ITVA20100073A1 - Regolatore di tensione - Google Patents

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Description

CAMPO TECNICO
Questa invenzione concerne in generale i regolatori di tensione e più in particolare i regolatori con reti di compensazione per compensare effetti dovuti alle variazioni di una tensione di riferimento del regolatore.
BACKGROUND
Regolatori di tensione generano una tensione di uscita DC costante e contengono circuiti che mantengono la tensione di uscita su un carico alimentato ad un valore regolato. Questo compito à ̈ tipicamente assolto usando uno stadio di potenza a commutazione, i cui interruttori sono accesi/spenti da rispettivi circuiti di pilotaggio.
I moderni microprocessori sono alimentati da regolatori di tensione e sono in grado di modificare la loro tensione di alimentazione in modo da minimizzare il consumo di energia, per esempio quando il microprocessore à ̈ in uno stato di basso consumo (standby). In pratica, i microprocessori sono controllati da regolatori di tensione in modo che la tensione Vo fornita ad essi segua una tensione di riferimento Vref, come mostrato in FIG. 1. Quando il microprocessore alimentato entra in uno stato di basso consumo, la tensione di riferimento viene ridotta con una velocità relativamente bassa (tipicamente 2.5 mV/Î1⁄4s) ed à ̈ eventualmente aumentata con una velocità relativamente alta (tipicamente, più di 10 mV/Î1⁄4s) quando il microprocessore deve velocemente uscire da uno stato di standby.
Una classica architettura di un regolatore a commutazione per alimentare un microprocessore à ̈ mostrata come esempio in FIG. 2 e comprende un amplificatore operazionale E/A, un comparatore che genera un segnale PWM confrontando l’uscita dell’amplificatore di errore E/A con un segnale a rampa Vramp, e uno stadio di potenza a commutazione controllato dal segnale PWM che genera la tensione di uscita Vo con la quale il microprocessore à ̈ alimentato. Il regolatore tipicamente ha una linea di retroazione per generare un segnale di errore come differenza tra una replica filtrata della tensione di uscita Vo e una tensione di riferimento Vref. La differenza tra la tensione di uscita Vo e la tensione di riferimento Vref à ̈ confrontata con la tensione a rampa Vramp e il segnale di pilotaggio PWM à ̈ generato in funzione di questo confronto, come generalmente fatto nei circuiti di controllo PWM.
Per ridurre il consumo di energia, i microprocessori sono generalmente dotati di un secondo anello di retroazione, come mostrato in FIG. 3, per ridurre la tensione sul microprocessore di una quantità proporzionale alla corrente assorbita dal microprocessore, in modo da mantenere costante l’impedenza di uscita del regolatore. Una tale tecnica di controllo à ̈ divulgata per esempio nel documento US 6,628,110 della stessa titolare.
Questa tecnica richiede:
- un progetto accurato di una rete di compensazione in grado di mantenere costante l’impedenza di uscita in un intervallo di frequenza di 0-1 MHz quando la tensione di riferimento Vref à ̈ costante,
- ottimizzazione della tensione di uscita per ridurre il consumo di energia quando il carico à ̈ costante ma la tensione di riferimento aumenta per far sì che il microprocessore esca da uno stato di basso consumo, o
- ottimizzazione della tensione di uscita per ridurre il consumo di energia quando il carico à ̈ costante ma la tensione di riferimento diminuisce.
Per prevenire un indesiderato spegnimento del microprocessore, la tensione di uscita non deve subire sottoelongazioni.
Tipici andamenti di tensione dello schema circuitale di FIG. 3 sono mostrati in FIG.11. Si può notare che la tensione a rampa Vramp ha un certo offset, per far sì che il comparatore che genera il segnale di pilotaggio PWM confrontando la tensione Vcomp con la tensione Vramp, funzioni in una appropriata regione di funzionamento.
Quando l’assorbimento di corrente da parte del carico alimentato diminuisce, la tensione di controllo Vcomp diventa praticamente nulla e si ha una sovraelongazione della tensione di uscita. Nel caso di un evento di uscita del microprocessore alimentato da uno stato di basso consumo, la tensione di confronto Vcomp può richiedere un tempo relativamente lungo per attraversare la tensione di rampa Vramp causando una sottoelongazione della tensione di uscita.
