ITUB20151055A1 - Dispositivo e metodo di controllo di un convertitore di tensione e relativo convertitore di tensione - Google Patents

Dispositivo e metodo di controllo di un convertitore di tensione e relativo convertitore di tensione Download PDF

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ITUB20151055A1
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Donato Tagliavia
Calogero Andrea Trecarichi
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?DISPOSITIVO E METODO DI CONTROLLO DI UN CONVERTITORE DI TENSIONE E RELATIVO CONVERTITORE DI TENSIONE?
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo e ad un metodo di controllo di un convertitore di tensione, e ad un corrispondente convertitore di tensione.
In particolare, la seguente trattazione far? esplicito riferimento, senza per questo perdere in generalit? ad un convertitore di tensione DC/DC (da tensione continua a tensione continua) di tipo ?buck?; si sottolinea tuttavia che quanto verr? discusso si pu? applicare in maniera analoga ad altre tipologie di convertitori di tensione, ad esempio convertitori ?buck-boost?, ?boost? o ?flyback?.
Sono noti convertitori di tensione operanti in modalit? di commutazione (cosiddetta ?switched-mode?), atti a convertire una grandezza ricevuta in ingresso, ad esempio una tensione continua (DC) proveniente da una sorgente di alimentazione, ad esempio una batteria o un dispositivo survoltore di tensione, in una grandezza regolata di uscita, ad esempio una tensione continua (DC) di valore ridotto o incrementato (a seconda della tipologia di convertitore di tensione), per l?alimentazione di un carico elettrico, ad esempio un LED o un gruppo di LED.
In modo noto, e come illustrato in figura 1, un convertitore di tensione 1, nell?esempio di tipo ?buck?, presenta un terminale di ingresso 2a, che riceve una tensione di ingresso Vin, ad esempio una tensione continua avente un primo valore (survoltato, proveniente ad esempio da una pompa di carica), ed un terminale di uscita 2b, su cui fornisce una tensione di uscita Vout, nell?esempio una tensione continua avente un secondo valore, minore del primo valore, ad un carico, qui schematicamente indicato con un resistore di carico 4.
Il convertitore di tensione 1 comprende un elemento interruttore 5, in particolare un transistore MOSFET di potenza, collegato tra il terminale di ingresso 2a ed un primo nodo interno N1; un resistore di rilevamento 6, collegato tra il primo nodo interno N1 ed un secondo nodo interno N2; un induttore 7, collegato tra il secondo nodo interno N2 ed il terminale di uscita 2b; un condensatore di uscita 8, collegato tra il terminale di uscita 2b ed un terminale di riferimento, di massa (GND); ed un diodo di ricircolo 9, avente anodo collegato al terminale di massa GND e catodo collegato al secondo nodo interno N2.
In maggiore dettaglio, l?elemento interruttore 5 presenta un primo terminale di conduzione corrente, in particolare il terminale di drain del rispettivo transistore MOSFET, collegato al terminale di ingresso 2a, un secondo terminale di conduzione corrente, in particolare il terminale di source del rispettivo transistore MOSFET, collegato al primo nodo interno N1, ed un terminale di controllo, coincidente con il terminale di gate del rispettivo transistore MOSFET.
Il convertitore di tensione 1 comprende inoltre un dispositivo di controllo 10, atto a generare un segnale di comando VGD per comandare la commutazione dell?elemento interruttore 5 in modulazione di ampiezza di impulso PWM (Pulse Width Modulation), e regolare cos? il valore della tensione di uscita Vout intorno ad un valore desiderato (come meglio descritto in seguito); il segnale di comando VGD, costituito da un treno di impulsi con periodo e duty cycle funzione dell?azione di controllo, viene fornito al terminale di gate del transistore MOSFET che realizza l?elemento interruttore 5.
In particolare, il dispositivo di controllo 10 riceve in ingresso un primo segnale di retroazione S1, indicativo di una corrente IS che scorre nel resistore di rilevamento 6 (e dunque della caduta di tensione ?Vs ai capi dello stesso resistore di rilevamento 6), ed inoltre un secondo segnale di retroazione S2, indicativo del valore della tensione di uscita Vout (in maniera non illustrata in figura 1, il segnale di retroazione S2 ? ad esempio ottenuto dalla tensione di uscita Vout con un partitore resistivo).
Il dispositivo di controllo 10 comprende uno stadio di pilotaggio 11, atto a generare il segnale di comando VGD; ed un?unit? di controllo 12, atta ad implementare un opportuno algoritmo per controllare lo stadio di pilotaggio 11 nella generazione del segnale di comando VGD, sulla base del primo e del secondo segnale di retroazione S1, S2.
In una possibile forma di realizzazione, come schematicamente illustrato nella figura 1, il dispositivo di controllo 10 ? realizzato come un circuito integrato (chip) 14, e presenta un proprio package e relativi piedini (pin) di ingresso e di uscita; tale circuito integrato pu? essere montato su uno stesso circuito stampato (PCB ? Printed Circuit Board) con i restanti componenti circuitali che realizzano il convertitore di tensione 1, in particolare l?induttore 7 ed il condensatore di uscita 8. Nella forma di realizzazione illustrata, l?elemento interruttore 5 ed il resistore di rilevamento 6 sono anch?essi realizzati in maniera integrata all?interno dello stesso circuito integrato 14; tuttavia, pu? essere previsto che anche l?elemento interruttore 5 ed il resistore di rilevamento 6 siano realizzati esternamente al circuito integrato 14 del dispositivo di controllo 10.
Ad ogni ciclo di commutazione (ovvero, ad ogni periodo del segnale di comando VGD), il dispositivo di controllo 10 comanda la chiusura dell?elemento interruttore 5 per un intervallo di accensione Ton (intervallo ?ON? del duty cycle), durante il quale attraverso l?induttore 7 circola una corrente di induttore IL linearmente crescente, che va a caricare il condensatore di uscita 8.
