ITTO20070860A1

ITTO20070860A1 - Circuito e relativo metodo di auto-alimentazione per un convertitore di tensione

Info

Publication number: ITTO20070860A1
Application number: IT000860A
Authority: IT
Inventors: Salvatore Giombanco; Salvatore Tumminaro
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-05-30
Also published as: CN101483391B; EP2066012A3; CN101483391A; EP2066012B1; EP2066012A2; US8325502B2; US20090140712A1

Description

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione è relativa ad un circuito e ad un relativo metodo di auto-alimentazione per un convertitore di tensione, e più precisamente per un convertitore di tensione a commutazione ( "switched-mode voltage converter") controllato in modulazione di ampiezza di impulso (PWM - Pulse Width Modulation).

Come è noto, i convertitori di tensione a commutazione, preferiti per la loro alta efficienza e per il loro ridotto ingombro rispetto a convertitori lineari classici, implementano solitamente una tecnica di auto-alimentazione che permette di ottenere, a fronte di tensioni di ingresso non regolate, tensioni di uscita regolate aventi ampiezza maggiore o minore della tensione di ingresso.

Una delle tipologie più comuni di convertitori di tensione a commutazione è del tipo isolato ad accumulo ("flyback"). Un convertitore di tensione flyback permette di convertire un primo valore di tensione (presente su un ingresso del convertitore) in un secondo valore di tensione (fornito sull'uscita del convertitore) , mantenendo galvanicamente isolati l'ingresso e l'uscita del convertitore stesso mediante l'utilizzo di un trasformatore.

La figura 1 mostra uno schema circuitale di un noto convertitore di tensione 1, di tipo flyback.

Il convertitore di tensione 1 presenta un ingresso 2 a cui è applicata una tensione di ingresso Vin(ad esempio fornita da un circuito rettificatore, non illustrato, a partire dalla tensione di rete), ed un'uscita 3 fornente una tensione di uscita Vout#e comprende un trasformatore 4, avente un lato primario ed un lato secondario, isolato elettricamente dal lato primario. In particolare, il trasformatore 4 presenta un avvolgimento primario 4a collegato all'ingresso 2, un avvolgimento secondario 4b collegato all'uscita 3 mediante l'interposizione di un primo diodo 6, ed un avvolgimento ausiliario 4c (quest'ultimo disposto sul lato primario del trasformatore 4). Un condensatore di uscita 7 è collegato all'uscita 3; un transistore principale 10, in particolare un transistore MOS a canale N, è collegato tra un nodo interno 8, a sua volta collegato all'avvolgimento primario 4a, ed un terminale di riferimento 9 (ad esempio un terminale di massa); ed un condensatore di bulk 11 è collegato tra l'ingresso 2 ed il terminale di riferimento 9.

Il convertitore di tensione 1 comprende inoltre: un controllore PWM 12, utilizzato per la regolazione della tensione di uscita Vout, avente un terminale di alimentazione 13 ricevente una tensione di alimentazione Vcce collegato all'avvolgimento ausiliario 4c tramite l'interposizione di un secondo diodo 14, ed un terminale di uscita collegato al terminale di porta del transistore principale 10, e fornente un segnale in PWM per comandare l'apertura e la chiusura del transistore principale 10 stesso; ed un circuito di autoalimentazione 15, avente un terminale di ingresso collegato all'ingresso 2 del convertitore di tensione 1, ed un terminale di uscita coincidente con il terminale di alimentazione 13 del controllore PWM 12 e fornente la tensione di alimentazione Vcc.

In dettaglio, il circuito di auto-alimentazione 15 comprende: un condensatore di accumulo 16, collegato tra il terminale dì alimentazione 13 ed il terminale di riferimento 9; ed un resistore di start-up 18 collegato tra il terminale di ingresso 2 del convertitore di tensione 1 ed il terminale di alimentazione 13.

In modo noto, la funzione del circuito di autoalimentazione 15 è quella di alimentare il controllore PWM 12 per consentirgli di regolare la tensione di uscita Vout. In uso, il condensatore di accumulo 16 viene caricato inizialmente dalla tensione di ingresso Vj_nattraverso il resistore di start-up 18. Il controllore PWM 12 si accende quando il valore della tensione sul condensatore di accumulo 16 raggiunge un primo valore di soglia Vccon/ad esempio pari a 13,5 V. Successivamente, il controllore PWM 12 riceve la tensione di alimentazione Vccdirettamente dall'avvolgimento ausiliario 4c del trasformatore 4.

Il resistore di start-up 18 è utilizzato nella fase iniziale di accensione ("start-up") del convertitore di tensione 1, per fornire l'alimentazione di accensione al controllore PWM 12; tuttavia, una corrente scorre attraverso il resistore di start-up 18 anche al termine della fase iniziale di accensione, causando una notevole dissipazione di potenza e riducendo l'efficienza del convertitore di tensione 1.

