Pour vos ali­men­ta­tions à dé­cou­page, pas­sez au contrôle nu­mé­rique!

Electronique S - - Sommaire -

Dans un do­maine tra­di­tion­nel­le­ment ana­lo­gique, le contrôle d’une ali­men­ta­tion réa­li­sé se­lon une ap­proche in­té­gra­le­ment nu­mé­rique offre de nom­breux avan­tages. Ceux-ci com­pensent le sur­coût in­duit par la pré­sence d’un mi­cro­con­trô­leur do­té de fonc­tions DSP et le dé­ve­lop­pe­ment d’un firm­ware spé­ci­fique.

L’uti­li­sa­tion de la ré­gu­la­tion nu­mé­rique des conver­tis­seurs de puis­sance a connu une crois­sance ra­pide au cours des cinq der­nières an­nées. L’in­dus­trie a ain­si ti­ré pro­fit des nom­breux avan­tages que le contrôle nu­mé­rique ap­porte à un do­maine tra­di­tion­nel­le­ment ana­lo­gique. Cette crois­sance a été sou­te­nue par une offre de plus en plus étof­fée de nou­veaux pro­duits de ré­gu­la­tion PWM, éma­nant de di­vers four­nis­seurs de mi­cro­con­trô­leurs, qui ciblent spé­ci­fi­que­ment le mar­ché de la conversion d’éner­gie nu­mé­rique. Dans une ali­men­ta­tion à dé­cou­page ana­lo­gique clas­sique, la com­mande de l’os­cil­la­teur ef­fec­tuant la fonc­tion de dé­cou­page est réa­li­sée à l’aide d’un cir­cuit in­té­gré, for­mé d’am­pli­fi­ca­teurs opé­ra­tion­nels et de com­pa­ra­teurs, et d’un filtre de com­pen­sa­tion consti­tué de conden­sa­teurs et de ré­sis­tances soi­gneu­se­ment sé­lec­tion­nés. Ces élé­ments donnent à l’ali­men­ta­tion les per­for­mances sou­hai­tées, aus­si bien pour les charges tran­si­toires que pour sa sta­bi­li­té dans le do­maine fré­quen­tiel (le do­maine s). Le ré­seau de com­pen­sa­tion est fixe, et le ré­sul­tat ob­te­nu sou­vent tri­bu­taire de la bande pas­sante du pho­to­cou­pleur de la boucle de ré­gu­la­tion ( voir fi­gure 1). Quand nous par­lons de conver­tis­seur nu­mé­rique, nous en­ten­dons par là que la boucle de ré­gu­la­tion, qui ré­gule et sta­bi­lise la ten­sion de sor­tie de l’ali­men­ta­tion, est nu­mé­rique. Elle rem­place alors les cir­cuits de com­mande ana­lo­giques en vogue de­puis les an­nées 1980. Dans l’ali­men­ta­tion nu­mé­rique re­pré­sen­tée sur la fi­gure 2, le cir­cuit de com­mande ana­lo­gique et le filtre de com­pen­sa­tion ana­lo­gique as­so­cié ont été rem­pla­cés par un mi­cro­con­trô­leur.

Un mi­cro­con­trô­leur dans la boucle de ré­gu­la­tion

Le mi­cro­con­trô­leur est uti­li­sé pour as­ser­vir la boucle de ré­gu­la­tion de l’ali­men­ta­tion. Dans une ali­men­ta­tion à com­mande nu­mé­rique ty­pique, le mo­dule de conversion ana­lo­gique-nu­mé­rique (CAN) in­té­gré au mi­cro­con­trô­leur échan­tillonne la ten­sion ou le cou­rant de sor­tie. La va­leur ob­te­nue est com­pa­rée à une va­leur de consigne ou de ré­fé­rence pour gé­né­rer une va­leur d’er­reur. Ce terme d’er­reur est en­suite uti­li­sé comme en­trée pour le contrô­leur à temps dis­cret (gé­né­ra­le­ment un contrô­leur à deux pôles et deux zé­ros, voire à trois pôles et trois zé­ros), qui a des pôles et des zé­ros dans le do­maine tem­po­rel dis­cret (le do­maine z). L’échan­tillon­nage est exé­cu­té à des in­ter­valles de temps exacts et pré­dé­fi­nis, chaque fois qu’un nou­vel échan­tillon est dis­po­nible. Un exemple de contrô­leur à temps dis­cret est re­pré­sen­té sur la fi­gure 3. L’uni­té de mul­ti­pli­ca­tion et ac­cu­mu­la­tion (MAC), qui est in­té­grée dans un pro­ces­seur de si­gnal