La corrente di induttore IL ? monitorata dal dispositivo di controllo 10 tramite il primo segnale di retroazione S1; quando lo stesso primo segnale di retroazione S1 raggiunge una soglia superiore prefissata dall?anello di controllo, funzione della differenza (o errore) tra il valore della tensione di uscita Vout (monitorato per il tramite del secondo segnale di retroazione S2) ed una tensione di riferimento interna, l?unit? di controllo 12 comanda, attraverso lo stadio di pilotaggio 11, l?apertura dell?elemento interruttore 5, dando inizio all?intervallo di spegnimento Toff (intervallo ?OFF? del duty cycle).
La corrente di induttore IL decresce quindi linearmente da un valore massimo, di picco, IL_peak raggiunto al termine dell?intervallo di accensione Ton fino ad un valore minimo, di valle, IL_val che viene raggiunto al termine dell?intervallo di spegnimento Toff.
In particolare, la successiva chiusura dell?elemento interruttore 5 (e l?avvio del periodo di accensione Ton del seguente ciclo di commutazione), pu? essere determinato dal dispositivo di controllo 10 mediante vari algoritmi di controllo. Ad esempio, il controllo pu? avvenire a frequenza di commutazione costante, con il termine dell?intervallo di spegnimento Toff sincronizzato da un segnale di clock; oppure pu? essere a frequenza variabile, con una durata costante dell?intervallo di spegnimento Toff (analogamente, potrebbe essere invece costante l?intervallo di accensione Ton), o ancora potrebbe essere previsto un controllo in cui venga mantenuto costante il prodotto Vout?Toff tra la tensione di uscita Vout e la durata dell?intervallo di spegnimento Toff.
In ogni caso, indipendentemente dal particolare algoritmo di controllo implementato, la logica di controllo prevede che, successivamente alla chiusura dell?elemento interruttore 5, la durata dell?intervallo di accensione Ton non possa essere minore di un valore opportuno che non pu? essere pari a zero (nel seguito indicato con intervallo minimo Ton_min). In altre parole, viene implementato un intervallo di ?blanking? all?interno del quale eventuali eventi che altrimenti determinerebbero l?avvio del successivo intervallo di spegnimento Toff (in base all?algoritmo di controllo implementato, nell?esempio il superamento della soglia superiore da parte della corrente di induttore IL) vengono trascurati; l?intervallo temporale di ?blanking? viene implementato in quanto l?informazione associata al primo segnale di retroazione S1 (fornita dal resistore di rilevamento 6) non pu? essere considerata attendibile durante tale intervallo temporale.
Una tale soluzione di controllo presenta alcuni inconvenienti, in particolare nel caso in cui si verifichi un cortocircuito in uscita, in corrispondenza del terminale di uscita 2b; in figura 1, tale cortocircuito ? rappresentato da una resistenza di cortocircuito RSHORT in parallelo alla resistenza di carico 4.
In tal caso, durante l?intervallo di accensione Ton, la corrente di induttore IL che circola nell?induttore 7 cresce con la massima pendenza possibile (dato che la tensione di uscita Vout ? nulla o prossima a zero), potendo raggiungere il valore di picco IL_peak in un intervallo temporale minore dell?intervallo minimo Ton_min.
Inoltre, in questa stessa condizione di cortocircuito, l?induttore 7 si scarica con una pendenza prossima a zero, data da: (Vout+Vf)/L, dove il valore della tensione di uscita Vout ? prossimo a zero, a causa del cortocircuito, Vf ? la caduta di tensione ai capi del diodo di ricircolo 9 in condizione di conduzione (di valore basso, dato che normalmente il diodo di ricircolo 9 ? di tipo Schottky), e L ? l?induttanza dell?induttore 7.
Pertanto, dato che l?elemento interruttore 5 non pu? comunque essere spento prima del termine dell?intervallo minimo Ton_min, e che la scarica avviene molto lentamente, la corrente di induttore IL pu? raggiungere valori anche molto pi? elevati del valore di picco IL_peak atteso, anche solo dopo un numero limitato di cicli di commutazione, con conseguenti possibili danni al convertitore di tensione 1 ed in particolare all?induttore 7.
Per ovviare a tale problema, ed evitare danni ai componenti del sistema, una possibile soluzione pu? prevedere di impostare una seconda corrente di soglia, superiore alla massima corrente di picco IL_peak che l?applicazione prevede in condizioni di funzionamento normali per la corrente di induttore IL. Al raggiungimento di tale seconda corrente di soglia, il dispositivo di controllo 10 pu? forzare lo spegnimento del convertitore di tensione 1.
Questa soluzione interviene tuttavia solamente dopo che la corrente di induttore IL ha raggiunto la seconda soglia di corrente, ovvero quando la stessa corrente di induttore IL presenta valori potenzialmente distruttivi, senza dunque essere in grado di impedire che un tale evento si verifichi.
Lo svantaggio di questa soluzione consiste dunque nel fatto che, a causa di inevitabili ritardi nella catena di controllo del sistema, tra il momento del rilevamento della condizione di cortocircuito e l?istante di spegnimento effettivo del convertitore di tensione 1, la corrente di induttore IL pu? raggiungere livelli significativamente pi? elevati anche della seconda soglia di corrente; in particolare, la corrente di induttore IL pu? anche superare il punto di saturazione dell?induttore 7, dando luogo ad un ulteriore aumento improvviso della corrente, quest?ultimo essendo, in questo caso, limitato soltanto dalla resistenza serie dello stesso induttore 7.
Un ulteriore inconveniente della soluzione discussa ? rappresentato dal fatto che l?induttore 7 deve pertanto essere dimensionato per valori del livello di corrente di saturazione significativamente al di sopra della corrente di picco massima prevista in condizioni di normale funzionamento, con un conseguente notevole aumento dei costi e delle dimensioni dello stesso induttore 7.
Un?ulteriore soluzione pu? prevedere di monitorare la tensione di uscita Vout e di confrontare il suo valore con una tensione di riferimento ?relativamente? bassa, indicativa di una condizione di cortocircuito. Quando la tensione di uscita Vout diventa inferiore a tale tensione di riferimento, viene rilevato un evento di cortocircuito e ad esempio spento il convertitore di tensione 1.