Sarebbe desiderabile avere un’architettura di regolatore DC-DC a commutazione in grado di limitare le sottoelongazioni della tensione di uscita causate da fluttuazioni della tensione di riferimento Vref ma permettendo un veloce recupero da uno stato di standby.
La domanda di brevetto pubblicata US2007/0273348 a nome della Intersil Americas Inc. divulga un regolatore di tensione PWM, illustrato in FIG. 4, che comprende un amplificatore di errore ricevente in ingresso una tensione di riferimento Vref e una replica filtrata della tensione di uscita, collegato in modo da controllare uno stadio di potenza PWM, e una rete di cancellazione che inietta nell’amplificatore di errore una corrente rappresentativa della derivata temporale della tensione di riferimento. Il regolatore di tensione di questa divulgazione anteriore à ̈ comunemente considerato efficace per cancellare sia le sottoelongazioni che le sovraelongazioni della tensione di uscita con una stessa rete circuitale.
Uno svantaggio dell’utilizzare il regolatore di tensione divulgato nella domanda di brevetto US 2007/0273348, à ̈ che la tensione di uscita aumenta troppo lentamente e questo rallenta il recupero da standby dei microprocessori alimentati.
SOMMARIO
Contrariamente alla pratica comune in questo settore, la Richiedente considera le sovraelongazioni della tensione di uscita in caso di improvviso incremento della tensione di riferimento, vantaggiose per far sì che il microprocessore alimentato si riprenda più velocemente da uno stato di standby. Certamente, le sottoeleongazioni devono continuare ad essere impedite a causa del rischio di provocare un indesiderato spegnimento del microprocessore alimentato.
Per limitare le sottoelongazioni della tensione di uscita, i regolatori di tensione noti sono dotati di linee di retroazione progettate per limitare le sottoelongazioni come richiesto dalle specifiche, nonostante che queste linee di retroazione rallentino anche l’aumento della tensione di uscita quando la tensione di riferimento à ̈ rapidamente aumentata.
Un’architettura di regolatore di tensione che permettesse di regolare separatamente le compensazioni delle sottoelongazioni e delle sovraelongazioni, potrebbe prevenire le sottoelongazioni permettendo vantaggiose sovraelongazioni della tensione di uscita, così prevenendo qualsiasi rischio di spegnere accidentalmente un microprocessore alimentato e allo stesso tempo assicurare un veloce recupero da uno stato di basso consumo.
La Richiedente ha trovato nuove architetture di regolatori a commutazione DC-DC in grado di limitare sottoelongazioni ed eventualmente anche sovraelongazioni della tensione di uscita, ma in maniera o misura indipendente.
Come nei noti regolatori a commutazione, i nuovi regolatori della Richiedente comprendono:
uno stadio di potenza di uscita pilotato da una tensione di controllo e adatto a generare la tensione regolata;
un primo amplificatore di errore adatto a produrre detta tensione di controllo su un terminale di uscita, adatto a ricevere detta tensione di riferimento su un primo terminale di ingresso;
una prima rete di retroazione collegata tra l’uscita del regolatore e un secondo terminale di ingresso del primo amplificatore di errore;
una seconda rete di retroazione collegata tra il terminale di uscita del primo amplificatore di errore e il suo stesso secondo terminale di ingresso.
Ciò che rende i nuovi regolatori della Richiedente in grado di limitare le sottoelongazioni della tensione di uscita senza avere un effetto simile sulle sovraelongazioni à ̈ la presenza di una rete di cancellazione di corrente, ricevente in ingresso la tensione di riferimento e accoppiata al secondo ingresso dell’amplificatore di errore. Questa rete di cancellazione di corrente à ̈ adatta ad iniettare nel secondo ingresso una corrente di compensazione unidirezionale delle correnti prima e seconda iniettate dalle reti di retroazione prima e seconda, rispettivamente, la corrente di compensazione essendo determinata da variazioni temporali della differenza tra una replica della tensione regolata di uscita e la tensione di riferimento e/o da variazioni temporali della tensione di riferimento.
Preferibilmente, la rete di cancellazione di corrente à ̈ adatta ad iniettare nel secondo ingresso una corrente di compensazione, che à ̈ tale da compensare la corrente attraverso le reti di retroazione prima e seconda, determinata aumentando variazioni temporali della differenza tra una replica di detta tensione regolata di uscita e detta tensione di riferimento e/o aumentando variazioni temporali di detta tensione di riferimento.