Inoltre, se il convertitore è utilizzato per regolare anche una corrente di uscita Iout, ad esempio come caricabatteria, l'avvolgimento ausiliario 4c viene anche utilizzato, in modo noto e non descritto in dettaglio, per fornire un segnale di retroazione al controllore PWM 12, per regolare sia la tensione di uscita Voutche la corrente di uscita Iout· In tal caso, la tensione sull'avvolgimento ausiliario 4c potrebbe non avere un valore sufficiente ad alimentare il controllore PWM 12; pertanto, anche durante la fase di commutazione in cui il controllore PWM 12 è attivo, il controllore PWM 12 stesso è auto-alimentato attraverso il resistore di start-up 18, incrementando quindi la dissipazione di potenza totale.

La figura 2 mostra una differente realizzazione circuitale del circuito di auto-alimentazione 15 del convertitore di tensione 1 (i restanti elementi del convertitore di tensione, comunque presenti anche in questa realizzazione, non vengono qui nuovamente illustrati, per chiarezza).

In dettaglio, il circuito di auto-alimentazione 15 comprende: il condensatore di accumulo 16 (precedentemente descritto); un transistore ausiliario 21, in particolare un transistore MOS a canale N, avente terminale di pozzo collegato all'ingresso 2 del convertitore di tensione 1 e ricevente la tensione di ingresso Vin; un primo resistore di polarizzazione 22 avente, ad esempio, valore di resistenza pari a 15 ΜΩ, connesso tra l'ingresso 2 del convertitore di tensione 1 ed il terminale di porta del transistore ausiliario 21; un secondo resistore di polarizzazione 23 collegato tra il terminale di porta del transistore ausiliario 21 ed il terminale di riferimento 9; un generatore di corrente 24, connesso tra il terminale di sorgente del transistore ausiliario 21 ed il terminale di alimentazione 13 del controllore PWM 12, tramite l'interposizione di un terzo diodo 25, ed avente un terminale di comando; ed un interruttore 26 collegato tra il terminale di porta del transistore ausiliario 21 ed il terminale di riferimento 9.

Il circuito di auto-alimentazione 15 comprende inoltre una logica di controllo 28, avente un primo ingresso collegato al terminale di porta del transistore ausiliario 21, un secondo ingresso collegato al terminale di alimentazione 13, una prima uscita fornente un segnale di controllo Vcc_OK ad un terminale di controllo dell'interruttore 26, ed una seconda uscita fornente al terminale di comando del generatore di corrente 24 un segnale di attivazione HV_EN.

In uso, durante una fase di start-up, quando la tensione di ingresso Vin(in seguito al progressivo caricamento del condensatore di bulk 11 mostrato in figura 1) raggiunge un dato valore di soglia, ad esempio pari a 80 V, la logica di controllo 28 accende il generatore di corrente 24 tramite il segnale di attivazione HV_EN, permettendo ad una corrente IChargedi fluire attraverso il transistore ausiliario 21. Tale corrente ICharge/ad esempio del valore di 1 mA, carica il condensatore di accumulo 16 innalzando in modo sostanzialmente lineare la tensione di alimentazione Vcc, presente ai suoi capi. Quando la tensione di alimentazione Vccraggiunge il primo valore di soglia Vccon/il segnale Vcc_OK generato dalla logica di controllo 28 chiude l'interruttore 26, causando lo spegnimento del transistore ausiliario 21 e l'interruzione del flusso di corrente IChargeattraverso il transistore ausiliario 21 stesso ed il generatore di corrente 24. Il controllore PWM 12 (figura 1) è in seguito alimentato dall'energia immagazzinata nel condensatore di accumulo 16, fino a che l'avvolgimento ausiliario 4c genera una tensione sufficientemente elevata a sostenere le operazioni di regolazione del controllore stesso.

Il consumo residuo del circuito di autoalimentazione 15 è quindi dovuto solamente alla presenza del primo resistore di polarizzazione 22, ed è tipicamente da 50 a 70 volte inferiore rispetto al circuito di figura 1.

Il circuito di auto-alimentazione 15 interviene inoltre per caricare il condensatore di accumulo 16 durante la fase di commutazione del transistore principale 10 (figura 1), nel caso in cui la tensione sull'avvolgimento ausiliario non sia sufficiente a fornire la tensione di alimentazione Vcc, ad esempio, nel caso di funzionamento di caricabatteria, quando la batteria è scarica o in presenza di sovraccarico in uscita. In dettaglio, non appena la tensione di alimentazione Vccscende al di sotto di un secondo valore di soglia Vccrestart, ad esempio pari a 10,5 V, la logica di controllo 28 comanda in apertura l'interruttore 26 mediante il segnale Vcc_OK, ed abilita in conduzione il generatore di corrente 24 mediante il segnale HV_EN, in modo tale da caricare il condensatore di accumulo 16 tramite la corrente ICharge-Vantaggiosamente, al fine di contenere i costi, è possibile integrare in uno stesso chip (non mostrato) il transistore ausiliario 21 ed il transistore principale 10. In tal caso, come mostrato in figura 3, il transistore ausiliario 21 ed il transistore principale 10 vengono realizzati in modo tale da condividere il terminale di pozzo (drain); tale terminale di pozzo è collegato al nodo interno 8 (figura 1), a sua volta collegato all'avvolgimento primario 4a del trasformatore 4, e si trova ad una tensione non costante (che commuta tra un valore all'incirca pari a 0 V ed il valore della tensione di ingresso Vin).