Gli svantaggi di questa soluzione sono simili a quelli della soluzione precedente, per quanto riguarda il fatto che gli effetti del cortocircuito si possono comunque verificare, a causa degli inevitabili ritardi della catena di controllo, cos? che non risulta possibile prevenire eventuali danni al sistema.
Inoltre, tale soluzione non consente di rilevare con certezza cortocircuiti cosiddetti resistivi, o che in ogni caso comportino un valore della tensione di uscita Vout superiore alla tensione di riferimento scelta per il rilevamento.
Scopo della presente invenzione ? in generale quello di risolvere i problemi precedentemente evidenziati.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo ed un metodo di controllo di un convertitore di tensione, ed un relativo convertitore di tensione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra uno schema circuitale di un convertitore di tensione e di un relativo dispositivo di controllo, di tipo noto;
- la figura 2 mostra uno schema circuitale di un convertitore di tensione e di un relativo dispositivo di controllo, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- le figure 3a e 3b sono diagrammi di flusso relativi ad operazioni di controllo svolte dal dispositivo di controllo di figura 2;
- la figura 4 mostra il diagramma di una corrente di induttore circolante nel convertitore di tensione di figura 2;
- la figura 5 mostra schematicamente una memoria ed il relativo contenuto, nel dispositivo di controllo di figura 2;
- la figura 6a mostra diagrammi di grandezze elettriche nel convertitore di tensione di tipo noto di figura 1;
- le figure 6b e 7 mostrano corrispondenti diagrammi di grandezze elettriche nel convertitore di tensione di figura 2; e
- la figura 8 ? un diagramma a blocchi di massima di un apparecchio elettronico includente il convertitore di tensione di figura 2.
Come sar? discusso in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente soluzione prevede che il dispositivo di controllo del convertitore di tensione sia configurato in modo da prevenire danni al convertitore di tensione stesso, ed in particolare in modo da prevenire che la corrente di induttore IL raggiunga valori elevati e potenzialmente dannosi.
A tal fine, il dispositivo di controllo ? configurato in modo da monitorare la durata dell?intervallo di accensione Ton, e, nel caso in cui rilevi che la durata sia pari all?intervallo minimo Ton_min (associata all?intervallo di blanking), condizione potenzialmente indicativa di cortocircuito in uscita, in modo da allungare la durata del successivo intervallo di spegnimento Toff ad un opportuno valore allungato Toff_long, tale da consentire una adeguata scarica dell?induttore ed una adeguata decrescita della corrente di induttore IL prima dell?avvio del seguente ciclo di commutazione.
Vantaggiosamente, il valore allungato Toff_long ? determinato sulla base della tensione di uscita Vout (e dunque della resistenza di cortocircuito Rshort), ed in modo che il valore della corrente di scarica durante l?intervallo di spegnimento Toff sia maggiore o uguale della corrente di carica accumulata durante il precedente intervallo di accensione Ton, cos? che la corrente di induttore IL non si incrementi di ciclo di commutazione in ciclo di commutazione, evitando quindi che la stessa corrente raggiunga il valore di saturazione.
Un ulteriore aspetto della presente soluzione prevede che il dispositivo di controllo sia inoltre configurato per discriminare tra una condizione temporanea (o non effettiva) di cortocircuito, in seguito alla quale si possa tornare al normale algoritmo di controllo del convertitore di tensione, ed una condizione permanente (o effettiva) di cortocircuito, in seguito alla quale invece sia richiesto lo spegnimento dello stesso convertitore di tensione, al fine di evitare il suo danneggiamento.
In particolare, il dispositivo di controllo determina a tal fine, mediante un contatore di cortocircuito, un numero massimo N di cicli di commutazione consecutivi in cui l?intervallo di accensione Ton presenti durata pari all?intervallo minimo Ton_min, dopo il quale comandare lo spegnimento dello stesso convertitore di tensione.
Come sar? discusso in dettaglio, il dispositivo di controllo ? inoltre in grado di gestire situazioni particolari, tra cui un cortocircuito intermittente ed un transitorio di avvio (cosiddetto ?start-up?).
In particolare, nel caso in cui determini un certo numero M di cicli di commutazione consecutivi in cui l?intervallo di accensione Ton abbia durata maggiore dell?intervallo minimo Ton_min, il dispositivo di controllo ?resetta? il contatore di cortocircuito.
Il numero M, cos? come il numero N, sono selezionati in modo opportuno, al fine di evitare falsi rilevamenti di cortocircuito nelle normali condizioni operative, ed al contempo rilevare anche cortocircuiti che non presentino subito e/o in maniera continuativa intervalli di accensione Ton di durata minima (ad esempio, a causa di un elevato valore di induttanza dell?induttore 7).
Inoltre, in una fase di avvio del convertitore di tensione, in cui il condensatore di uscita ? scarico, pu? essere inibito per un intervallo temporale opportuno, il conteggio dei cicli di commutazione con intervallo di accensione Ton di durata minima, per ridurre il rischio di falso rilevamento di cortocircuito.
In ogni caso, in seguito ad ogni intervallo di accensione Ton di durata minima viene applicato l?intervallo di spegnimento Toff con durata allungata, il cui valore viene aggiornato ciclo di commutazione dopo ciclo di commutazione (ed eventualmente all?interno di uno stesso ciclo di commutazione), in funzione di eventuali variazioni della tensione di uscita Vout, fino a che la stessa tensione di uscita Vout raggiunge il valore di equilibrio.
Con riferimento alla figura 2 (in cui vengono utilizzati gli stessi numeri di riferimento per indicare elementi corrispondenti ad altri gi? descritti in precedenza con riferimento alla figura 1) viene ora discussa una forma di realizzazione di un dispositivo di controllo, nuovamente indicato con 10, per un convertitore di tensione, nuovamente indicato con 1, ad esempio del tipo ?buck? (si sottolinea tuttavia nuovamente che quanto qui illustrato trova vantaggiosa applicazione anche in altre tipologie di convertitori).