Se richiesto, le sovraelongazioni della tensione di uscita possono essere limitate indipendentemente con una rete R-C dedicata distinta dalla rete di cancellazione.
L’invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La Figura 1 mostra diagrammi temporali esemplificativi della tensione di riferimento e della tensione di uscita di un regolatore.
La Figura 2 mostra un classico regolatore di tensione a commutazione e il suo circuito equivalente.
La Figura 3 mostra un altro classico regolatore di tensione a commutazione con controllo AVP e la caratteristica corrente-tensione che descrive l’azione di controllo.
La Figura 4 Ã ̈ un noto regolatore di tensione a commutazione divulgato nel documento US 2007/0273348.
La Figura 5 Ã ̈ una forma di realizzazione del circuito che genera un segnale di pilotaggio PWM per lo stadio di potenza di un nuovo regolatore di tensione, avente una rete di cancellazione di corrente che genera una corrente di compensazione che non inverte mai il suo segno.
La Figura 6 à ̈ un’altra forma di realizzazione del circuito che genera un segnale di pilotaggio PWM per lo stadio di potenza di un nuovo regolatore di tensione, avente una rete di cancellazione di corrente che genera una corrente di compensazione che non inverte mai il suo segno.
Le Figure da 7 a 10 sono ancora altre forme di realizzazione del circuito che genera un segnale di pilotaggio PWM per lo stadio di potenza di un nuovo regolatore di tensione, avente una rete di cancellazione di corrente che genera una corrente di compensazione che non inverte mai il suo segno.
La Figura 11 confronta diagrammi temporali dei principali segnali dei regolatori di tensione delle FIG.3 e 10.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
Test eseguiti dalla Richiedente hanno mostrato che à ̈ possibile limitare sottoelongazioni e sovraelongazioni della tensione di uscita separatamente le une dalle altre.
Una forma di realizzazione di un nuovo regolatore di tensione à ̈ illustrata in FIG. 5. Come nei noti regolatori di tensione, esso ha un amplificatore di errore EA che genera la tensione di confronto Vcomp confrontando la tensione di riferimento Vref con la tensione di retroazione sul nodo di retroazione FB, e un comparatore che genera il segnale di pilotaggio PWM confrontando la tensione Vcomp con la tensione a rampa Vramp.
Il nuovo regolatore di tensione illustrato à ̈ in grado di compensare solo sottoelongazioni e non sovraelongazioni perché esso ha una rete di cancellazione, che nella figura à ̈ racchiusa dalla linea tratteggiata, che preleva una corrente Ivo dal nodo FB solo quando la corrente IAà ̈ positiva, cioà ̈ quando Ivo<IB. La corrente Ivo à ̈ determinata dalla differenza tra la tensione di uscita Vo e la tensione di riferimento Vref ed à ̈ positiva quando la tensione di riferimento diminuisce più velocemente della tensione di uscita Vo o aumenta più lentamente della tensione di uscita.
Quindi, in caso di un brusco incremento della tensione di riferimento o di un brusco decremento della tensione di uscita, la rete di compensazione illustrata agisce in modo che la tensione di uscita segua rapidamente la tensione di riferimento, prevenendo così qualsiasi rischio di sottoelongazione. Al contrario, in caso di una brusca diminuzione della tensione di riferimento rispetto alla tensione di uscita Vo, la corrente Ivo dovrebbe invertirsi, ma ciò à ̈ impossibile perché lo specchio di corrente M1:M2 non permette che questo accada. Quindi, la rete di compensazione si spegne e non à ̈ iniettata alcuna corrente di compensazione Ivo nel nodo di retroazione FB, permettendo così sovraelongazioni della tensione di uscita.
Secondo un’altra forma di realizzazione illustrata in FIG. 6, diversamente dal circuito di FIG. 5, la rete R-C collegata al nodo REF à ̈ riferita a massa. Il funzionamento à ̈ simile a quello del circuito di FIG.5, ma la corrente Iv à ̈ terminata solo da variazioni della tensione di riferimento Vref. E’ da notare che un nuovo regolatore di tensione con una rete in grado di generare una corrente di cancellazione unidirezionale può essere ottenuto modificando l’architettura illustrata in FIG.4. Il tecnico esperto noterà che un nuovo regolatore di tensione (non mostrato nelle figure) simile a quello illustrato in FIG. 4, in cui un diodo fosse connesso tra l’amplificatore XK2 AMP e il resistore R2, o tra il resistore R2 e il condensatore C2, o tra il condensatore C2 e il nodo FB, sarebbe in grado di generare una corrente di compensazione unidirezionale adatta a prevenire o limitare sottoelongazioni permettendo sovraelongazioni della tensione di uscita.
