FR3066060A1 - Commande d'alimentation a decoupage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une unité de compensation de pente d'un signal de commande d'un module de génération d'impulsions modulées en largeur, comportant : un convertisseur numérique-analogique de génération d'un signal en dents de scie décroissante, et un circuit (2) de déclenchement des pas du signal en dents de scie et de réinitialisation de ce signal, le signal en dents de scie étant réinitialisée au rythme d'une première fréquence desdites impulsions modulée en largeur.

Description

COMMANDE D'ALIMENTATION A DECOUPAGE

Domaine

La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et plus particulièrement le domaine des alimentations à découpage (SMPS). La présente description s'applique plus particulièrement à un convertisseur numérique-analogique de compensation de pente pour commande d'une alimentation à découpage. La présente description concerne également un convertisseur numérique-analogique programmable et un générateur programmable d'un signal en dents de scie décroissant.

Exposé de l'art antérieur

Dans les convertisseurs d'énergie basés sur le principe d'une alimentation à découpage, l'asservissement de la tension de sortie sur une valeur de consigne s'effectue en modulant la largeur d'impulsions d'un signal de commande d'un interrupteur de découpage du transfert d'énergie dans un élément inductif. Dans les réalisations visées par la présente description, la commande est numérique et la largeur des impulsions est obtenue à partir d'une rampe de courant dont la valeur est comparée à un seuil. Dans certains cas, lorsque le rapport cyclique des impulsions de commande atteint ou est supérieur à 50%, le système devient instable.

Certaines solutions connues utilisent des tables de valeurs mémorisées dans le convertisseur, qui constituent des solutions particulièrement complexes. Résumé

Il serait souhaitable de disposer d'une fonction de compensation de pente pour commande d'une alimentation à découpage.

Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des circuits de commande d'interrupteur de découpage d'une alimentation à découpage.

Un mode de réalisation propose une solution particulièrement adaptée à la commande d'un convertisseur numérique-analogique de compensation de pente.

Un mode de réalisation propose un convertisseur numérique analogique programmable.

Un mode de réalisation propose un générateur programmable d'un signal décroissant en dents de scie.

Ainsi, un mode de réalisation prévoit une unité de compensation de pente d'un signal de commande d'un module de génération d'impulsions modulées en largeur, comportant : un convertisseur numérique-analogique de génération d'un signal en dents de scie ; et un circuit de déclenchement des pas du signal en dents de scie et de réinitialisation de ce signal, le signal étant réinitialisée au rythme d'une première fréquence desdites impulsions modulée en largeur.

Selon un mode de réalisation, le circuit de déclenchement est un circuit numérique.

Selon un mode de réalisation, le circuit de déclenchement comporte : au moins un compteur incrémenté au rythme d'une deuxième fréquence, supérieure à une fréquence de modulation desdites impulsions ; un premier registre de stockage d'une valeur représentative de la période de la première fréquence ; et un premier comparateur de la valeur du compteur à la valeur du premier registre, ledit premier comparateur fournissant un signal de réinitialisation du signal en dents de scie.

Selon un mode de réalisation, le circuit de déclenchement comporte en outre : un deuxième registre dont la valeur est incrémentée, au rythme de la deuxième fréquence, par une valeur d'incrément ; et un deuxième comparateur de la valeur dudit compteur à la valeur du deuxième registre, ledit deuxième comparateur fournissant un signal de déclenchement d'un pas du signal en dents de scie.

Selon un mode de réalisation, le circuit de déclenchement comporte un troisième registre de stockage de la valeur d'incrément.

Selon un mode de réalisation, le signal en dents de scie a une pente décroissante.

Selon un mode de réalisation, le signal en dents de scie a une pente croissante.

Un mode de réalisation prévoit un circuit de commande d'un interrupteur d'une alimentation à découpage, comportant : un module de génération d'impulsions de commande dudit interrupteur ; un comparateur pour générer un signal déclencheur dudit module à partir d'une comparaison d'une information représentative du niveau de courant dans un élément inductif commandé par ledit interrupteur par rapport à un seuil ; et une unité de compensation de pente.

Un mode de réalisation prévoit un circuit d'alimentation à découpage comportant : un interrupteur de découpage d'un transfert d'énergie inductif ; et un circuit de commande.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation très schématique et partielle d'un exemple d'architecture d'une alimentation à découpage du type auquel s'appliquent les modes de réalisation décrits ; la figure 2 représente, sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un circuit de commande d'un convertisseur numérique-analogique de compensation de pente d'une rampe de courant de commande d'un interrupteur de découpage ; les figures 3A, 3B, 3C et 3D illustrent, par des chronogrammes, le fonctionnement du circuit de la figure 2 ; la figure 4 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique programmable ; et la figure 5 représente, sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un étage numérique du générateur de la figure 4, adapté à réaliser un générateur programmable d'un signal décroissant en dents de scie.

Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, le fonctionnement d'une alimentation à découpage et de la conversion d'énergie proprement dite n'a pas été détaillé, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec le fonctionnement usuel d'une alimentation à découpage.

Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.

Dans la description qui suit, lorsqu'on fait référence aux termes "approximativement", "environ" et, "de l'ordre de", cela signifie à 10% près, de préférence à 5% près.

La figure 1 est une représentation schématique et sous forme de blocs d'un mode de réalisation d'un circuit 1 de commande pour alimentation à découpage du type auquel s'appliquent les modes de réalisation décrits.

