ITTO20090465A1 - Circuito e metodo di controllo della corrente media di uscita di un convertitore di potenza dc/dc - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“CIRCUITO E METODO DI CONTROLLO DELLA CORRENTE MEDIA DI USCITA DI UN CONVERTITORE DI POTENZA DC/DC”

La presente invenzione è relativa ad un circuito e metodo di controllo della corrente media di uscita di un convertitore di potenza DC/DC, in particolare un convertitore in configurazione buck invertito di alimentazione di diodi LED per illuminazione stradale.

Come è noto, per ridurre il ripple sui LED di tali sistemi di illuminazione, i LED sono generalmente alimentati tramite convertitore buck operante in modalità a conduzione continua CCM (Continuous Current Mode) e includente un dispositivo di commutazione, in generale un MOSFET, che viene comandato (″driven″) con da un segnale avente un duty-cycle tale da controllare la corrente fluente nei diodi LED.

Inoltre, dato che la corrente di polarizzazione diretta dei diodi LED è fortemente dipendente dalla temperatura d’esercizio e dalla sua tensione di polarizzazione diretta, per garantire una illuminazione uniforme ed una lunga durata dei LED, è stato già proposto di controllare il duty-cycle del dispositivo di commutazione in modo da mantenere costante la corrente media fluente nei diodi. A tale scopo, il convertitore comprende un sensore che rileva direttamente o indirettamente la corrente fluente nei diodi.

In particolare, secondo una prima soluzione, un sensore resistivo è posto in serie ai LED e genera un segnale in tensione proporzionale alla corrente fluente nei LED. Il segnale in tensione viene acquisito tramite un amplificatore operazionale e filtrato a bassa frequenza in modo da determinare il valore medio della corrente che, attraverso un controllore PID, controlla il duty-cycle del dispositivo di commutazione. In questa soluzione, la tecnica di controllo può essere sia digitale che analogica, ma richiede l'utilizzazione di componenti ad alta tensione in ingresso e appositi circuiti di filtraggio.

Secondo una differente soluzione, il sensore resistivo è posto in serie al dispositivo di commutazione. Per poter ricavare l’informazione sul valor medio di corrente le più comuni tecniche di controllo prevedono soluzioni sia digitali che analogiche.

Le tecniche di controllo analogico prevedono un filtraggio a bassa frequenza del segnale di tensione generato dal sensore resistivo durante il tempo di accensione del dispositivo di commutazione. Tuttavia questa metodologia risulta inadeguata per misure accurate di corrente. Esistono inoltre metodologie di controllo sul valore di picco ma queste non sono in grado di controllare con esattezza il valore medio.

Digitalmente è possibile ricostruire l’andamento della corrente e stimare il valore medio, mediante campionamento e conversione, misurando il valore di corrente minimo e massimo e stimando la pendenza della rampa di corrente secondo le note equazione di corrente d’induttanza in un convertitore Buck in modo continuo.

Tuttavia la stima di questi valori di corrente con estrema precisione richiede delle velocità di conversione non sempre realizzabili con controllori digitali “general purpose” ed a costo contenuto.

Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione una soluzione che consenta il controllo della corrente media nei LED in modo semplice e preciso, consentendo una implementazione a basso costo, senza ridurre le prestazioni del sistema di illuminazione.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un circuito e metodo di controllo della corrente media di uscita di un convertitore di potenza DC/DC, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 9.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è uno schema circuitale di una forma di realizzazione del presente circuito di controllo;

- la figura 2 mostra uno schema a blocchi semplificato dell'unità di controllo nel circuito di figura 1;

- la figura 3 illustra l'andamento di alcune grandezze nel circuito di figura 1;

- la figura 4 mostra una possibile implementazione dell'unità di controllo di figura 2;

- la figura 5 mostra uno schema a blocchi di uno stadio dell'unità di controllo di figura 4;

- la figura 6 mostra una differente forma di realizzazione del presente circuito di controllo;

- la figura 7 mostra un'altra forma di realizzazione del presente circuito di controllo; e

- la figura 8 mostra un dispositivo di illuminazione stradale utilizzante il presente circuito.

La figura 1 mostra un dispositivo di illuminazione 1 comprendente una schiera di diodi LED 2, collegati reciprocamente in serie; un convertitore buck 3, avente un primo ed un secondo terminale di uscita 4, 5, ed un'unità di controllo 6.

In dettaglio, il primo terminale di uscita 4 è collegato ad una linea di alimentazione posta ad una tensione di alimentazione Vin; l'anodo del primo diodo LED 2 della schiera è collegato al primo terminale di uscita 4 e il catodo dell'ultimo diodo LED della schiera è collegato al secondo terminale 5 del convertitore buck 3.

