ITVA20080040A1 - Circuito di controllo di uno stadio di potenza full-bridge - Google Patents

Circuito di controllo di uno stadio di potenza full-bridge

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ITVA20080040A1
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Description

DESCRIZIONE
CAMPO DELLA TECNICA
Questa invenzione concerne il pilotaggio in modalità PWM di carichi elettrici e più precisamente un circuito di controllo di uno stadio di potenza full-bridge che genera un comando logico di pilotaggio rappresentativo del segno della corrente da forzare in un carico elettrico alimentato dallo stadio di potenza e un segnale PWM rappresentativo dell'intensità della corrente.
BACKGROUND
Il pilotaggio in modalità a variazione di ampiezza di impulso, o più brevemente PWM, à ̈ una tecnica largamente utilizzata per controllare carichi elettrici.
La Figura 1 mostra un circuito di pilotaggio, divulgato nel brevetto US 5,917,720 a nome della stessa richiedente, di un carico elettrico induttivo, schematicamente rappresentato dalla resistenza RL e dall'induttanza LL in serie, mediante uno stadio di potenza full-bridge controllato dai segnali a modulazione d'impulso PwmA e PwmB. Un amplificatore di sensing SENSE AMPLIFIER rileva la caduta di tensione ai capi di una resistenza di sensing RS e genera un segnale di retroazione, che viene sottratto mediante un amplificatore d'errore ERROR AMPLIFIER da un segnale d'ingresso Vin che rappresenta la corrente da forzare nel carico elettrico. Il segnale di errore Err viene confrontato con due segnali a rampa triangolare Tria1 e Tria2 per generare i segnali a modulazione di impulso PwmA e PwmB.
Le forme d'onda della corrente Ivcm attraverso il motore voice-coil VCM e dei segnali a modulazione d'impulso PwmA e PwmB e della loro differenza Diff sono mostrate in Figura 2. Il segno e l'intensità della corrente nel carico Ivcm vengono controllati variando il duty-cycle dei segnali a modulazione di impulso PwmA e PwmB. Quando il duty-cycle del segnale PwmA à ̈ maggiore del 50% e il duty-cycle del PwmB à ̈ minore del 50%, la corrente Ivcm ha il verso indicato in figura, il verso opposto nel caso contrario. La condizione di corrente nulla viene ottenuta eguagliando al 50% i duty-cycle dei segnali PwmA e PwmB.
Questa tecnica può essere validamente implementata disponendo di un amplificatore di sensing SENSE AMPLIFIER, per il rilevamento della corrente che circola nell'avvolgimento del motore, avente un'elevata reiezione di modo comune alla frequenza di commutazione in tutto l'intervallo dalla tensione di massa alla tensione di alimentazione.
Sono stati proposti circuiti di controllo di uno stadio di potenza fullbridge in cui gli interruttori di un semi-ponte sono pilotati in modalità PWM e gli interruttori dell'altro semi-ponte sono in saturazione bassa o alta a seconda del segno della corrente da forzare nel carico elettrico.
Nella domanda di brevetto europeo EP 1 641 115, da intendersi qui incorporata per espresso riferimento, à ̈ proposto un sistema di controllo, il cui schema a blocchi à ̈ rappresentato in Figura 3, che genera un segnale logico di pilotaggio degli interruttori di un semi-ponte il cui valore stabilisce il verso della corrente nel carico, e un segnale di pilotaggio PWM avente duty-cycle corrispondente all'ampiezza della corrente da forzare nel carico. La differenza di tensione agli ingressi dell'amplificatore di sensing SENSE AMPLIFIER à ̈ riferita o a massa o alla tensione di alimentazione, per cui non à ̈ indispensabile che l'amplificatore di sensing abbia reiezione di modo comune elevata nell'intero intervallo di tensione da massa alla tensione di alimentazione, ma basta che la reiezione di modo comune sia sufficientemente elevata alle tensioni estreme.
Uno schema completo del circuito di controllo di questo documento anteriore à ̈ illustrato in Figura 4. Per ridurre la potenza dissipata a basse correnti di funzionamento, il circuito di controllo à ̈ dotato di amplificatori lineari 5, 6 per pilotare il carico in modo lineare quando la corrente à ̈ inferiore in valore assoluto ad una soglia prestabilita.