Il circuito di auto-alimentazione 15 di figura 3 consente quindi di caricare il condensatore di accumulo 16 solo quando il transistore principale 10 è spento, cioè quando la tensione del suddetto terminale di pozzo (o, in maniera analoga del nodo interno 8) è alta, e pari al valore della tensione di ingresso Vin. Di conseguenza, nel caso in cui il circuito di autoalimentazione 15 venga utilizzato anche per l'autoalimentazione del controllore PWM 12 attraverso il condensatore di accumulo 16 durante la fase di commutazione del controllore PWM 12 stesso, la corrente Ichargepuò caricare il condensatore di accumulo 16 solo durante la fase OFF del periodo di commutazione, quando la tensione del terminale di pozzo è alta. Questa condizione può compromettere il corretto funzionamento del circuito di auto-alimentazione 15, specialmente per elevati valori di duty cycle (maggiori di 50%) del segnale di commutazione che regola il funzionamento del convertitore di tensione 1, e pertanto limita notevolmente il valore massimo di duty cycle realizzabile .

Infatti, il transistore ausiliario 21 dovrebbe essere in grado di accendersi rapidamente durante lo spegnimento del transistore principale 10, al fine di massimizzare il tempo utile (corrispondente sostanzialmente alla fase OFF del segnale di commutazione) per caricare il condensatore dì accumulo 16. Tuttavia, la velocità di accensione del transistore ausiliario 21 è limitata dalla capacità di porta di quest'ultimo e dalla presenza del primo resistore di polarizzazione 22, il cui valore è comunemente scelto elevato (ad esempio pari a 15 ΜΩ) al fine di minimizzare le perdite.

In uso, quando il transistore principale 10 è acceso, la tensione sul nodo interno 8 è di circa 0 V ed il transistore ausiliario 21 è spento. Quando il transistore principale 10 viene spento, il segnale Vcc_OK generato dalla logica di controllo 28 comanda in apertura l'interruttore 26, la tensione sul terminale di pozzo del transistore ausiliario 21 inizia ad aumentare ed il condensatore di porta dello stesso transistore ausiliario 21 viene caricato, prima dall'iniezione di carica proveniente dalla capacità esistente tra i terminali di pozzo e di porta e, in seguito, quando la tensione sul terminale di pozzo raggiunge un valore sufficientemente elevato, attraverso il resistore di polarizzazione 22. Entrambi questi contributi di carica non sono però sufficienti ad accendere completamente il transistore ausiliario 21, e a fornire la corrente IChargerichiesta dal generatore di corrente 24, in un tempo ragionevole. Come conseguenza, una parte sostanziale del tempo a disposizione per caricare il condensatore di accumulo 16 non viene sfruttata. Per garantire comunque l'operazione di auto-alimentazione, è dunque comune limitare il duty cycle ad un valore inferiore al 50%, ad esempio al 45%.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un circuito ed un metodo di auto-alimentazione che siano esenti dagli inconvenienti sopra descritti, ed in particolare che consentano di garantire l'autoalimentazione nel convertitore di tensione senza imporre limitazioni sul duty cycle.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un circuito ed un metodo di auto-alimentazione, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 15.

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 flyback di tipo noto;

- la figura 2 mostra uno schema circuitale di un circuito di auto-alimentazione del convertitore dì tensione di figura 1;

- la figura 3 mostra un differente schema circuitale, di tipo noto, del circuito di auto-alimentazione;

- la figura 4 mostra parte di uno schema circuitale di un convertitore di tensione con evidenziato un circuito di auto-alimentazione, realizzato secondo un aspetto della presente invenzione;

- la figura 5 mostra una possibile realizzazione circuitale di uno stadio di precarica all'interno del circuito di auto-alimentazione di figura 4;

- le figure 6 e 7 mostrano l'andamento nel tempo delle forme d'onda di segnali elettrici coinvolti durante una fase di precarica nel convertitore di tensione di figura 4;

- la figura 8 mostra una possibile realizzazione di un blocco di controllo di precarica interno allo stadio di precarica di figura 5;

- la figura 9 mostra l'andamento di segnali elettrici coinvolti durante la fase di precarica;

- la figura 10 mostra una prima forma di realizzazione di una porzione del blocco di controllo di precarica;

- la figura 11 mostra l'andamento dei segnali coinvolti durante la fase di precarica, utilizzando il blocco di controllo di precarica di figura 10;

- la figura 12 mostra una seconda forma di realizzazione del blocco di controllo di precarica;

- la figura 13 mostra l'andamento dei segnali coinvolti durante la fase di precarica, utilizzando il blocco di controllo di precarica di figura 12;

- la figura 14 mostra una terza forma di realizzazione del blocco di controllo di precarica; e - la figura 15 mostra l'andamento dei segnali coinvolti durante la fase di precarica, utilizzando il blocco di controllo di precarica di figura 14.