Il convertitore buck 3 comprende un induttore 7, collegato fra il secondo terminale di uscita 5 e un nodo di comando A, in serie alla schiera di diodi LED 2; un diodo di ricircolo 9, collegato con l'anodo al primo terminale di uscita 4 e con il catodo al nodo di comando A; un condensatore di filtro 10, collegato fra il primo terminale di uscita 4 e la massa; un transistore di commutazione 11, di tipo NMOSFET, avente terminale di pozzo collegato al nodo di comando A, terminale di porta collegato ad un nodo di duty-cycle C e terminale di sorgente collegato ad un nodo di sensing B; e un resistore di sensing 12, collegato fra il nodo di sensing B e la massa.

L'unità di controllo 6 ha un ingresso collegato al nodo di sensing B ed un'uscita collegata al nodo di dutycycle C e quindi al terminale di porta del transistore di commutazione 11.

L'unità di controllo 6 acquisisce il valore di tensione Vs ai capi del resistore di sensing 12, e quindi il valore della corrente fluente IRin questo, in un singolo istante, sempre sincronizzato allo stesso evento, al variare delle condizioni di lavoro. In particolare, il valore di corrente IRviene acquisito nell'istante centrale del tempo di conduzione del transistore di commutazione 11, come mostrato in figura 3.

Infatti, durante l'intervallo di conduzione Ton del transistore di commutazione 11, la corrente IRnel resistore di sensing 12 (figure 3b, 3c) è uguale alla corrente nell'induttore 7 e varia con la seguente legge:

IR= IL= ILmin+ ((Vin-Vout)/L)*Ton

in cui L è l'induttanza dell'induttore 7, Vin è la tensione sul terminale di ingresso del convertitore buck 3, Vout è la tensione ai capi della schiera di diodi LED 2. Il valore medio di IRsi ottiene quindi nel punto centrale dell'intervallo di conduzione Ton, istante Ts.

Con il presente circuito, ciò viene ottenuto sincronizzando i tempi di conduzione del transistore di commutazione 11 e l'istante Ts di acquisizione del valore di corrente IR. In particolare, generando i tempi di commutazione del transistore di commutazione 11 sulla base del confronto tra un segnale triangolare s1 e una soglia DC correlata al duty-cycle desiderato (figura 3a), il vertice del segnale triangolare rappresenta l'istante Ts di campionamento della corrente IR.

Il metodo di controllo sopra descritto può essere implementato con l'unità di controllo 6 mostrata in figura 2.

In dettaglio, l'unità di controllo 6 comprende sostanzialmente un campionatore 20, collegato al nodo di sensing B in modo da acquisire la tensione presente ai capi del resistore di sensing 12, quando abilitato da un segnale di campionamento Q; un circuito di calcolo del duty-cycle 21, qui un controllore PID, che, sulla base del valore di corrente fornito dal campionatore 20 calcola, in modo noto, il valore del duty-cycle e genera in uscita la soglia DC; ed uno stadio di temporizzazione o timer 22, che genera in modo sincronizzato il segnale di campionamento Q e un segnale di comando PWM alimentato al terminale di porta del transistore di commutazione 11.

Un esempio di implementazione dell'unità di controllo 6 tramite un microcontrollore è mostrata in figura 4. In tale figura, l'unità di controllo 6 comprende un'unità di elaborazione centrale CPU 25, un orologio 26, uno stadio di ingresso/uscita 27, almeno una memoria di programma 28, almeno una memoria dati 29, un convertitore A/D 30, uno stadio di temporizzazione 31 ed un regolatore di tensione 32. L'orologio 26 è collegato ad un bus 33 su cui passano i segnali digitali scambiati fra i componenti dell'unità di controllo 6; il regolatore di tensione 32 è inoltre direttamente collegato a tutte le altre unità e stadi 25-31 per la loro alimentazione.

Nell'unità di comando 6, implementata ad esempio dal microcontrollore STM8S prodotto dalla Richiedente, lo stadio di temporizzazione 31 corrisponde allo stadio 22 di figura di figura 2 ed è realizzato ad esempio nel modo descritto in figura 5. Qui, un blocco di controllo di segnali di attivazione (″trigger″) 40 riceve in ingresso un segnale di orologio interno fMalla frequenza interna di lavoro e genera in uscita un segnale di orologio CLK e il segnale di campionamento Q di tipo impulsivo. Il segnale di orologio CLK è costituito in sostanza da un'onda quadra, alla frequenza interna di lavoro o altra frequenza impostata dal blocco di controllo di segnali di attivazione 40, e agisce sia come segnale di abilitazione sia come segnale di orologio per un'unità base dei tempi TBU 41. Il segnale di campionamento Q presenta degli impulsi in corrispondenza dei picchi del segnale triangolare di figura 3a e quindi comanda l'acquisizione della tensione sul resistore di sensing 12. Preferibilmente, il segnale di campionamento Q viene fornito direttamente al convertitore ADC 30, che quindi opera come campionatore, per l'acquisizione del valore istantaneo della tensione presente sul resistore di sensing 12 nell'istante centrale del periodo di attivazione del dispositivo di commutazione 1.