Il convertitore di tensione 1 presenta una configurazione sostanzialmente analoga a quanto descritto con riferimento alla figura 1, e non viene qui nuovamente descritto in dettaglio.
Per ragioni di semplicit? illustrativa, nella figura 2 ? mostrato schematicamente uno stadio di rilevamento 20, accoppiato tra il primo nodo interno N1 ed il secondo nodo interno N2 ed atto a fornire un rilevamento della corrente IS che circola verso l?induttore 7 (lo stadio di rilevamento 20 pu? essere ad esempio realizzato mediante il resistore di rilevamento 6 di figura 1, o con altra metodologia di rilevamento di tipo di per s? noto); lo stesso elemento interruttore 5 ? mostrato schematicamente (potendo, come illustrato in figura 1, essere realizzato mediante un transistore MOSFET di potenza, o con altro equivalente dispositivo di potenza noto).
In particolare, il dispositivo di controllo 10 comprende, come precedentemente illustrato, lo stadio di pilotaggio 11 atto a generare il segnale di comando VGD per l?elemento interruttore 5; e l?unit? di controllo 12, ad esempio realizzata mediante un microprocessore, un microcontrollore, un DSP (Digital Signal Processor), una FPGA (Field Gate Programmable Array) o analogo elemento di calcolo ed elaborazione che implementa opportune istruzioni di programmazione, avente una memoria non volatile ed atta ad implementare un opportuno algoritmo per controllare lo stadio di pilotaggio 11 nella generazione del segnale di comando VGD, sulla base del primo e del secondo segnale di retroazione S1, S2.
In questa forma di realizzazione, il primo segnale di retroazione S1 ? generato da un comparatore 22, avente un primo ingresso collegato all?uscita dello stadio di rilevamento 20 e ricevente il rilevamento della corrente Is, ed un secondo ingresso ricevente una corrente di riferimento Iref, ad esempio di valore correlato ad un valore di picco IL_peak per la corrente di induttore IL che si desidera possa circolare all?interno dell?induttore 7 in condizione di normale funzionamento. La soluzione di controllo prevede infatti in questo caso una regolazione della corrente di uscita, data da:
Iout = IL_ peak ?(Vout ?T off )/ 2 L;
sono tuttavia analogamente possibili soluzioni di controllo che prevedano una regolazione della tensione di uscita Vout, come sar? evidente ad un tecnico del settore.
Il primo segnale di retroazione S1 presenta in questo caso un primo valore, ad esempio alto, nel caso in cui il valore rilevato della corrente Is sia uguale o superiore della corrente di riferimento Iref, ed in particolare al valore di picco IL_peak.
Inoltre, il secondo segnale di retroazione S2 ? fornito in uscita da uno stadio convertitore A/D (analogico/digitale) 24, a k bit, che riceve in ingresso la tensione di uscita Vout e fornisce una versione digitale della stessa tensione di uscita (Vout)b; il secondo segnale di retroazione S2 ? dunque di volta in volta indicativo del valore attuale della stessa tensione di uscita Vout.
Nella forma di realizzazione illustrata, l?unit? di controllo 12 del dispositivo di controllo 10 comprende:
uno stadio di controllo commutazione 12a, che genera, in funzione del primo e del secondo segnale di retroazione S1, S2, un segnale di controllo commutazione SW per lo stadio di pilotaggio 11, sulla base del quale lo stesso stadio di pilotaggio 11 genera il segnale di comando VGD (in particolare, un primo valore, ad esempio alto o ?1?, del segnale di controllo commutazione SW determina la chiusura dell?elemento interruttore 5 e dunque l?avvio dell?intervallo di accensione Ton, mentre un secondo valore, ad esempio basso o ?0?, dello stesso segnale di controllo commutazione SW determina l?apertura dell?elemento interruttore 5 e dunque il termine dell?intervallo di accensione Ton e l?avvio dell?intervallo di spegnimento Toff); ed
uno stadio di controllo abilitazione 12b, che riceve ad ogni ciclo di commutazione dallo stadio di controllo commutazione 12a un?informazione sulla durata dell?intervallo di accensione Ton, ed ? configurato per monitorare tale durata ai fini della determinazione di una condizione di cortocircuito sull?uscita, ed in modo da generare un segnale di abilitazione EN per lo stesso stadio di controllo commutazione 12a, atto ad abilitare (con un suo primo valore, ad esempio alto o ?1?) o disabilitare (con un suo secondo valore, nell?esempio basso o ?0?) il funzionamento del convertitore di tensione 1, ovvero ad accendere o spegnere lo stesso convertitore di tensione 1.
Lo stadio di controllo commutazione 12a e lo stadio di controllo abilitazione 12b operano in parallelo, scambiandosi le informazioni richieste (in particolare, la durata dell?intervallo di accensione Ton ed il segnale di abilitazione EN), cos? da implementare un controllo in tempo reale del convertitore di tensione 1.
In una possibile forma di realizzazione, lo stadio di controllo commutazione 12a e lo stadio di controllo abilitazione 12b sono implementati mediante rispettive macchine a stati finiti (FSM ? Finite State Machine), operanti sulla base di un segnale di temporizzazione comune.
Facendo riferimento alla figura 3a vengono ora descritte le operazioni svolte dallo stadio di controllo commutazione 12a dell?unit? di controllo 12, per un ciclo di commutazione.
Inizialmente, fase 30, il segnale di controllo commutazione SW ? supposto basso (?0?).
In una successiva fase 31, lo stadio di controllo commutazione 12a verifica che il segnale di abilitazione EN fornito dallo stadio di controllo abilitazione 12b sia pari a ?1? (o attende che lo stesso segnale di abilitazione EN assuma il valore alto).
In seguito, fase 32, quando il segnale di controllo commutazione SW diventa pari a ?1? (per effetto dell?algoritmo di controllo implementato, come discusso in dettaglio in precedenza), lo stadio di controllo commutazione 12a attiva di conseguenza un primo contatore temporale per la misura della durata dell?intervallo di accensione Ton (tale durata corrispondendo alla distanza temporale tra il fronte di salita ed il successivo fronte di discesa del segnale di controllo commutazione SW).
