Design of a fully differential comparator for overcurrent fault detection

With the growing demand for electronics related to electric vehicles, current measurement in battery management systems, DC-DC converters, inverters, and motor drivers is becoming increasingly critical. Unlike popular shunt resistors, silicon-integrated Hall-effect current sensors offer excellent isolation for high-voltage applications, inherently high bandwidth, and low power consumption. A crucial feature in these applications is the so-called "overcurrent fault detection," which occurs when the measured current exceeds safety limits, triggering an alarm. The faster the fault is detected, the less degradation occurs in critical devices, ensuring safety. This thesis presents a comprehensive review of the overcurrent fault detection system found in the Allegro Microsystems chip. The entire study was driven by the need to achieve faster and more accurate detection. The main component is a comparator, whose design addresses an important question: since the sensor signal is differential, how can it be compared with a user-generated threshold? After numerous evaluations, the chosen architecture involves generating a differential threshold from a simple DAC and comparing it with the differential input signal. The new architecture enables more precise and faster detection, with an average performance improvement of 70% compared to the previous comparator, while maintaining or reducing area and power consumption. The thesis critically addresses the choice of architecture and circuit blocks. The design of the stages was carried out in a 0.5μm BCD technology and verified up to the layout implementation using commonly employed tests for characterizing overcurrent fault detection and industry-accepted CAD tools.

Con la crescente domanda di elettronica legata ai veicoli elettrici, sta diventando sempre più critica la misurazione delle correnti in sistemi di gestione della batteria, convertitori DC-DC, inverter e driver di motori. A differenza delle popolari resistenze shunt, i sensori di corrente basati sull’effetto Hall integrati in silicio offrono un eccellente isolamento per applicazioni ad alta tensione, una larghezza di banda intrinsecamente elevata e un basso consumo energetico. Una caratteristica cruciale in queste applicazioni è la cosiddetta "rilevazione di guasto da sovracorrente" che si verifica quando la corrente misurata supera i limiti di sicurezza e viene segnalato un allarme. Più rapidamente viene rilevato il guasto, minore è la degradazione dei dispositivi critici, garantendo sicurezza. In questa tesi viene presentata una revisione completa del sistema di rilevazione di guasto per sovracorrente presente nel chip di Allegro Microsystems. L’intero studio è stato guidato dall’esigenza di pervenire ad una rilevazione più rapida e precisa. Il componente principale è un comparatore, il cui progetto risponde a una domanda importante: il segnale proveniente dal sensore è differenziale, come possiamo confrontarlo con una soglia di riferimento generata dall’utente? Dopo numerose valutazioni, l’architettura scelta prevede la generazione di una soglia differenziale da un semplice DAC e il confronto con il segnale di ingresso differenziale. La nuova architettura consente una rilevazione più precisa e veloce, con un miglioramento medio delle prestazioni del 70% rispetto al precedente comparatore, mantenendo o riducendo area e consumo energetico. La tesi affronta criticamente la scelta dell’architettura e dei blocchi circuitali. La progettazione degli stadi è stata realizzata in una tecnologia BCD a 0,5μm e verificata fino alla realizzazione del layout impiegando i test comunemente utilizzati per caratterizzare la rilevazione di guasto da sovracorrente e gli strumenti CAD industrialmente accettati.