L'unità base tempi 41 è costituita essenzialmente da un contatore U/D 42 e da un registro di auto-reload ARR 43 che memorizza un valore massimo di conteggio. Il valore massimo di conteggio è fornito al contatore U/D 42 in modo tale che questo, iniziando il conteggio nel momento in cui esso viene abilitato dal segnale di orologio CLK a partire da un valore iniziale, ad esempio 0, conta verso l'alto fino al raggiungimento del valore massimo indicato dal registro ARR, quindi prosegue il conteggio verso il basso fino nuovamente a zero e continua a ripetere tale ciclo di conteggio, generando di fatto in uscita un segnale di conteggio digitale COUNT corrispondente al segnale triangolare mostrato in figura 3a. Ovviamente, il valore massimo di conteggio, fornito dalla CPU 25, corrisponde al semiperiodo del segnale di campionamento Q e viene raggiunto dal contatore U/D 42 simultaneamente alla generazione di Q questo.

Il segnale di conteggio COUNT è fornito ad uno stadio comparatore 45 includente un primo registro CR 46, ricevente il segnale di conteggio COUNT, un secondo registro DCR 47, in cui è memorizzata la soglia DC correlata al duty-cycle, ed un comparatore 48, la cui uscita fornisce un segnale di comando PWM per il transistore di switching 11 di figura 2.

La figura 6 mostra una forma di realizzazione relativa al controllo di un dispositivo di illuminazione stradale 100 comprendente una pluralità di schiere di diodi LED 2. In questo caso, l'unità di controllo 6 riceve una pluralità di segnali di tensione Vs.1, Vs.2, …, Vs.n e genera una pluralità di segnali di comando PWM.1, PWM.2, …, PWM.n forniti ai transistori di commutazione 11.1, 11.2, 11.n di ciascuna schiera. Il dispositivo di illuminazione 100 di figura 6 può essere utilizzato nella lampada 200 di figura 7, comprendente una pluralità di schiere di diodi, ciascuna comprendente dieci diodi LED 2, ciascuno da 3 W.

La figura 8 mostra un dispositivo di illuminazione 300, in cui la corrente fluente attraverso l'induttore 7 viene misurata da un resistore di sensing 303 posto direttamente in serie alla schiera di diodi 2, mediante un amplificatore operazionale 301 e un convertitore di segnale 302 collegato all'unità di controllo 6.

In questo caso, l'amplificatore operazionale 301 deve essere in grado di sostenere l'alta tensione esistente sul resistore di sensing 301.

Per il resto, anche in questo caso, benché sia possibile monitorare la corrente fluente nei diodi sull'intero periodo, è sufficiente campionarla nell'istante Ts, al centro del periodo di conduzione del transistore di switching 11, come descritto sopra per la forma di realizzazione di figura 2. in alternativa, qui la corrente dell'induttore può essere campionata nel punto centrale del periodo di spegnimento del transistore di commutazione 11.

Il circuito e il metodo di controllo qui descritti presentano numerosi vantaggi.

In particolare, la sincronizzazione della lettura della corrente con l'istante centrale di conduzione (spegnimento) del transistore di switching 11 consente di ottenere direttamente il valore medio della corrente al variare delle condizioni per effetto delle variazioni della tensione di ingresso Vin e/o della tensione di uscita sui diodi LED 2.

I margini di errore nella lettura sono ridotti soprattutto nella forma di realizzazione delle figure 2 e 6, dato che non sono richiesti circuiti di condizionamento del segnale fra il convertitore buck 3 e l'unità di controllo, la cui circuiteria passiva potrebbe introdurre imprecisioni.

Il controllo descritto consente di mantenere costante il valore della corrente media al variare della temperatura o per l'invecchiamento, in quanto eventuali variazioni del valore medio della corrente vengono rilevate dall'unità di controllo 6, che, attraverso l'algoritmo di controllo del controllore PID, provvede a modificare il valore del dutycycle in modo da ripristinare il valore di corrente medio fissato in fase di progetto.