Lo stadio di controllo commutazione 12a attende dunque, fase 33, che trascorra l?intervallo di blanking, pari all?intervallo minimo Ton_min.
Dopodich?, fase 34, attende che si verifichi una delle seguenti due condizioni: il primo segnale di retroazione S1 si porti ad un valore alto, ?1?, ad esempio indicativo del fatto che la corrente di induttore IL ha raggiunto il massimo valore di picco IL_peak preimpostato (si noti che, in condizione di cortocircuito, il primo segnale di retroazione S1 ? alto immediatamente al termine dell?intervallo minimo Ton_min); o la durata dell?intervallo di accensione Ton assuma un valore massimo Ton_MAX, cos? da garantire il termine dell?intervallo di accensione Ton dopo un intervallo prefissato anche nel caso in cui la corrente di induttore IL non abbia nel frattempo raggiunto il valore di picco IL_peak; tale situazione pu? ad esempio verificarsi in caso di carico disconnesso, condizione cosiddetta di ?open load?.
In una successiva fase 35, il segnale di controllo commutazione SW commuta dunque al valore basso ?0?, termina il conteggio della durata dell?intervallo di accensione Ton ed inizia il conteggio della durata dell?intervallo di spegnimento Toff.
Nella fase 36, lo stadio di controllo commutazione 12a confronta la durata misurata per il precedente intervallo di accensione Ton con l?intervallo minimo Ton_min, in modo da determinare una durata massima Toff_M, eventualmente opportunamente allungata, che deve essere assegnata all?intervallo di spegnimento Toff.
In particolare, nel caso in cui la durata dell?intervallo di accensione Ton sia minore o uguale dell?intervallo minimo Ton_min, condizione potenzialmente indicativa di un cortocircuito in uscita, nella fase 37 la durata massima Toff_M dell?intervallo di spegnimento Toff viene posta pari all?intervallo allungato Toff_long, il cui valore viene determinato in tempo reale, come sar? descritto in dettaglio in seguito, in funzione, tra l?altro, del valore della tensione di uscita Vout (monitorato tramite il secondo segnale di retroazione S2).
Nel caso invece in cui la durata dell?intervallo di accensione Ton sia maggiore dell?intervallo minimo Ton_min, condizione potenzialmente indicativa di un normale funzionamento (ovvero non di cortocircuito), nella fase 38 la durata massima Toff_M dell?intervallo di spegnimento Toff viene posta pari ad un intervallo normale Toff_norm (di durata maggiore dell?intervallo minimo Ton_min), ovvero determinato dallo stadio di controllo commutazione 12a sulla base di un usuale algoritmo di controllo (ad esempio basato sul raggiungimento di un valore di valle IL_val da parte della corrente di induttore IL; su una frequenza di commutazione costante; o su un valore costante per lo stesso intervallo di spegnimento Toff, o per un suo prodotto con la tensione di uscita Vout, in maniera in ogni caso di per s? nota, per questo qui non descritta in dettaglio). Sia dalla fase 37, sia dalla fase 38 si passa alla fase 39, in cui lo stadio di controllo commutazione 12a attende che venga raggiunta la durata massima Toff_M dell?intervallo di spegnimento Toff, dopodich?, fase 40, il segnale di controllo commutazione SW ritorna al valore basso ?0? e termina il conteggio dell?intervallo di spegnimento Toff.
Le operazioni possono quindi tornare alla fase 30, per il successivo ciclo di commutazione. Si noti che nella fase 39 pu? inoltre eventualmente essere previsto di modificare la durata massima Toff_M dell?intervallo di spegnimento Toff, nel caso in cui il valore della tensione di uscita Vout cambi durante lo stesso intervallo di spegnimento Toff (nuovamente, secondo le modalit? precedentemente descritte).
Facendo riferimento alla figura 3b viene ora descritto il funzionamento dello stadio di controllo abilitazione 12b dell?unit? di controllo 12. Come precedentemente indicato, si sottolinea che le operazioni dello stadio di controllo commutazione 12b procedono in parallelo alle operazioni dello stadio di controllo commutazione 12a, descritte in precedenza con riferimento alla figura 3a.
In una fase preliminare 41, lo stadio di controllo abilitazione 12b pu? eventualmente attendere l?arrivo di un segnale di abilitazione, o trigger, esterno per avviare le operazioni.
In una fase 42, il segnale di abilitazione EN ? supposto alto (?1?); sono inoltre supposti pari a 0 (azzerati) un contatore di cortocircuito SHTcnt (indicativo del numero di cicli di commutazione consecutivi con durata minima dell?intervallo di accensione Ton) ed un contatore di reset RSTcnt (indicativo del numero di cicli di commutazione consecutivi con durata dell?intervallo di accensione Ton maggiore dell?intervallo minimo Ton_min).
In seguito, fase 43, lo stadio di controllo abilitazione 12b rimane in attesa della misura dell?intervallo di accensione Ton, che viene fornita dallo stadio di controllo commutazione 12a.
In una fase successiva, fase 44, lo stadio di controllo abilitazione 12b confronta la durata dell?intervallo di accensione Ton con l?intervallo minimo Ton_min.
Nel caso in cui la durata dell?intervallo di accensione Ton sia minore dell?intervallo minimo Ton_min, viene incrementato, fase 45, il contatore di cortocircuito SHTcnt; ed inoltre viene azzerato, fase 46, il contatore di reset RSTcnt.
In una successiva fase 47, lo stadio di controllo abilitazione 12b verifica se il contatore di cortocircuito SHTcnt sia pari al numero massimo N prefissato di cicli di commutazione.
Se non si verifica la condizione SHTcnt=N, le operazioni tornano alla fase 43, con l?attesa di una nuova misura dell?intervallo di accensione Ton di un successivo ciclo di commutazione.