Il circuito di FIG. 7 combina le soluzioni illustrate nelle FIG. 5 e 6, in modo da avere una compensazione più accurata della tensione di uscita nel caso di una brusca diminuzione della tensione di riferimento.
Secondo ancora un’altra forma di realizzazione, illustrata in FIG. 8, il circuito di FIG.5 può essere dotato di un’ulteriore rete RC Rz-Cz collegata al nodo di retroazione FB per compensare eventuali sovraelongazioni della tensione di uscita Vo. E’ da notare che quest’ultima rete R-C non causa alcuna sottoelongazione perché, quando la tensione di uscita diminuisce, la corrente Ivo Iv iniettata nel nodo FB compensa le correnti Ic1 e Iz.
La rete Rz-Cz può essere aggiunta anche ai circuiti delle FIG. 6 e 7, come mostrato nelle FIG. 9 e 10, e perfino al nuovo regolatore di tensione, descritto in precedenza ma non mostrato nelle figure, basato sull’architettura della domanda di brevetto statunitense citata a nome della Intersil.
La FIG. 11 mostra i miglioramenti negli andamenti della tensione di uscita Vo e della tensione di confronto Vcomp ottenuti con il nuovo regolatore di tensione di FIG. 10. Come mostrato dalle linee tratteggiate, la tensione di confronto Vcomp aumenta più velocemente che nei noti regolatori di tensione e quindi le sottoelongazioni della tensione di uscita Vo sono fortemente limitate.
Il grafico temporale illustrato mostra che, diversamente dai regolatori di tensione noti, le sovraelongazioni causate da brusche riduzioni della corrente assorbita dal carico sono efficientemente limitate senza limitare l’aumento della tensione di uscita quando la tensione di riferimento aumenta rapidamente.
Questo effetto vantaggioso à ̈ causato dalla stessa rete Rvo-Cvo. Infatti, quando la tensione di riferimento resta costante e la tensione di uscita aumenta a causa di una riduzione della corrente assorbita dal carico alimentato, la rete Rvo-Cvo inietta una corrente di compensazione nel nodo FB come se la tensione di riferimento fosse stata ridotta.
Quando la tensione di riferimento Vref à ̈ aumentata per far sì che il microprocessore alimentato esca dallo stato di stand-by, gli specchi di corrente del regolatore di tensione di FIG.10 non iniettano alcuna corrente di compensazione nel nodo FB fintantoché la tensione di riferimento Vref sta aumentando, anche se la tensione di uscita sta aumentando, perché la corrente attraverso la rete Rvo-Cvo sta circolando in direzione opposta rispetto a quella permessa dagli specchi di corrente. Quindi, si permette alla tensione di uscita di aumentare senza essere rallentata. Al contrario, quando la tensione di riferimento smette di aumentare, la corrente circolante attraverso la rete Rvo-Cvo si inverte ed à ̈ iniettata nel nodo FB per limitare la sovraelongazione della tensione di uscita.
Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e sono qui incorporate per espresso riferimento.
FIG. 1, 11
time tempo
FIG. 2
Comparator Comparatore
Driver Circuito di pilotaggio
Block diagram Diagramma a blocchi
FIG. 3
Average model of the voltage Modello per un punto di regulator with AVP control funzionamento del regolatore di tensione con controllo AVP Output voltage vs. load current Tensione di uscita vs. corrente di carico
FIG. 4
Pulse width modulator Modulatore a larghezza di impulso Low pass filter Filtro passa basso
Load Carico

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un regolatore di tensione adatto a generare su un nodo di uscita una tensione regolata che à ̈ sostanzialmente una replica di una tensione di riferimento fornita su un nodo di ingresso del regolatore, comprendente: uno stadio di potenza pilotato da una tensione di controllo (Vcomp) e adatto a generare detta tensione regolata; un primo amplificatore di errore (EA) adatto a generare detta tensione di controllo (Vcomp) su un terminale di uscita, adatto a ricevere detta tensione di riferimento su un primo terminale di ingresso; una prima rete di retroazione collegata tra detta uscita del regolatore e un secondo terminale di ingresso del primo amplificatore di errore (EA); una seconda rete di retroazione collegata tra detto terminale di uscita del primo amplificatore di errore (EA) e detto secondo terminale di ingresso di esso; una rete di cancellazione di corrente ricevente in ingresso detta tensione di riferimento (Vref) e accoppiata a detto secondo ingresso dell’amplificatore di errore, adatta ad iniettare in detto secondo ingresso una corrente di compensazione unidirezionale adatta a compensare le correnti prima e seconda di dette reti di retroazione prima e seconda, rispettivamente, la corrente di compensazione essendo determinata da variazioni temporali della differenza tra una replica della tensione regolata di uscita e la tensione di riferimento e/o da variazioni temporali della tensione di riferimento.