La figura 4 mostra un circuito di autoalimentazione 30, realizzato secondo un aspetto della presente invenzione; elementi già descritti con riferimento all'arte nota vengono identificati con gli stessi numeri di riferimento e non vengono nuovamente descritti. In particolare, il circuito di autoalimentazione 30 può trovare vantaggioso utilizzo in un convertitore di tensione 1 del tipo descritto con riferimento alla figura 1 (qui non illustrato).

In dettaglio, il circuito di auto-alimentazione 30 differisce da quanto descritto in figura 3, in quanto comprende uno stadio di precarica 31 collegato direttamente al terminale di porta del transistore ausiliario 21. In particolare, si noti che, nonostante non vengano nuovamente descritti in dettaglio, sono nuovamente presenti il secondo resistore di polarizzazione 23 e la logica di controllo 28 (per maggiore chiarezza, tali elementi non vengono nuovamente mostrati nelle figure successive).

Lo stadio di precarica 31 consente di ottenere una rapida accensione del transistore ausiliario 21 durante ciascun ciclo di commutazione, in quanto ha la funzione di pre-caricare la capacità tra i terminali di porta e sorgente del transistore ausiliario 21 mentre la tensione sul terminale di pozzo è ancora ad un valore basso, durante o al termine della fase di accensione (fase ON del periodo di commutazione) del transistore principale 10. In questo modo, in seguito allo spegnimento del transistore principale 10, quando la tensione presente sul nodo interno 8 inizia ad aumentare, il transistore ausiliario 21 è già acceso ed il generatore di corrente 24 può generare la corrente Ichargeper caricare il condensatore di accumulo 16 senza apprezzabili ritardi temporali. Si noti inoltre che lo stadio di precarica 31 ha anche la funzione di comandare lo spegnimento del transistore ausiliario 21, per interrompere il flusso della stessa corrente Icharge-In particolare, il valore della corrente Ichargegenerata dal generatore di corrente 24 viene determinato in funzione del massimo duty cycle Dmaxdel segnale di commutazione, e del consumo di corrente IConsdel convertitore di tensione 1, e deve soddisfare la seguente condizione:

Nel caso sia soddisfatta tale relazione, l'operazione di auto-alimentazione viene eseguita senza limitare il duty cycle del segnale di commutazione.

Infatti, la corrente media di carica del condensatore di accumulo 16 è pari a:

dove Dauxè il duty-cycle della corrente ICharge, ovvero il rapporto tra il tempo impiegato per la carica del condensatore di accumulo 16 ed il periodo di commutazione. Poiché, come discusso in precedenza, la carica del condensatore di accumulo 16 è abilitata quando il transistore principale è spento si ha che:

La corrente media deve essere tale da caricare il condensatore di accumulo 16 e contemporaneamente sostenere il consumo del controllore PWM 12. Pertanto, affinché ciò sia garantito, deve valere la seguente relazione (da cui si ricava la suddetta condizione):

Come mostrato in figura 5, in una possibile forma di realizzazione, lo stadio di precarica 31 comprende: un primo interruttore di precarica 33, collegato tra il terminale di porta del transistore ausiliario 21 ed il terminale di riferimento 9; un secondo interruttore di precarica 34, collegato tra il terminale di sorgente del transistore ausiliario 21 ed il terminale di riferimento 9; un terzo interruttore di precarica 35, collegato tra il terminale di porta del transistore ausiliario 21 ed il terminale di alimentazione 13 del controllore PWM 12 (e quindi al condensatore di accumulo 16); ed un blocco di controllo di precarica 36 atto a generare rispettivi segnali di controllo per il primo, secondo e terzo interruttore di precarica 33, 34, 35 tali da implementare la gestione dell'auto-alimentazione. In dettaglio, il primo interruttore di precarica 33 è controllato in apertura e in chiusura da un segnale logico HV_EN_G, il secondo interruttore di precarica 34 è controllato in apertura e in chiusura da un segnale logico HV_EN_S, ed il terzo interruttore di precarica 35 è controllato in apertura e in chiusura da un segnale logico EN_PRE.