L'uso di un convertitore buck modificato con transistore di commutazione riferito direttamente a massa permette di evitare l'uso di circuiti di pilotaggio (″driver″) dedicati per il transistore di switching, e quindi permette di realizzare una soluzione a basso costo, alta affidabilità, lunga durata e basso consumo, senza inficiare le prestazioni dell'intero dispositivo di illuminazione.

Nel caso in cui il resistore di sensing 12 sia disposto in serie al transistore di switching, si ottiene inoltre un migliore compromesso fra il rapporto segnale/rumore e la potenza dissipata sul resistore di sensing 12. Il resistore di sensing 12 può avere basso valore e quindi costo inferiore.

Risulta infine chiaro che al circuito e metodo di controllo qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. In particolare, nel caso di sensore di corrente collegato direttamente all'induttore, l'istante di acquisizione del valore di corrente potrebbe essere il vertice inferiore del segnale triangolare di figura 3a.

Inoltre, l'istante di acquisizione del valore di corrente può variare rispetto all'istante teorico centrale in misura del 5-10% del relativo periodo (attivazione o disattivazione), a scapito della precisione del circuito, per cui il termine ″istante centrale″ utilizzato qui comprende anche anticipi o ritardi entro il margine sopra indicato.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di controllo della corrente media di uscita di un convertitore di potenza DC/DC (3) comprendente un dispositivo di commutazione (11), collegato fra un nodo di comando (A) e una linea a potenziale di riferimento e avente un terminale di comando configurato in modo da ricevere un segnale di comando(PWM), da condurre corrente durante periodi di attivazione ed essere spento in periodi di disattivazione; un elemento induttivo (7), collegato al nodo di comando; un sensore di corrente (12), collegato in serie all'elemento induttivo, almeno durante i periodi di attivazione del dispositivo di commutazione, e configurato in modo da rilevare una corrente di induttore; un'unità di controllo della corrente media (6) comprendente un campionatore (20) configurato in modo da acquisire la corrente di induttore in uno stesso istante intermedio dei periodi di attivazione o dei periodi di disattivazione del dispositivo di commutazione; ed un controllore di corrente media (21), collegato al campionatore e configurato in modo da generare un segnale di duty-cycle (DC).
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui l'unità di controllo della corrente media (6) comprende uno stadio di temporizzazione (22; 31), collegato al controllore (21) e configurato in modo da generare in modo sincronizzato il segnale di comando (PWM) e un segnale di abilitazione del campionatore(Q).
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il campionatore (20) è un convertitore analogico/digitale (30) comandato dallo stadio di temporizzazione (22; 31).
4. 4. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unità di controllo della corrente media (6) è realizzata tramite un microcontrollore.
5. 5. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il controllore (21) è un controllore PID.
6. 6. Circuito secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore di corrente (12) è collegato in serie al dispositivo di commutazione (11) e il campionatore (20) acquisisce la corrente di induttore negli istanti centrali dei periodi di attivazione.
7. 7. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, in cui il sensore di corrente (12) è collegato direttamente in serie all'elemento induttivo (7).
8. 8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, in cui gli istanti intermedi dei periodi di attivazione o dei periodi di disattivazione sono gli istanti centrali ±10%.
9. 9. Metodo di controllo della corrente media di uscita di un convertitore di potenza DC/DC, comprendente: collegare un elemento induttivo (7) ad una linea a potenziale di riferimento attraverso un dispositivo di commutazione (11); fornire un segnale di comando (PWM) di tipo periodico al dispositivo di commutazione per generare sequenze di periodi di attivazione e disattivazione del dispositivo di commutazione; rilevare una corrente di induttore fluente nell'elemento induttivo attraverso un sensore di corrente (12) collegato all'elemento induttivo almeno nei periodi di attivazione del dispositivo di commutazione; acquisire un valore istantaneo della corrente di induttore in uno stesso istante intermedio dei periodi di attivazione o dei periodi di disattivazione; fornire il valore istantaneo ad un controllore di duty-cycle (21); determinare una durata del periodo di attivazione in base al valore istantaneo; e generare il segnale di comando (PWM) per il dispositivo di commutazione (11) in base alla durata determinata del periodo di attivazione.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, comprendente generare in modo sincronizzato il segnale di comando (PWM) e un segnale di abilitazione (Q) della fase di acquisire il valore istantaneo.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui determinare una durata del periodo di attivazione comprende utilizzare un controllore PID (21).
12. 12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-11, in cui gli istanti intermedi dei periodi di attivazione o dei periodi di disattivazione sono gli istanti centrali ±10%.