  2. 2. Il regolatore di tensione della rivendicazione 1, in cui detta rete di cancellazione di corrente à ̈ adatta ad iniettare in detto secondo ingresso detta corrente di compensazione che à ̈ tale da compensare la corrente attraverso dette reti di retroazione prima e seconda determinate aumentando variazioni temporali della differenza tra una replica di detta tensione regolata di uscita e detta tensione di riferimento e/o aumentando variazioni temporali di detta tensione di riferimento.
  3. 3. Il regolatore di tensione della rivendicazione 2, in cui detta rete di cancellazione comprende: un secondo amplificatore di errore (REF BUFFER) ricevente su un primo ingresso detta tensione di riferimento (Vref); uno stadio cascode (A) polarizzato in uno stato di conduzione controllato da detto secondo amplificatore di errore (REF BUFFER) ed avente un terminale di corrente cortocircuitato ad un secondo ingresso del secondo amplificatore di errore (REF BUFFER); una terza rete di retroazione collegata tra detto secondo terminale di ingresso del secondo amplificatore di errore (REF BUFFER) e o a detta uscita del regolatore o ad un nodo ad un potenziale di riferimento, adatta a generare una terza corrente rappresentativa o della derivata temporale della differenza tra detta tensione di riferimento e detta tensione regolata di uscita o della derivata temporale di detta tensione di riferimento; una rete di specchiatura accoppiata tra l’altro terminale di corrente di detto stadio cascode (A) e detto secondo ingresso del primo amplificatore di errore (EA), adatto ad iniettare detta terza corrente in detto secondo ingresso del primo amplificatore di errore (EA) solo quando detta terza corrente assume un certo segno.
  4. 4. Il regolatore di tensione della rivendicazione 3, in cui detta rete di specchiatura comprende: un primo specchio di corrente (M1:M2) avente la sua linea di ingresso in serie con detto stadio cascode (A); un secondo specchio di corrente (M3:M4) avente la sua linea di ingresso collegata in parallelo alla linea di uscita di detto primo specchio di corrente (M1:M2) e ad una rete adatta a prelevare una certa corrente fissa da esso in modo che il secondo specchio di corrente (M3:M4) venga attraversato da detta terza corrente; un terzo specchio di corrente (N1:N2) in cascata a detto secondo specchio di corrente (M3:M4), avente un terminale di uscita collegato a detto secondo ingresso del primo amplificatore di errore (EA).
  5. 5. Il regolatore di tensione di una delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente inoltre una rete R-C (Rz, Cz) collegata tra detto secondo terminale di ingresso del primo amplificatore di errore (EA) e un nodo ad un potenziale di riferimento.
  6. 6. Il regolatore di tensione di una delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente inoltre una quarta rete di retroazione collegata in modo da iniettare in detto secondo ingresso del primo amplificatore di errore (EA) una quarta corrente (Idroop) rappresentativa di una corrente di uscita fornita dal regolatore.
  7. 7. Il regolatore di tensione della rivendicazione 3, comprendente: una seconda rete R-C (Rv, Cv) collegata tra detto secondo terminale di ingresso del secondo amplificatore di errore (REF BUFFER) e un nodo a un potenziale di riferimento, o una terza rete R-C (Rvo, Cvo) collegata tra detto secondo terminale di ingresso del secondo amplificatore di errore (REF BUFFER) e detto nodo di uscita del regolatore a detta tensione di uscita regolata (Vo).
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