In particolare, quando il generatore di corrente 24 è disabilitato (durante la fase ON del periodo di commutazione) , il primo ed il secondo interruttore di precarica 33, 34 sono chiusi (segnali HV_EN_G e HV_EN_S alti) ed il terzo interruttore di precarica 35 è aperto (segnale EN_PRE basso), collegando il terminale di sorgente e di porta del transistore ausiliario 21 al terminale di riferimento 9. Al termine della fase ON di accensione del transistore principale 10 (come sarà chiarito in seguito), il primo interruttore di precarica 33 viene comandato in apertura (segnale HV_EN_G basso), mentre il secondo ed il terzo interruttore di precarica 34, 35 vengono comandati in chiusura (segnali HV_EN_S e EN_PRE alti). In questo modo, il terminale di sorgente del transistore ausiliario 21 è collegato al terminale di riferimento 9 ed il terminale di porta direttamente alla tensione di alimentazione Vcc, avviando la precarica della capacità porta-sorgente del transistore ausiliario 21 alla tensione di alimentazione Vccstessa.

Prima che la tensione sul terminale di pozzo del transistore ausiliario 21 inizi a crescere, o nel momento in cui tale tensione inizia a crescere, il secondo ed il terzo interruttore di precarica 34, 35 vengono comandati in apertura (segnali HV_EN_S e EN_PRE bassi), dato che la fase di precarica può considerarsi completata. Si noti che il transistore ausiliario 21, in questa situazione, è già acceso, e la corrente di carica Ichargepuò immediatamente fluire, non appena la tensione al nodo interno 8 diventa alta, attraverso il generatore di corrente 24 caricando il condensatore di accumulo 16, sfruttando pertanto l'intera fase OFF del segnale di commutazione .

La figura 6 mostra le forme d'onda della tensione sul terminale di pozzo, indicata con V(drain), sul terminale di porta, indicata con V(gate), e sul terminale di sorgente, indicata con V(source), del transistore ausiliario 21, e della corrente di carica Icharge· In seguito alle commutazioni del transistore principale 10 (istanti di tempo t1e t2), la forma d'onda della corrente Ichargesegue l'andamento della forma d'onda della tensione sul terminale di pozzo V(drain), rispondendo immediatamente alle sue variazioni, grazie alla fase di precarica gestita dallo stadio di precarica 31.

La figura 7 mostra una porzione ingrandita delle suddette forme d'onda, all'incirca in corrispondenza della commutazione all'istante di tempo t2, insieme all'andamento dei segnali logici HV_EN_G, HV_EN_S, e EN_PRE, con evidenziata la fase di precarica. Si noti che la tensione sul terminale di porta V(gate) inizia a salire in seguito alla commutazione del segnale EN_PRE al valore alto, come risultato dell'operazione di precarica .

In figura 8 viene mostrata una possibile forma di realizzazione del blocco di controllo di precarica 36 dello stadio di precarica 31, che comprende una logica di precarica 38, ed un controllore di fine precarica 39.

Il controllore di fine precarica 39 controlla, come sarà descritto in dettaglio in seguito, l'istante di tempo opportuno in corrispondenza del quale arrestare la fase di precarica del transistore ausiliario 21, generando un segnale di fine precarica END_PRE.

La logica di precarica 38 riceve in ingresso, dal controllore di fine precarica 39, il segnale di fine precarica END_PRE, e, dal controllore PWM 12, un segnale di comando QGfunzione di un segnale che controlla in modo di per sé noto (ad esempio attraverso un driver) il transistore principale 10. La logica di precarica 38, in funzione del segnale di fine precarica END_PRE e del segnale di comando QG, genera i segnali logici HV_EN_G, HV_EN_S, EN_PRE per la gestione della fase di precarica.

La figura 9 mostra in dettaglio l'andamento del segnale di comando QG, del segnale logico EN_PRE, della tensione sul terminale di porta V(gate) e della tensione sul terminale di pozzo V(drain) del transistore principale 10. In dettaglio, quando il segnale di comando QGè attivo alto, il transistore principale 10 è in conduzione (il segnale di tensione sul terminale di porta V(gate) è alto), mentre il segnale di tensione sul terminale di pozzo V(drain) ed il segnale logico EN_PRE hanno valore basso, indicando che non si è in fase di precarica. Non appena il segnale QGassume valore basso (istante di tempo ti), inizia il transitorio di spegnimento del transistore principale 10, il segnale di tensione sul terminale di porta V(gate) inizia a decrescere, ed il segnale logico EN_PRE assume valore alto, indicando l'inizio dell'intervallo di precarica. La fase di precarica viene disabilitata dal controllore di fine precarica 39 all'istante di tempo t2, prima del termine di un intervallo di ritardo Tdelay, che rappresenta il ritardo di spegnimento del transistore principale 10, dopo il quale il segnale di tensione sul terminale di porta V(gate) scende sotto la tensione di soglia VTHdel transistore principale 10, e la tensione sul terminale di pozzo V(drain) comincia a crescere. È infatti opportuno che la fase di precarica termini prima che il segnale di tensione sul terminale di pozzo V(drain) inizi a crescere, per evitare il fenomeno della "cross conduction" (cross-conduzione) tra il terminale di pozzo del transistore ausiliario 21 e il terminale di riferimento 9.