nu­mé­rique (DSP), réa­lise cinq opé­ra­tions de mul­ti­pli­ca­tion et d’ac­cu­mu­la­tion. L’en­trée du contrô­leur échan­tillonne le si­gnal x [n], le terme d’er­reur, et le mul­ti­plie par le co­ef­fi­cient B0. Le terme z-1 est un opé­ra­teur re­tard uni­té, et en­traîne la mul­ti­pli­ca­tion de l’échan­tillon pré­cé­dent, x [n-1], par le co­ef­fi­cient B1. Puis, un autre opé­ra­teur re­tard uni­té en­traîne la mul­ti­pli­ca­tion du terme d’er­reur du deuxième échan­tillon pré­cé­dent, x [n-2], par B2. Sur la par­tie droite de la fi­gure 3, le même pro­ces­sus est ap­pli­qué à la sor­tie du contrô­leur. La sor­tie pré­cé­dente du contrô­leur, y [n-1], est mul­ti­pliée par A1 et la sor­tie de deux pé­riodes d’échan­tillon­nage pré­cé­dentes, y [n-2], est mul­ti­pliée par A2. Ces mul­ti­pli­ca­tions sont cu­mu­lées et le ré­sul­tat donne la nou­velle sor­tie du contrô­leur pour cette pé­riode d’échan­tillon­nage. La sor­tie du contrô­leur, y [n], est la nou­velle va­leur du rap­port cy­clique pour les conver­tis­seurs PWM ( Pulse Width Mo­du­la­ted), ou de la fré­quence de com­mu­ta­tion pour les to­po­lo­gies ré­so­nantes PFM ( Pulse Fre­quen­cy Mo­du­la­tion). Tout comme les com­pen­sa­teurs ana­lo­giques dans le do­maine s, le contrô­leur à temps dis­cret re­pré­sen­té sur la fi­gure 3 au­ra une ré­ponse en fré­quence dans le do­maine z. Ce sont les co­ef­fi­cients du contrô­leur qui dé­ter­minent la ré­ponse en fré­quence, par suite la sta­bi­li­té de l’ali­men­ta­tion. Par consé­quent, l’in­gé­nieur doit cal­cu­ler ana­ly­ti­que­ment les co­ef­fi­cients du contrô­leur afin de sta­bi­li­ser l’ali­men­ta­tion. Les mi­cro­con­trô­leurs ont été ex­ploi­tés dans les ali­men­ta­tions à dé­cou­page de­puis de nom­breuses an­nées dans le but de mettre en oeuvre des fonc­tion­na­li­tés de base, telles que le PM­bus et le contrôle de la vi­tesse d’un ven­ti­la­teur. Ces mi­cro­con- trô­leurs étaient re­la­ti­ve­ment simples et peu coû­teux. De­puis, le contrôle nu­mé­rique in­té­gral s’est dé­ve­lop­pé ra­pi­de­ment sur le mar­ché des ser­veurs et des té­lé­coms, plus len­te­ment pour ce qui est de mar­chés in­dus­triels et mé­di­caux. Les fac­teurs frei­nant le pas­sage au contrôle nu­mé­rique ont été prin­ci­pa­le­ment le coût et la com­plexi­té. Bonne nou­velle : le prix d’un mi­cro­con­trô­leur mo­derne, do­té des fonc­tions DSP re­quises pour mettre en oeuvre le contrôle nu­mé­rique in­té­gral, a di­mi­nué consi­dé­ra­ble­ment ces der­nières an­nées, ren­dant leur usage viable pour da­van­tage de concep­tions. Ce­pen­dant, la com­plexi­té reste tou­jours un pro­blème. Cette com­plexi­té pro­vient du be­soin d’une ap­proche dans le do­maine mixte pour conce­voir l’ali­men­ta­tion élec­trique. Au­tre­ment dit, les in­gé­nieurs doivent com­bi­ner des connais­sances en ma­tière de concep­tion d’ali­men­ta­tion élec­trique avec la ca­pa­ci­té d’écrire un code ef­fi­cace pour sta­bi­li­ser la boucle de contrôle à temps dis­cret.

