertitore 11 tale da ottenere una tensione in uscita di 18V, è indicata nella figura 2. Come si vede, per avere una potenza di uscita di 60W per canale, è necessario un convertitore cc/cc 11 da 300W, cioè un complesso circuitale di grandi dimensioni con componenti in grado di funzionare a potenza elevata e perciò relativamente costoso. Come è indicato, la potenza dissipata Pdiss da un convertitore di questo genere è tipicamente di circa 30W. Dello stesso valore è la potenza dissipata dall'amplificatore 12.

Lo scopo della presente invenzione è di proporre un circuito elevatore di tensione continua adatto all'impiego in sistemi del tipo sopra descritto che, a parità di potenza fornita all'apparecchio da alimentare, abbia dimensioni più contenute, sia più economico ed abbia un rendimento migliore.

Tale scopo viene conseguito realizzando il circuito elevatore definito e caratterizzato in generale nella prima rivendicazione.

L'invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma d'esecuzione esemplificativa e pertanto in nessun modo limitativa in relazione agli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 è uno schema a blocchi di un sistema amplificatore audio di potenza secondo la tecnica nota,

la figura 2 è uno schema che mostra la distribuzione di potenza nel sistema della figura 1, - la figura 3 è uno schema a blocchi di un sistema amplificatore audio di potenza che utilizza un circuito elevatore di tensione secondo 1 'invenzione,

la figura 4 è uno schema che mostra la distribuzione di potenza nel sistema della figura 3, - la figura 5 è uno schema, in parte circuitale e in parte a blocchi, del sistema della figura 3 e - la figura 6 è uno schema, in parte circuitale e in parte a blocchi, che mostra una variante del circuito elevatore di tensione secondo l'invenzione.

Come si vede nella figura 3, dove elementi uguali a quelli della figura 1 sono indicati con gli stessi numeri o simboli di riferimento, un convertitore cc/cc 11' ha i terminali d'ingresso a+ e a- collegati ai terminali d'ingresso in+ e in- del circuito elevatore 8, cioè alla batteria 10, come nel sistema noto, ma l'uscita collegata diversamente. Più in particolare, il terminale di uscita a tensione più bassa, indicato con u-, è collegato al terminale d'ingresso a tensione più alta, indicato con in+, del circuito elevatore 8 e il terminale d'uscita a tensione più alta, indicato con u+, è collegato ad un terminale d'uscita out+ del circuito elevatore, e perciò ad un terminale d'ingresso dell'amplificatore audio di potenza 12. Inoltre, il terminale d'ingresso in- del circuito elevatore 8 collegato al terminale a tensione più bassa della batteria, è collegato direttamente all'altro terminale d'uscita out- del circuito elevatore, che è collegato all'altro terminale d'ingresso dell'amplificatore 12. Con questa struttura circuitale la tensione d'uscita del circuito elevatore 8 è la somma della tensione d'ingresso, cioè quella della batteria, indicata con Vb, e della tensione d'uscita Vc del convertitore. In questa forma d'esecuzione il convertitore 11' è del tipo con tensione d'uscita minore della tensione d'ingresso (step-down converter), ma la stessa struttura circuitale può essere messa in pratica con un convertitore del tipo con tensione d'uscita maggiore della tensione d ' ingresso (step-up converter) se si vuole una tensione d'alimentazione uguale almeno al doppio della tensione della batteria.

Secondo una forma d'esecuzione vantaggiosa dell'invenzione, il convertitore 11' presenta un terminale di abilitazione ENB e mezzi, non mostrati nella figura 3, per collegare il terminale d'ingresso a+ al terminale d'uscita u+ in risposta ad un segnale sul terminale ENB che disabilita il convertitore.

Supponendo ancora di avere una tensione di batteria di 14V e una tensione d'ingresso all'amplificatore di 18V, per avere una potenza d'uscita di 4 x 60W con lo stesso amplificatore audio 12 del sistema secondo l'arte nota, come è mostrato nella figura 4, è sufficiente un convertitore cc/cc 11' con una tensione di uscita di 4V in grado di erogare una potenza di 70W. La potenza viene fornita all'amplificatore 12 in parte direttamente dalla batteria 10 (205W) e in parte dal convertitore (65W). La potenza dissipata dal convertitore 11' è in questo caso tipicamente non superiore a 5W.