Come mostrato in figura 10, in una prima forma di realizzazione, il controllore di fine precarica, indicato qui con 39’, consiste in un dispositivo comparatore 42 ricevente su un primo ingresso una tensione di riferimento VREF/e su un secondo ingresso la tensione sul terminale di porta V(gate) prelevata sul terminale di porta del transistore principale 10, e fornente in uscita il segnale di fine precarica END_PRE. Quando il valore della tensione sul terminale di porta V(gate) scende sotto il valore della tensione di riferimento VREF»il segnale di fine carica END_PRE assume un valore logico (ad esempio alto) indicativo della fine dell'intervallo di precarica.

Come mostrato in figura 11, il valore della tensione di riferimento VREFviene scelto in modo tale da essere maggiore del valore di tensione di soglia VTHdel transistore principale 10, dato che la tensione sul terminale di pozzo V(drain) inizia a crescere quando la tensione sul terminale di porta V(gate) scende al di sotto del valore di tensione di soglia VTH-Una seconda forma di realizzazione del controllore di fine precarica, indicato con 39’ , è mostrata in Figura 12. Il controllore di fine precarica 39 " comprende in questo caso un generatore di impulsi 44 ricevente su un suo ingresso il segnale di comando QG, e generante in uscita il segnale di fine precarica END_PRE, qui di tipo impulsivo, avente preferibilmente durata di impulso Tpulseminore dell'intervallo di ritardo Tdelay.

Come mostrato in figura 13, il controllore di fine precarìca 39'' è configurato in modo da generare il segnale di fine precarica END_PRE quando il segnale di comando QGassume valore basso; inoltre, la precarica viene arrestata (il segnale logico EN_PRE viene portato al valore basso) in corrispondenza del fronte di discesa del segnale di fine precarica END_PRE.

La figura 14 mostra una terza forma di realizzazione del controllore di fine precarica, indicato con 39'' valida nel caso in cui il controllore PWM 12 piloti il transistore principale 10 in maniera tale da garantire il cosiddetto "softswitching" . In questa forma di realizzazione, il controllore di fine precarica 39' '' comprende: un rilevatore di derivata negativa 45 (NDD - Negative Derivative Detector), di tipo di per sé noto e non descritto in dettaglio, ricevente su un suo ingresso la tensione sul terminale di porta V(gate) e fornente su una sua uscita un segnale di derivata negativa NEG_DER, in funzione del segno della derivata della tensione sul terminale di porta; ed un blocco contatore 48, ricevente in ingresso il segnale di derivata negativa NEG_DER e fornente su una sua uscita il segnale di fine precarica END_PRE.

In dettaglio, e come mostrato in figura 15, ad un istante ti, il segnale di comando QGcommuta dal livello alto al livello basso, comandando in spegnimento il transistore principale 10. Allo stesso istante, il segnale logico EN_PRE assume valore alto, indicando l'inizio dell'intervallo di precarica. Successivamente, ad un istante t2, la tensione sul terminale di porta V(gate) inizia a decrescere ed il segnale di derivata negativa NEG_DER assume valore alto, indicando che la derivata del segnale ha assunto valore negativo. Ad un istante t3, a causa dell'effetto Miller, la tensione sul terminale di porta V(gate) assume un valore stazionario. Circa nello stesso istante dì tempo t3, il segnale di derivata negativa NEG_DER ritorna al valore basso, e la tensione sul terminale di pozzo V(drain) inizia a crescere lentamente. Quando l'effetto Miller termina, istante di tempo t4, la tensione sul terminale di porta V(gate) riprende a decrescere, la tensione sul terminale di pozzo V(drain) cresce rapidamente ed un nuovo fronte di salita del segnale di derivata negativa NEG_DER determina la fine dell'intervallo di precarica (il segnale logico EN_PRE assume valore basso). In particolare, il blocco contatore 48 rileva l'occorrenza del secondo impulso generato dal rilevatore di derivata negativa 45, e genera di conseguenza il segnale di fine precarica END_PRE.

Da un esame delle caratteristiche del circuito e del metodo di auto-alimentazione in un convertitore di tensione secondo la presente invenzione sono evidenti ì vantaggi che essa consente di ottenere.

In particolare, la precarica del terminale di porta del transistore ausiliario 21 che gestisce la fase di precarica consente di massimizzare l'intervallo di tempo utile per la carica del condensatore di accumulo 16, in modo da garantire la corretta auto-alimentazione del controllore 12 del convertitore di tensione 1 senza imporre limitazioni sul duty cycle del segnale utilizzato per la commutazione. Infatti, grazie alla precedente fase di precarica, in seguito allo spegnimento del transistore principale 10, il transistore ausiliario 21 è già acceso ed il generatore di corrente 24 può fornire la corrente IChargeal condensatore di accumulo 16 senza apprezzabili ritardi temporali .

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.

In particolare, è chiaro che, sebbene sia stata descritta con particolare riferimento ad una configurazione di tipo flyback, la soluzione descritta può essere applicata in tutti i convertitori (o regolatori, o alimentatori) operanti in commutazione (cosiddetti SMPS - Switch Mode Power Supply).