Se invece la condizione SHTcnt=N ? verificata, si passa alla fase 48, in cui il segnale di abilitazione EN ? posto al valore basso, ?0?; tale segnale di abilitazione EN, inviato allo stadio di controllo commutazione 12a determina quindi lo spegnimento del convertitore di tensione 1, in quanto si ? determinata la presenza di una condizione stabile, effettiva, di cortocircuito in uscita.
Se nella fase 44, si verifica invece che la durata dell?intervallo di accensione Ton ? maggiore o uguale dell?intervallo minimo Ton_min, nella fase 49 viene incrementato il contatore di reset RSTcnt (in quanto si ? determinata la presenza di un ciclo di commutazione con durata non minima dell?intervallo di spegnimento Ton).
Successivamente, in una fase 50, lo stadio di controllo abilitazione 12b verifica se il contatore di reset RSTcnt sia pari al numero M prefissato di cicli di commutazione.
Se la condizione RSTcnt=M non risulta verificata, le operazioni tornano alla fase 43, con l?attesa di una nuova misura dell?intervallo di accensione Ton di un successivo ciclo di commutazione.
Se invece la condizione RSTcnt=M ? verificata, si passa alla fase 51, in cui il contatore di cortocircuito SHTcnt viene azzerato (in quanto si ? determinata la fine della condizione di cortocircuito, o in ogni caso si ? verificato che la stessa condizione di cortocircuito non pu? essere considerata stabile).
Anche dalla fase 51 le operazioni tornano alla fase 43, con l?attesa di una nuova misura dell?intervallo di accensione Ton di un successivo ciclo di commutazione.
Viene ora descritta in maggiore dettaglio la modalit? di calcolo dell?intervallo allungato Toff_long dell?intervallo di spegnimento Toff del ciclo di commutazione, da parte dell?unit? di controllo 12 del dispositivo di controllo 10.
Come mostrato in figura 4, in caso di cortocircuito, la corrente di induttore IL cresce durante l?intervallo di accensione Ton avente durata minima (Ton_min) fino ad un valore IL' maggiore del massimo valore di picco IL_peak.
Di conseguenza, l?unit? di controllo 12, in seguito alla determinazione della durata minima dell?intervallo di accensione Ton, allunga opportunamente la durata dell?intervallo di spegnimento Toff, che diventa pari all?intervallo allungato Toff_long; al termine di tale intervallo allungato Toff_long, la corrente di induttore IL ? pari ad un valore di valle, minimo, indicato con IL_val (che pu? essere minore di un corrispondente valore minimo assunto in condizione di normale funzionamento).
L?incremento della corrente di induttore IL durante l?intervallo di accensione Ton, con durata minima, ? dato dalla seguente espressione (in cui si suppongono trascurabili la caduta di tensione sull?elemento interruttore 5 e la resistenza continua dell?induttore 7):
?I =Vin ? V out
L, Ton_min L T on_ min
Il decremento della stessa corrente di induttore IL durante il successivo intervallo di spegnimento Toff, con durata allungata, ? invece dato da:
Vout V
? I f
L,Toff _ long =
L Toff _ long
Come precedentemente evidenziato, l?unit? di controllo 12 pu? determinare la durata allungata dell?intervallo di spegnimento Toff in modo tale che il decremento di corrente durante lo stesso intervallo di spegnimento Toff compensi l?incremento di corrente durante il precedente intervallo di accensione Ton, ?IL,Ton_ min??IL,Toff _ long:
Vin ? V out Vout V
T f
on_min ? Toff _ long
L L
Da tale espressione, si ricava la condizione che deve essere soddisfatta per l?intervallo allungato Toff_long:
T ?Vin ? V out
off _ long V Tn_ min
out V o
f
che, in particolare, risulta indipendente dal valore di induttanza L dell?induttore 7.
Tale espressione pu? dunque essere utilizzata dall?unit? di controllo 12 nella determinazione della durata allungata Toff_long dell?intervallo di spegnimento Toff.
Ad esempio, considerando un valore per la tensione di ingresso Vin < 60V, una caduta di tensione sull?elemento a diodo Vf > 0,3V ed una durata dell?intervallo minimo Ton_min < 0,3?s, si ottiene la seguente espressione:
T 60 ? V out
off _ long ? ?0,3 ? s
V out 0,3
che risulta dipendere soltanto dalla condizione di cortocircuito in uscita, ovvero dal valore della tensione di uscita Vout.
In particolare, secondo un aspetto della presente soluzione e come schematicamente illustrato in figura 5, l?unit? di controllo 12 ? configurata per memorizzare, all?interno di una relativa memoria non volatile 52, una tabella 52' che associa a valori, o intervalli di valori, della tensione di uscita Vout, in condizione di cortocircuito, corrispondenti valori dell?intervallo allungato Toff_long.
Si noti che nella figura 5 sono illustrati valori esemplificativi, riferiti al precedente esempio numerico. Si noti inoltre che, all?aumentare del valore della tensione di uscita Vout (cortocircuito pi? resistivo), si accorcia l?intervallo allungato Toff_long; pu? venire cos? impostato un valore minimo per lo stesso intervallo allungato Toff_long, maggiore o uguale del periodo corrispondente alla frequenza di aggiornamento della misura della tensione di uscita Vout, fornita, come discusso in precedenza, dallo stadio convertitore A/D 24.
Vantaggiosamente, in uso, consultando la tabella 52', lo stadio di controllo commutazione 12a dell?unit? di controllo 12, in funzione del valore rilevato della tensione di uscita Vout, ? cos? in grado in tempi rapidi e senza necessit? di avere a propria disposizione un elevato potere computazionale, di determinare un valore opportuno per l?intervallo allungato Toff_long, ad ogni ciclo di commutazione.
I vantaggi della soluzione proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea che tale soluzione consente sia di rilevare tempestivamente una situazione di cortocircuito, sia di prevenire gli effetti distruttivi dello stesso cortocircuito, in particolare sull?induttore 7 e sull?elemento interruttore 5 del convertitore di tensione 1.