I vantaggi che derivano dall'impiego del circuito elevatore secondo l'invenzione sono evidenti. Infatti, a parità di potenza audio di uscita, si può utilizzare un convertitore cc/cc meno potente di quello della tecnica nota. Ciò comporta una minore potenza dissipata complessiva e cioè un migliore rendimento, dimensioni più contenute e componenti meno costosi.

Un esempio pratico di esecuzione del convertitore cc/cc, di per sé noto, per il sistema amplificatore della figura 3 è rappresentato in forma schematica nella figura 5. Un interruttore elettronico comandato, in questo esempio un transistore MOSFET di potenza Tr, ha l'elettrodo di source collegato al terminale d'ingresso a- e l'elettrodo di drain collegato, attraverso il primario 13 di un trasformatore Tf, al terminale d'ingresso a+ del convertitore. Il transistore Tr è comandato sul suo elettrodo di gate da un circuito di comando in commutazione 15, per esempio un controllore a modulazione di larghezza d'impulsi (PWM) che comprende mezzi di regolazione (non mostrati) collegati al terminale intermedio del partitore Rf1, Rf2. Il secondario 14 del trasformatore Tf è collegato tra il terminale d'ingresso a+ e l'anodo di un diodo D, il cui catodo è collegato al terminale d’uscita u+ del convertitore. Tra i terminali di uscita del convertitore è collegato un condensatore C.

Il circuito di comando 15 genera un segnale impulsivo che provoca alternativamente la chiusura e l'apertura dell'interruttore elettronico, cioè la conduzione e l'interdizione del transistore Tr. Ciò provoca la formazione di una corrente alternata sul secondario del trasformatore Tf la cui frequenza e ampiezza efficace dipendono dalla frequenza e dal duty-cycle del segnale impulsivo di comando. Il diodo D e il condensatore C raddrizzano e livellano, rispettivamente, la corrente alternata, per cui sull'uscita del convertitore si ha una tensione continua Vc. La retroazione fornita dal partitore di tensione Rf1 Rf2 al circuito di comando 15 stabilizza la tensione d'uscita. Un segnale sul terminale di abilitazione ENB agisce sul circuito di comando 15 in modo da impedire che il transistore Tr venga portato in conduzione. In queste condizioni l'amplificatore audio 12 è alimentato solo dalla tensione Vb della batteria diminuita della caduta di tensione sul diodo in diretta (circa 0,7V). E' così possibile scegliere se utilizzare l'amplificatore alla massima potenza o a una potenza ridotta, secondo le esigenze.

Secondo una variante dell'invenzione, al posto del trasformatore Tf si può utilizzare un autotrasformatore avente un unico avvolgimento con una presa intermedia.

Secondo un'altra variante, rappresentata nella figura 6, al posto di un trasformatore Tf con rapporto di trasformazione 1:1 si può utilizzare un induttore L e collegare l'anodo del diodo direttamente all'elettrodo di drain del transistore Tr . Si ottiene così un'ulteriore semplificazione della struttura circuitale e un ulteriore risparmio nei costi.