Inoltre, la soluzione descritta può essere utilizzata indipendentemente dalla modalità di trasferimento di energia fra sorgente e carico, a frequenza fissa o variabile; dalla particolare soluzione circuitale utilizzata per implementare la funzionalità dei singoli blocchi del circuito di controllo; dalla tipologia dell'interruttore di controllo; dalla modalità di retroazione prevista sul lato primario del trasformatore .

Claims

R IV EN D I C A Z I ON I 1. Circuito di auto-alimentazione (30), per un convertitore di tensione (1) avente un interruttore principale (10) ed un controllore (12) atto a comandare in commutazione detto interruttore principale (10) per controllare una tensione di uscita (Vout), detto circuito di auto-alimentazione (30) comprendendo: - mezzi accumulatori di carica (16), collegati a detto controllore (12) ed atti a fornire una tensione di auto-alimentazione (Vcc) a detto controllore (12); mezzi generatori (24) azionabili in modo da fornire una corrente di carica (Icharge) a detti mezzi accumulatori di carica (16); e - mezzi interruttori di carica (21) azionabili in modo da controllare il trasferimento di detta corrente di carica (Icharge) verso detti mezzi accumulatori di carica (16), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre uno stadio di precarica (31) collegato a detti mezzi interruttori di carica (21), e configurato in modo da effettuare una precarica di una capacità intrinseca di detti mezzi interruttori di carica (21), prima che un transitorio di spegnimento di detto interruttore principale (10) si esaurisca.
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi interruttori di carica comprendono un transistore ausiliario (21) avente un terminale di porta collegato a detto stadio di precarica (31), un primo terminale di conduzione collegato ad un rispettivo terminale di conduzione dì detto interruttore principale (10), ed un secondo terminale di conduzione collegato a detti mezzi generatori (24); e detto stadio di precarica (31) è configurato in modo da caricare una capacità presente tra detto terminale di porta e detto secondo terminale di conduzione.
3. Circuito secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui, durante detto transitorio di spegnimento, la tensione di detto primo terminale di conduzione subisce un incremento da un primo ad un secondo valore, e detto stadio di precarìca (31) è configurato in modo da effettuare detta precarica prima di detto incremento della tensione di detto primo terminale di conduzione.
4. Circuito secondo la rivendicazione 3, in cui detto stadio di precarica (31) è configurato in modo da effettuare detta precarica in un intervallo temporale (Tdelay) compreso tra un istante di spegnimento di detto interruttore principale (10) e un istante di inizio di detto incremento.
5. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi interruttori di carica comprendono un transistore ausiliario (21) avente un terminale di porta collegato a detto stadio di precarica (31) ed un secondo terminale di conduzione collegato a detti mezzi generatori (24), e detto stadio di precarica (31) comprende un controllore di precarica (36) e mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35); detto controllore di precarica (36) essendo configurato in modo da comandare detti mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35) per fornire detta tensione di auto-alimentazione (Vcc) a detto terminale di porta durante detta precarica.
6. Circuito secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35) comprendono un primo interruttore (34) collegato tra detto secondo terminale di conduzione ed un potenziale di riferimento (9), ed un secondo interruttore (35) collegato tra detto terminale di porta e detti mezzi accumulatori di carica (16); detto controllore di precarica (36) essendo atto a chiudere detti primo (34) e secondo (35) interruttore durante detta precarica.
7. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui detti mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35) comprendono un terzo interruttore (33) collegato tra detto terminale di porta e detto potenziale di riferimento; detto controllore di precarica (36) essendo atto ad aprire detti primo (34) e secondo (35) interruttore al termine di detta precarica.
8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto stadio di precarica (31) comprende un controllore di precarica (36) e mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35), e detto controllore di precarica (36) comprende un blocco logico di precarica (38) ed un blocco controllore di fine precarica (39); detto blocco controllore di fine precarica (39) essendo configurato in modo da generare un segnale di fine precarica (END_PRE), e detto blocco logico di precarica (38) essendo atto a comandare detti mezzi interruttori di precarica (33, 34, 35) in modo da arrestare detta precarica, quando detto segnale di fine precarica (END_PRE) assume un dato valore.
9. Circuito secondo la rivendicazione 8, in cui detto blocco controllore di fine precarica (39') comprende un dispositivo comparatore (42), atto a ricevere su un primo ingresso un segnale di riferimento (VREF) e su un secondo ingresso un segnale di tensione (V(gate)) presente su un terminale di controllo di detto interruttore principale (10), e a generare in uscita detto segnale di fine precarica (END_PRE); detto segnale di riferimento (VREF) avendo un valore maggiore o uguale di una tensione di soglia di conduzione (VTH) di detto interruttore principale (10).