De bonnes rai­sons pour pas­ser au contrôle nu­mé­rique

Alors, quelles sont les rai­sons in­ci­tant à pas­ser au contrôle nu­mé­rique? La boucle de contrôle nu­mé­rique pré­sente de nom­breux avan­tages par rap­port à sa contre­par­tie ana­lo­gique. L’ali­men­ta­tion nu­mé­rique est in­sen­sible à l’en­vi­ron­ne­ment, à la tem­pé­ra­ture, au vieillis­se­ment et aux to­lé­rances des com­po­sants de la boucle de ré­gu­la­tion. Le contrôle nu­mé­rique per­met au sys­tème de sur­veiller les per­for­mances de l’ali­men­ta­tion en temps réel et d’ajus­ter les pa­ra­mètres en fonc­tion des be­soins. De plus, les tech­niques avan­cées de contrôle à temps dis­cret per­mettent d’ob­te­nir des per­for­mances su­pé­rieures à celles des com­pen­sa­teurs ana­lo­giques, avec un temps de ré­cu­pé­ra­tion de quelques pé­riodes de com­mu­ta­tion suite à des ef­fets tran­si­toires. Ce com­por­te­ment est par­ti­cu­liè­re­ment in­té­res­sant pour le mar­ché des conver­tis­seurs de point de charge (POL, Point of Load), qui est un grand uti­li­sa­teur des ali­men­ta­tions nu­mé­riques. Un mi­cro­con­trô­leur à hautes per­for­mances peut être choi­si pour sta­bi­li­ser et ré­gu­ler plu­sieurs étages de puis­sance, éli­mi­nant ain­si le be­soin de cir­cuits de com­mande ana­lo­giques in­di­vi­duels pour cha­cun de ces étages. La de­mande tou­jours plus im­por­tante de conver­tis­seurs à haut ren­de­ment est un do­maine dans le­quel la flexi­bi­li­té de l’ali­men­ta­tion nu­mé­rique fait mer­veille. L’ap­proche nu­mé­rique se tra­duit par des ca­pa­ci­tés que les sché­mas de contrôle ana­lo­gique ty­piques n’offrent pas. Ce­la peut im­pli­quer d’ajus­ter le fonc­tion­ne­ment de l’ali­men­ta­tion, pour ob­te­nir une com­mu­ta­tion au zé­ro de ten­sion ou de cou­rant (ZVS ou ZCS). Ce qui se tra­dui­ra par des pertes de com­mu­ta­tion moindres et, in­ci­dem­ment, par une amé­lio­ra­tion du ren­de­ment glo­bal. Par ailleurs, nous pou­vons éga­le­ment consi­dé­rer l’im­pact de l’amé­lio­ra­tion du ren­de­ment sur l’en­semble d’un centre de don­nées ou d’un sys­tème, dans le­quel de nom­breuses ali­men­ta­tions à dé­cou­page sont pré­sentes. Ce qui se­rait en­vi­sa­geable en ré­pon­dant à des re­quêtes d’ar­rêt ou de pas­sage en mode basse consom­ma­tion, sur la base des in­for­ma­tions pro­ve­nant d’un contrô­leur maître dans le sys­tème. Les der­niers mi­cro­con­trô­leurs pour les ap­pli­ca­tions dé­diées aux ali­men­ta­tions nu­mé­riques in­tègrent des fonc­tions DSP, qui per­mettent à la boucle de contrôle nu­mé­rique de s’exé­cu­ter en une frac­tion seule­ment de chaque pé­riode de com­mu­ta­tion PWM. La fi­gure 4 montre la pé­riode de com­mu­ta­tion PWM d’une ali­men­ta­tion nu­mé­rique ty­pique. Dans cet exemple simple, la ten­sion de sor­tie est échan­tillon­née une fois par cycle de com­mu­ta­tion. Un temps de conversion du CAN de quelques cen­taines de na­no­se­condes est clas­sique pour un mi­cro­con­trô­leur conçu pour les ap­pli­ca­tions d’ali­men­ta­tion nu­mé­rique. Après la conversion A/N, la rou­tine de ser­vice d’in­ter­rup­tion est ap­pe­lée pour exé­cu­ter le contrôle à temps dis­cret. Il s’agit d’une rou­tine dans la­quelle le temps est cri­tique. Pour cette rai­son, le code du contrô­leur est écrit en as­sem­bleur en uti­li­sant di­rec­te­ment les ins­truc­tions MAC, afin d’op­ti­mi­ser l’uti­li­sa­tion de chaque cycle d’ins­truc­tion. Comme l’in­dique la fi­gure 4, le temps que le mi­cro­con­trô­leur (MCU) ne sa­cri­fie pas à exé­cu­ter le code du contrô­leur donne la

bande pas­sante dis­po­nible. Cette bande pas­sante se­ra mise à pro­fit pour ef­fec­tuer d’autres tâches ou fonc­tions spé­ci­fiques à une ap­pli­ca­tion client. Toutes les tâches de faible prio­ri­té sont exé­cu­tées dans une boucle lente. Elles se­ront in­ter­rom­pues chaque fois que des tâches de haute prio­ri­té se­ront exi­gées, par exemple l’in­ter­rup­tion CAN pour faire tour­ner le code de la boucle de contrôle.