Infatti, anzich? intervenire una volta che la corrente di induttore IL ha gi? raggiunto livelli critici, la soluzione proposta prevede di monitorare l?evoluzione del fenomeno di cortocircuito e di prevenire la crescita incontrollata della stessa corrente di induttore IL, eliminando cos? gli effetti negativi di un intervento ritardato.
Tali vantaggi sono particolarmente evidenti dall?esame e dal confronto delle figure 6a (riferita ad una soluzione tradizionale) e 6b (riferita alla soluzione secondo la forma di realizzazione della presente soluzione.
Come mostrato in figura 6a, in una soluzione tradizionale, in presenza di cortocircuito (linea tratteggiata), la corrente di induttore IL cresce rapidamente durante l?intervallo di accensione Ton, e decresce molto lentamente durante il successivo intervallo di spegnimento Toff (il diagramma relativo alla condizione di normale funzionamento ? mostrato con tratto pieno nella stessa figura 6a).
Ne consegue che sono sufficienti un numero limitato di cicli di commutazione (nell?esempio due), perch? la corrente di induttore IL raggiunga livelli critici, in particolare superi il livello di saturazione IL_sat dell?induttore 7 (come indicato dalla crescita con forte pendenza della stessa corrente di induttore IL), prima che il convertitore di tensione 1 venga spento.
Si noti che la figura 6a si riferisce ad una soluzione tradizionale in cui lo spegnimento del convertitore di tensione 1 ? determinato in seguito al superamento da parte della corrente di induttore IL di una soglia di corrente IL_th, maggiore del valore di picco IL_peak.
Come mostrato in figura 6b, la soluzione proposta consente di impedire alla corrente di induttore IL di crescere in maniera incontrollata, al di sopra del livello di saturazione IL_sat, grazie all?opportuno allungamento dell?intervallo di spegnimento Toff, che consente alla corrente di induttore IL di avere una decrescita nell?intervallo allungato Toff_long maggiore o uguale della precedente crescita nell?intervallo minimo Ton_min dell?intervallo di accensione Ton.
In particolare, nell?esempio illustrato in figura 6b, la corrente di induttore IL scende al di sotto del valore di valle IL_val al termine dell?intervallo di spegnimento Toff.
Come mostrato in figura 7, relativa ad una prova di effettivo funzionamento del convertitore di tensione 1, dopo un certo prefissato numero N di cicli di commutazione (in cui viene consecutivamente rilevata la durata minima dell?intervallo di accensione Ton), il convertitore di tensione 1 viene opportunamente spento, al fine di evitare stress ai componenti circuitali (nell?esempio, lo spegnimento del convertitore di tensione 1 si verifica dopo circa 32 cicli di commutazione).
Vantaggiosamente, la soluzione proposta non comporta inoltre modifiche circuitali sostanziali al convertitore di tensione 1, ed inoltre richiede un potere computazionale ridotto per la realizzazione dell?unit? di controllo 12 del dispositivo di controllo 10.
Come mostrato in figura 8, il convertitore di tensione 1 pu? dunque essere vantaggiosamente impiegato all?interno di un apparecchio elettronico 60, ad esempio per il pilotaggio di un gruppo di LED 62, essendo opportunamente alimentato da una sorgente di alimentazione 64, interna allo stesso apparecchio elettronico 60.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si ribadisce il fatto che, nonostante la descrizione precedente abbia fatto esplicito riferimento ad una tipologia di convertitore ?buck?, la presente soluzione pu? vantaggiosamente essere applicata anche ad altre tipologie di convertitori, ad esempio del tipo ?flyback?, ?boost?, ?buck-boost?, o relative varianti.
Si sottolinea infine che il convertitore oggetto della presente soluzione pu? vantaggiosamente realizzare un regolatore o convertitore di tensione, a cui la precedente trattazione ha fatto esplicitamente riferimento, a titolo esemplificativo e non limitativo, o un regolatore o convertitore di corrente o, in generale, di potenza elettrica.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo (10), per il controllo di un convertitore di tensione (1) del tipo a commutazione comprendente un elemento interruttore (5) ed un elemento induttore (7), il dispositivo di controllo (10) essendo configurato in modo da generare un segnale di comando (VGD) per controllare la commutazione dell?elemento interruttore (5) e determinare ad ogni ciclo di commutazione l?alternarsi di un intervallo di accensione (Ton) con immagazzinamento di energia in detto elemento induttore (7) a partire da una tensione di ingresso (Vin), e di un intervallo di spegnimento (Toff) con trasferimento dell?energia immagazzinata in detto elemento induttore (5) su un elemento di immagazzinamento (8) su cui ? presente una tensione di uscita (Vout); detto dispositivo di controllo (10) essendo configurato in modo da determinare il termine di detto intervallo di accensione (Ton) in funzione del confronto tra una corrente di induttore (IL) che circola attraverso detto elemento induttore (7) ed un primo valore di soglia (IL_peak), ed in seguito in modo da determinare una prima durata (Toff_norm) di detto intervallo di spegnimento (Toff), in cui detto dispositivo di controllo (10) ? inoltre configurato in modo da determinare il termine di detto intervallo di accensione (Ton) al termine di un intervallo minimo (Ton_min), nel caso in cui la corrente di induttore (IL) raggiunge il primo valore di soglia (IL_peak) prima del termine di detto intervallo minimo (Ton_min), caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da determinare, in seguito al rilevamento di un intervallo di accensione (Ton) avente durata pari all?intervallo minimo (Ton_min), detto rilevamento essendo indicativo di una possibile condizione di cortocircuito in uscita, un intervallo di spegnimento (Toff) avente una seconda durata, pari ad un intervallo allungato (Toff_long) maggiore di detta prima durata (Toff_norm).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da determinare detto intervallo allungato (Toff_long) in funzione del valore di detta tensione di uscita (Vout).