10. Circuito secondo la rivendicazione 8, in cui detti mezzi interruttori di carica comprendono un transistore ausiliario (21) avente un primo terminale di conduzione collegato ad un rispettivo terminale di conduzione di detto interruttore principale (10), e, durante detto transitorio di spegnimento, la tensione di detto primo terminale di conduzione subisce un incremento da un primo ad un secondo valore; ed in cui detto controllore (12) è atto a comandare in commutazione detto interruttore principale (10) in funzione di un segnale di pilotaggio (QG), e detto blocco controllore di fine precarica (39'') comprende un dispositivo generatore di impulsi (44) ricevente in ingresso detto segnale di pilotaggio (QG) e generante in uscita detto segnale di fine precarica (END_PRE) sulla base di detto segnale di pilotaggio (QG); detto segnale di fine precarica (END_PRE) essendo un impulso avente durata minore di un intervallo temporale (Tdeiay) compreso tra un istante di spegnimento di detto interruttore principale (10) ed un istante di inìzio di detto incremento.
11. Circuito secondo la rivendicazione 8, in cui detto blocco controllore di fine precarica (39''') comprende un dispositivo rilevatore di derivata (45) ed un dispositivo contatore (48) collegato a detto dispositivo rilevatore di derivata (45); detto dispositivo rilevatore di derivata (45) essendo atto a ricevere in ingresso un segnale di tensione (V(gate)) presente su un terminale di controllo di detto interruttore principale (10) e a generare in uscita un segnale di derivata negativa (NEG_DER) in presenza di un decremento di detto segnale di tensione (V(gate)), e detto dispositivo contatore (48) essendo atto a generare in uscita detto segnale di fine precarica (END_PRE) in funzione di detto segnale di derivata negativa (NEG_DER) .
12. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto convertitore di tensione (1) comprende un trasformatore (4) avente un avvolgimento primario (4a) ricevente detta tensione di ingresso (Vin), un avvolgimento secondario (4b) fornente detta tensione di uscita (Vout), ed un avvolgimento ausiliario (4c) collegato a detto controllore (12); detto circuito di auto-alimentazione (30) essendo atto a fornire detta tensione di auto-alimentazione (Vcc) a detto controllore (12) durante una data condizione operativa di detto convertitore di tensione (1).
13. Dispositivo convertitore di tensione (1), atto a convertire una tensione di ingresso (Vin) in una tensione di uscita (Vout) e comprendente un interruttore principale (10) ed un controllore (12) atto a comandare in commutazione detto interruttore principale (10) per controllare detta tensione di uscita (Vout)/caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di auto-alimentazione (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detto controllore (12) è atto a comandare in commutazione detto interruttore principale (10) utilizzando una modulazione di ampiezza di impulso (PWM) .
15. Metodo di auto-alimentazione per un convertitore di tensione (1) avente un interruttore principale (10) ed un controllore (12) atto a comandare in commutazione detto interruttore principale (10) per controllare una tensione di uscita (Vout), detto metodo comprendendo la fase di comandare mezzi interruttori di carica (21) in modo da controllare il trasferimento di una corrente di carica (ICharge) verso mezzi accumulatori di carica (16) fornenti una tensione di autoalimentazione (Vcc) a detto controllore (12); caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di precaricare una capacità intrinseca di detti mezzi interruttori di carica (21), prima che un transitorio dì spegnimento di detto interruttore principale (10) si esaurisca .
16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detti mezzi interruttori di carica comprendono un transistore ausiliario (21) avente un terminale di porta, ed un primo terminale di conduzione collegato ad un rispettivo terminale di conduzione di detto interruttore principale (10); e detta fase di precaricare comprende effettuare una precarica di una capacità presente tra detto terminale di porta ed un secondo terminale di conduzione di detto transistore ausiliario (21).
17. Metodo secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui durante detto transitorio di spegnimento la tensione di detto primo terminale di conduzione subisce un incremento da un primo ad un secondo valore, e detta fase di precaricare comprende effettuare la precarica di detta capacità intrinseca prima di detto incremento della tensione di detto primo terminale di conduzione.
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui detta fase di precaricare comprende effettuare detta precarica in un intervallo temporale (Tdelay) compreso tra un istante di spegnimento di detto interruttore principale (10) e un istante di inizio di detto incremento .
19. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-18, in cui detti mezzi interruttori di carica comprendono un transistore ausiliario (21) avente un terminale di porta; detta fase di precaricare comprendendo la fase di applicare detta tensione di auto-alimentazione (Vcc) a detto terminale di porta durante detta precarica.
20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-19, in cui detta fase di precaricare comprende le fasi di: monitorare un segnale di tensione (V(gate)) presente su un terminale di controllo di detto interruttore principale (10); e determinare la fine di detta precarica in funzione dell'andamento di detto segnale di tensione (V(gate)).
21. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-19, in cui detta fase di precaricare comprende la fase di determinare la fine di detta precarica al termine di un intervallo di tempo prestabilito a partire dallo spegnimento di detto interruttore principale (10).