Una caratteristica del sistema di Figura 3 à ̈ che il segnale logico di pilotaggio che stabilisce il segno della corrente nel carico à ̈ generato da un comparatore esterno al loop di reazione.
Il brevetto US 6,995,537 divulga un circuito di controllo, mostrato in Figura 5, in cui il segnale logico di pilotaggio degli interruttori di un semiponte che stabilisce il segno della corrente à ̈ generato internamente al loop di reazione. Questo circuito à ̈ idoneo a controllare anche carichi elettrici a bassa resistenza (ad esempio, circa 5W) che possono generare una controforza elettromotrice relativamente alta (ad esempio, per i motori voice-coil, di 5V o 6V). In particolare, esso à ̈ efficace anche quando il carico assorbe piccole correnti (ad esempio minori di 200/300mA) e la controforza elettromotrice à ̈ in fase alla corrente forzata. Una tale situazione critica può verificarsi ad esempio nel pilotaggio di motori voice-coil di movimentazione delle testine di lettura/scrittura di hard disk durante un'operazione di seeking, nel momento in cui la corrente viene invertita per frenare il motore, che gira a velocità relativamente alta.
Una caratteristica del sistema di controllo di Figura 5 Ã ̈ che esso genera il segnale logico di pilotaggio che stabilisce il segno della corrente mediante un comparatore analogico di confronto dell'uscita dell'amplificatore di errore ERROR AMPLIFIER con un livello di riferimento interno.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
È stato trovato un nuovo circuito di controllo di uno stadio di potenza full-bridge di pilotaggio di un carico elettrico che genera un segnale PWM di pilotaggio degli interruttori di un semi-ponte il cui duty-cycle corrisponde all'intensità della corrente da forzare, e un segnale logico di pilotaggio degli interruttori dell'altro semi-ponte che determina il segno della corrente da forzare nel carico, tale da ridurre efficacemente commutazioni spurie del segnale logico di pilotaggio.
I segnali di pilotaggio PWM e logico sono generati all'interno dell'anello di reazione combinando logicamente i segnali PwmA e PwmB del circuito noto di Figura 1. In particolare, il segnale logico di pilotaggio à ̈ ottenuto campionando uno dei due segnali PwmA e PwmB in corrispondenza di fronti attivi di commutazione del segnale XOR logico dei segnali PwmA e PwmB, mentre il segnale di pilotaggio PWM à ̈ lo XOR logico del segnale logico di pilotaggio e del segnale XOR logico dei segnali PwmA e PwmB.
In questo modo il segnale logico di pilotaggio à ̈ sostanzialmente esente da commutazioni spurie perché esso non à ̈ ottenuto confrontando la tensione di uscita dell'amplificatore di errore, che à ̈ corrotta da rumore di commutazione, con un livello di riferimento interno.
L'invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La Figura 1 mostra il circuito di controllo di corrente divulgato nel documento anteriore US 5,917,720 in cui lo stadio di potenza à ̈ controllato in modalità PWM.
La Figura 2 Ã ̈ un diagramma temporale che illustra il funzionamento dei circuito noto di Figura 1.
La Figura 3 mostra uno schema semplificato del circuito di controllo di corrente divulgato nel documento anteriore EP 1641 115 in cui il semiponte che stabilisce il segno della corrente forzata nel il carico à ̈ controllato da un blocco esterno al loop di reazione.
La Figura 4 Ã ̈ una vista di dettaglio del circuito di controllo di corrente di Figura 3.
La Figura 5 mostra il circuito di controllo di corrente divulgato nel documento anteriore US 6,995,537 in cui il semi-ponte che stabilisce il segno della corrente forzata nel il carico à ̈ controllato da un comparatore analogico ad isteresi che confronta l'uscita dell'amplificatore di errore con un segnale rappresentante lo zero virtuale.
La Figura 6 mostra una forma di realizzazione della parte logica del circuito di controllo dell'invenzione che genera il comando logico di pilotaggio (Dir) rappresentativo del segno della corrente da forzare e il segnale PWM (PwmC) rappresentativo dell'ampiezza della corrente da forzare.
La Figura 7 Ã ̈ un diagramma temporale che illustra il funzionamento del circuito di Figura 6.