Si noti infine che, grazie alle più basse potenze in gioco nel convertitore, anche l'irraggiamento a radiofrequenza dovuto alla commutazione dell'interruttore elettronico è notevolmente ridotto col circuito elevatore secondo 1 'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito elevatore di tensione continua (8) per l'alimentazione di un apparecchio (12) a batteria (10) comprendente un primo (in+) e un secondo (in-) terminale d'ingresso per il collegamento alla batteria (10), un primo (out+) e un secondo (out-) terminale d'uscita per il collegamento all'apparecchio (12) e un convertitore cc/cc (11.',) avente un primo (a+) e un secondo (a-) terminale d'ingresso collegati, rispettivamentè, al primo (in+) e al secondo (in-) terminale d'ingresso del circuito elevatore e un primo (u+) e un secondo (u-) terminale d'uscita, caratterizzato dal fatto che il secondo (out-) terminale d'uscita del circuito elevatore (8) è collegato al secondo (in-) terminale d'ingresso del circuito elevatore (8), il secondo (u-) terminale d'uscita del convertitore cc/cc (111) è collegato al primo (in+) terminale d'ingresso del circuito elevatore (8) e il primo (u+) terminale d'uscita del convertitore cc/cc (111) è collegato al primo (out+) terminale d'uscita del circuito elevatore (8), per cui, nel funzionamento, la tensione d'uscita del circuito elevatore (8) è la somma della tensione d'ingresso (Vb) del circuito stesso e della tensione d'uscita (Ve) del convertitore cc/cc (11').
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui il convertitore cc/cc (11') è del tipo a tensione d'uscita minore della tensione d'ingresso.
3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il convertitore cc/cc (11') presenta un terminale di abilitazione (ENB) e mezzi per collegare il primo terminale d'ingresso (in+) del circuito elevatore (8.) al primo terminale d'uscita (out+) del circuito stesso in risposta a un segnale sul terminale di abilitazione (ENB) che disabilita il convertitore cc/cc (11').
4 . circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il convertitore cc/cc (11') comprende un interruttore elettronico comandato (Tr), un circuito di comando (15) dell'interruttore elettronico, un trasformatore (Tf) con un primo (13) e un secondo (14) avvolgimento, un diodo (D) e un condensatore (C), l'interruttore elettronico (Tr) essendo collegato in serie al primo avvolgimento (13) del trasformatore (Tf) tra il primo (a+) e il secondo (a-) terminale d'ingresso del convertitore cc/cc (11'), il secondo avvolgimento (14) del trasformatore (Tf) essendo collegato in serie al diodo (D) tra il primo terminale d'ingresso (a+) del convertitore (11 ) e il primo terminale d’uscita (u+) del convertitore cc/cc (11') e il condensatore (C) essendo collegato tra il primo (u+) e il secondo (u-) terminale d'uscita del convertitore cc/cc (11').
5. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui il trasformatore (Tf) è un autotrasformatore e il primo e il secondo avvolgimento sono parti di un unico avvolgimento .
6. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il convertitore cc/cc (11') comprende un interruttore elettronico comandato (Tr) un circuito di comando (15) dell'interruttore elettronico, un induttore (L), un diodo (D) e un condensatore (C), l'interruttore elettronico (Tr) essendo collegato in serie all'induttore (L) tra il primo (a+) e il secondo (a-) terminale d'ingresso del convertitore di'), il diodo (D) essendo collegato tra il punto di giunzione dell'interruttore elettronico (Tr) con l'induttore (L) e il primo terminale d'uscita (u+) del convertitore (11') e il condensatore (C) essendo collegato tra il primo (u+) e il secondo (u-) terminale d'uscita del convertitore cc/cc (111).
7. Circuito secondo la rivendicazione 4 o la rivendicazione 5, in quanto dipendenti dalla rivendicazione 3, in cui il terminale di abilitazione (ENB) è collegato al circuito di comando (15) dell'interruttore elettronico (Tr) e i mezzi per collegare il primo terminale d'ingresso (in+) al primo terminale d'uscita (out+) del circuito comprendono il secondo avvolgimento (14) del trasformatore (Tf) e il diodo (D) in serie. 8. Circuito secondo la rivendicazione 6, in quanto dipendente dalla rivendicazione 3, in cui il terminale di abilitazione (ENB) è collegato al circuito di comando (15) dell'interruttore elettronico (Tr) e i mezzi per collegare il primo terminale d'ingresso (in+) al primo terminale di uscita (out+) del circuito comprendono l'induttore (L) e il diodo (D) in serie.
8 . Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente un sensore (Rfl, Rf2) di tensione tra il primo (out+) e il secondo (out-) terminale d'uscita del circuito (8) e mezzi di regolazione nel circuito di comando (15) sensibili alla tensione rivelata dal sensore (Rfl, Rf2) per stabilizzare la tensione tra il primo (out+) e il secondo (out-) terminale d'uscita del circuito