Une mo­di­fi­ca­tion simple du firm­ware

Pour une ali­men­ta­tion, le dé­ve­lop­pe­ment d’un firm­ware ro­buste et ef­fi­cace né­ces­si­te­ra sou­vent beau­coup de temps, en fonc­tion de la com­plexi­té de la concep­tion. À ce­la s’ajoutent le pro­ces­sus de vé­ri­fi­ca- tion et d’es­sai, ain­si que l’écri­ture de la do­cu­men­ta­tion de­man­dée pour ob­te­nir les di­verses ap­pro­ba­tions de sé­cu­ri­té. Par consé­quent, des res­sources sub­stan­tielles doivent être in­ves­ties dans le dé­ve­lop­pe­ment d’une ali­men­ta­tion nu­mé­rique. Ce­pen­dant, une fois l’in­ves­tis­se­ment ini­tial ef­fec­tué, l’un des avan­tages sup­plé­men­taires de l’ali­men­ta­tion nu­mé­rique est la pos­si­bi­li­té de réuti­li­ser le firm­ware pour de nom­breux pro­duits dif­fé­rents. Par exemple, pour les pro­duits d’une même sé­rie dont les ten­sions sont dif­fé­rentes, la mo­di­fi­ca­tion ap­por­tée au firm­ware consis­te­ra sou­vent à sim­ple­ment cor­ri­ger des co­ef­fi­cients du contrô­leur. Compte te­nu de la flexi­bi­li­té ap­por­tée à la concep­tion par un mi­cro­con­trô­leur, la conversion d’éner­gie nu­mé­rique se prête bien à la réa­li­sa­tion d’ali­men­ta­tions per­son­na­li­sées, lorsque des pro­duits stan­dard ne sa­tis­font pas à toutes les exi­gences du client. Ces exi­gences peuvent être en rap­port avec la pré­sence d’in­ter­faces de com­mu­ni­ca­tion spé­ci­fiques, par exemple pour contrô­ler l’ali­men­ta­tion via un port USB, I2C ou EtherCAT, com­bi­née avec la pos­si­bi­li­té de mettre à jour le pro­to­cole de com­mu­ni­ca­tion à une date ul­té­rieure, via une mo­di­fi­ca­tion du firm­ware. Le client peut aus­si avoir d’autres de­mandes: le ré­glage à la vo­lée de la ten­sion de sor­tie ou de la li­mite de cou­rant, la sur­veillance en temps réel, le sé­quen­ce­ment des rails d’ali­men­ta­tion, le par­tage pré­cis du cou­rant entre les mo­dules de sor­tie… Il est un fait que le mi­cro­con­trô­leur à haute per­for­mance re­te­nu pour une ali­men­ta­tion nu­mé­rique se­ra plus oné­reux que le cir­cuit in­té­gré ana­lo­gique qu’il rem­pla­ce­ra. Ce­pen­dant, le contrô­leur nu­mé­rique offre la pos­si­bi­li­té d’im­plan­ter d’autres fonc­tions, sans faire ap­pel à des com­po­sants dis­crets. Ce­la se tra­dui­ra sou­vent par une ré­duc­tion du nombre de com­po­sants et à des so­lu­tions plus com­pactes. En par­ti­cu­lier pour les sys­tèmes ayant des exi­gences de si­gnal com­plexes, ou sou­hai­tant que des rails d’ali­men­ta­tion mul­tiples puissent être contrô­lés à par­tir d’un même mi­cro­con­trô­leur. Le ré­sul­tat se tra­dui­ra par­fois par une so­lu­tion glo­bale plus ren­table qu’une option ana­lo­gique. Bien sûr, lorsque les exi­gences sont par­ti­cu­liè­re­ment poin­tues, le pas­sage au nu­mé­rique s’avé­re­ra sou­vent le seul choix pos­sible.

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