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da determinare detto intervallo allungato (Toff_long), in modo tale che una decrescita (?IL,Toff _ long) della corrente di induttore (IL) durante detto intervallo di spegnimento (Toff), avente durata pari a detto intervallo allungato, sia maggiore o uguale di una crescita (?IL,Ton_ min) di detta corrente di induttore (IL) durante il precedente intervallo di accensione (Ton), avente durata pari a detto intervallo minimo (Ton_min).
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto elemento induttore (7) ? collegato tra un nodo interno (N2) ed un terminale di uscita (2b) di detto convertitore di tensione (1), a cui ? collegato detto elemento di immagazzinamento (8), e detto convertitore di tensione (1) comprende inoltre un elemento a diodo (9) collegato a detto nodo interno (N2); in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da determinare detto intervallo allungato (Toff_long) sulla base della seguente espressione: T ?Vin ? V out off _ long Vout V T on_ min f in cui Vin ? il valore di detta tensione di ingresso, Vout ? il valore di detta tensione di uscita, Vf ? la caduta di tensione in conduzione di detto elemento a diodo (9) e Ton_min ? detto intervallo minimo per detto intervallo di accensione (Ton).
  5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una memoria (52) in cui ? memorizzata una tabella (52') con una corrispondenza tra valori di detta tensione di uscita (Vout) e valori di detto intervallo allungato (Toff_long); in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da rilevare il valore di detta tensione di uscita (Vout) e recuperare da detta tabella (52') il corrispondente valore di detto intervallo allungato (Toff_long) in funzione del valore rilevato di detta tensione di uscita (Vout), ad ogni ciclo di commutazione.
  6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da comandare lo spegnimento di detto convertitore di tensione (1) in seguito al rilevamento di un primo numero (N) di cicli di commutazione in cui detto intervallo di accensione (Ton) ha durata pari all?intervallo minimo (Ton_min), a detto rilevamento corrispondendo un?effettiva condizione di cortocircuito in uscita.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui detto dispositivo di controllo (10) ? configurato in modo da resettare un contatore (SHTcnt) atto a conteggiare detto primo numero (N) di cicli di commutazione, nel caso in cui rilevi un secondo numero (M) di cicli di commutazione temporalmente consecutivi in cui detto intervallo di accensione (Ton) abbia durata superiore all?intervallo minimo (Ton_min).
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 o 7, comprendente uno stadio di controllo commutazione (12a) configurato in modo da generare detto segnale di comando (VGD) per controllare la commutazione dell?elemento interruttore (5); ed uno stadio di controllo abilitazione (12b), operante nello stesso tempo ed in parallelo a detto stadio di controllo commutazione (12a), configurato per fornire a detto stadio di controllo commutazione (12a) un segnale di abilitazione (EN), atto a causare lo spegnimento di detto convertitore di tensione (1) al rilevamento di detto primo numero (N) di cicli di commutazione.
  9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detto stadio di controllo commutazione (12a) e detto stadio di controllo abilitazione (12b) sono implementati mediante una rispettiva macchina a stati finiti ? FSM.
  10. 10. Convertitore di tensione (1), del tipo a commutazione, comprendente un elemento interruttore (5) ed un elemento induttore (7), collegati tra un terminale di ingresso (2a), su cui ? atto a ricevere una tensione di ingresso (Vin), ed un terminale di uscita (2b), su cui ? atto a fornire una tensione di uscita (Vout); caratterizzato dal fatto di comprendere il dispositivo di controllo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  11. 11. Convertitore secondo la rivendicazione 10, di tipo ?buck?, in cui detta tensione di uscita (Vout) ? una tensione continua, minore di detta tensione di ingresso (Vin), anch?essa continua.
  12. 12. Apparecchio elettrico (60) comprendente un convertitore di tensione (1) secondo la rivendicazione 10 o 11, ed il dispositivo di controllo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9.
  13. 13. Metodo di controllo di un convertitore di tensione (1) del tipo a commutazione comprendente un elemento interruttore (5) ed un elemento induttore (7), comprendente la fase di generare un segnale di comando (VGD) per controllare la commutazione dell?elemento interruttore (5) e determinare ad ogni ciclo di commutazione l?alternarsi di un intervallo di accensione (Ton) con immagazzinamento di energia in detto elemento induttore (7) a partire da una tensione di ingresso (Vin), e di un intervallo di spegnimento (Toff) con trasferimento dell?energia immagazzinata in detto elemento induttore (5) su un elemento di immagazzinamento (8) su cui ? presente una tensione di uscita (Vout); in cui detta fase di generare comprende determinare il termine di detto intervallo di accensione (Ton) in funzione del confronto tra una corrente di induttore (IL) che circola attraverso detto elemento induttore (7) ed un primo valore di soglia (IL_peak), ed in seguito determinare una prima durata (Toff_norm) di detto intervallo di spegnimento (Toff), in cui detta fase di generare comprende inoltre determinare il termine di detto intervallo di accensione (Ton) al termine di un intervallo minimo (Ton_min), nel caso in cui la corrente di induttore (IL) raggiunge il primo valore di soglia (IL_peak) prima del termine di detto intervallo minimo (Ton_min), caratterizzato dal fatto che detta fase di generare comprende inoltre determinare, in seguito al rilevamento di un intervallo di accensione (Ton) avente durata pari all?intervallo minimo (Ton_min), detto rilevamento essendo indicativo di una possibile condizione di cortocircuito in uscita, un intervallo di spegnimento (Toff) avente una seconda durata, pari ad un intervallo allungato (Toff_long) maggiore di detta prima durata (Toff_norm).
  14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta fase di determinare comprende determinare detto intervallo allungato (Toff_long), in funzione del valore di detta tensione di uscita (Vout).
  15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui detta fase di determinare comprende determinare detto intervallo allungato (Toff_long), in modo tale che una decrescita (?IL,Toff _ long) della corrente di induttore (IL) durante detto intervallo di spegnimento (Toff), avente durata pari a detto intervallo allungato, sia maggiore o uguale di una crescita (?IL,Ton_ min) di detta corrente di induttore (IL) durante il precedente intervallo di accensione (Ton), avente durata pari a detto intervallo minimo (Ton_min).
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