La Figura 8 à ̈ uno schema a blocchi di un sistema dell'invenzione di controllo di uno stadio di potenza che pilota un motore voice-coil in modalità lineare o PWM, che include il circuito di Figura 6.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE
I segnali di pilotaggio che determinano l'ampiezza (PwmC) e il segno (Dir) della corrente nel carico vengono generati dal circuito di controllo dell'invenzione combinando i segnali di pilotaggio PwmA e PwmB generati secondo una qualsiasi delle tecniche comunemente usate come ad esempio la tecnica divulgata nel brevetto anteriore US 5,917,720, il cui contenuto deve intendersi qui incorporato per espresso riferimento.
La Figura 6 mostra un circuito logico esemplificativo che combina i segnali PwmA e PwmB per generare i segnali di pilotaggio PwmC e Dir forniti a rispettivi semi-ponti dello stadio di potenza, per determinare rispettivamente l'intensità e il segno della corrente forzata attraverso il carico.
Gli andamenti della corrente Ivcm attraverso il carico (che nel caso esemplificato à ̈ un motore voice-coil) e dei segnali di pilotaggio PwmC e Dir generati dal circuito logico di Figura 6 sono confrontati in Figura 7. Il segnale logico di pilotaggio Dir, che pilota il semi-ponte che definisce la polarità della corrente da controllare, à ̈ ottenuto campionando il segnale PwmB al fronte di salita del segnale Y, a sua volta generato come XOR tra i segnali PwmA e PwmB.
Il circuito di controllo dell'invenzione risolve efficacemente il problema rappresentato dalle commutazioni spurie del segnale logico di pilotaggio perché quest'ultimo à ̈ generato digitalmente in maniera sincrona con la frequenza di commutazione e ciò lo rende relativamente insensibile al rumore di commutazione che corrompe la tensione di uscita dell'amplificatore di errore ERROR AMPLIFIER.
Preferibilmente, il circuito di controllo à ̈ corredato di amplificatori lineari LINEAR DRIVER, come mostrato in Figura 8 e come descritto in dettaglio nella domanda di brevetto anteriore EP 1 641 115 il cui contenuto deve intendersi qui incorporato per espresso riferimento, tipicamente degli amplificatori operazionali in classe AB, per controllare il carico elettrico in modo lineare quando la corrente circolante nel carico à ̈ inferiore ad una soglia minima prestabilita. Tale cambio automatico della modalità di controllo del carico elettrico à ̈ utile quando il carico assorbe correnti relativamente piccole, permettendo così di ovviare alla difficoltà o impossibilità di generare un segnale di pilotaggio PwmC con a duty-cycle eccessivamente piccolo.

Claims (2)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di controllo di uno stadio di potenza full-bridge pilotante un carico elettrico, detto circuito di controllo ricevente in ingresso un segnale d'errore (Err) rappresentativo del segno e dell'ampiezza di una corrente da forzare attraverso il carico elettrico e generante un primo segnale PWM (PwmA) ed un secondo segnale PWM (PwmB), la differenza tra i duty-cycle del primo segnale (PwmA) e del secondo segnale (PwmB) rappresentando l'ampiezza della corrente da forzare, un comando logico di pilotaggio (Dir) degli interruttori di un semi-ponte dello stadio di potenza il cui valore logico corrisponde al segno di detta corrente combinando detti segnali PWM primo (PwmA) e secondo (PwmB), e un terzo segnale PWM di pilotaggio (PwmC) degli interruttori dell'altro semi-ponte dello stadio di potenza il cui duty-cycle corrisponde all'ampiezza di detta corrente, caratterizzato dal fatto che il circuito di controllo comprende: una porta logica XOR ricevente in ingresso detti segnali PWM primo (PwmA) e secondo (PwmB) e generante un segnale logico XOR (Y); un circuito logico di campionamento che genera detto comando logico di pilotaggio (Dir) campionando uno di detti segnale PWM primo (PwmA) e secondo (PwmB) in corrispondenza di fronti di commutazione attivi di detto segnale logico XOR (Y); una seconda porta XOR ricevente in ingresso detto segnale logico XOR (Y) e detto comando logico di pilotaggio (Dir) generante detto terzo segnale PWM di pilotaggio (PwmC).
  2. 2. Il circuito di controllo della rivendicazione 1, in cui detto circuito logico di campionamento à ̈ un flip-flop di tipo D cadenzato dai fronti di commutazione attivi di detto segnale logico XOR (Y).
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