Le circuit 1 est destiné à commander un interrupteur K (généralement un transistor MOS) de découpage d'un transfert d'énergie inductif. Selon les réalisations, cet interrupteur est en parallèle ou en série avec l'élément inductif et/ou avec une diode de roue libre (non représentés) . La commande de l'interrupteur K est effectuée par un train d'impulsions de largeur variable, généralement à fréquence fixe (période T) . Le rapport cyclique des impulsions fixe la durée du transfert d'énergie en fonction des besoins de la charge afin de maintenir une tension d'alimentation de cette charge.

Le train d'impulsions est fourni par un module 12 (PWM) de modulation de largeur d'impulsions générées à la fréquence d'une horloge CK. La largeur des impulsions (le rapport cyclique) est asservie sur les besoins de la charge. Ces besoins sont, par exemple, déduit d'une mesure de la tension d'alimentation de la charge ou d'une mesure du courant dans cette charge ou dans l'élément inductif. Dans les deux cas, une information V(ILOAD), proportionnelle à l'énergie requise par la charge, est mesurée et est fournie en entrée d'un comparateur 14 qui la compare à un seuil représentant la consigne de tension souhaitée. La sortie du comparateur 14 déclenche la remise à zéro de la rampe de courant générée par le module 12, donc la fin de l'impulsion à chaque cycle.

Selon le mode de réalisation représenté, la référence de comparaison du comparateur 14 n'est pas fixe mais est fournie par une unité 18 de compensation de pente (SCU - Slope Compensation Unit) comportant un convertisseur numérique-analogique 16 (DAC) commandé par un circuit 2 de déclenchement (CTR) du pas de décroissance d'un signal en dents de scie S16 généré par le convertisseur 16. Le rôle de l'unité de compensation de pente 18 est de fournir, en guise de signal de référence, au comparateur 14, une pente inverse à la pente générée par le module 12. Ainsi, même en cas de tension de sortie stable qui aurait tendance à provoquer des instabilités dans le signal P généré par le module 12, la diminution de la valeur servant de référence évite cette instabilité.

Le circuit de déclenchement 2 a pour rôle de fournir, au convertisseur numérique-analogique 16, un signal R de réinitialisation de la rampe de tension et un signal S de déclenchement d'une diminution de la valeur de la rampe. En d'autres termes, le signal R est un signal de même fréquence que la fréquence des impulsions P générées par le module 12 et le signal S est un signal de décrément ou de pas du convertisseur 16.

Le circuit de déclenchement 2 est un circuit numérique, c'est-à-dire qu'il ne traite que des signaux numériques et ne fournit que des signaux numériques.

La figure 2 est un schéma bloc d'un mode de réalisation d'un circuit de déclenchement 2 d'un convertisseur numérique analogique 16 d'une unité de compensation de pente 18 d'un signal de commande d'un module 12 de génération d'impulsions modulées en largeur.

Le signal R de réinitialisation est généré par une comparaison d'une valeur CNT d'un compteur 21 (COUNTER) , incrémenté au rythme d'une horloge CK', à une valeur VAL représentant la période de réinitialisation souhaitée. La valeur VAL est stockée dans un registre 22 (REGI). A chaque période (par exemple à chaque front montant) du signal d'horloge CK', les valeurs respectives VAL et CNT sont comparées par un comparateur 23 dont la sortie (signal R) bascule lorsque la valeur du compteur atteint la valeur VAL. Le compteur 21 est réinitialisé à chaque fin de période T, c'est-à-dire, à chaque fois que la sortie R bascule à l'état haut. Pour cela, la sortie du comparateur 23 est connectée à l'entrée de réinitialisation RST du compteur 21.

Le signal S de décrément ou de pas de la rampe de courant générée par le convertisseur 16 est fourni par un comparateur 24 de la valeur CNT du compteur 21 à une valeur ACT fournie par un registre 25 (REG2) . La valeur contenue dans le registre 25 est incrémentée par un additionneur 26, d'une valeur d'incrément INC stockée dans un registre 27 (REG3) . La valeur ACT courante, lue dans le registre 25, est majorée de la valeur INC lue dans le registre 27 lorsque la valeur CNT du compteur 21 atteint la valeur ACT. La valeur ACT du registre 25 est réinitialisée à la valeur de l'incrément INC à chaque période T. Un sélecteur 28 (multiplexeur deux vers un) reçoit, sur une entrée activée par le signal R, la valeur INC contenue dans le registre 27. Au repos, le sélecteur 28 sélectionne la sortie d'un sélecteur 29 entre la sortie de l'additionneur 26 et la sortie du registre 25 (valeur ACT). Le sélecteur 29 est commandé par le signal S et sélectionne la sortie de l'additionneur 26 à chaque front de la sortie S, c'est-à-dire à chaque pas d'incrément INC. Ainsi, la sortie S présente un front à chaque fois que le compteur 21 atteint un pas d'incrément correspondant à la valeur INC.

Selon un mode de réalisation simplifié, la valeur d'incrément INC est l'unité et le signal S est donc incrémenté à chaque période d'horloge CK'.

De préférence, les valeurs VAL et INC du circuit 2 sont programmables en nombre de périodes de l'horloge CK', ce qui rend le circuit aisément adaptable à différentes applications. En particulier, la valeur VAL numérique représentant la période T des impulsions (la valeur VAL correspond au nombre de périodes de l'horloge CK' contenues dans une période T) est paramétrable. Il suffit de changer la valeur chargée dans le registre 22 (REGI). Pour cela, la sortie du registre 22 est par exemple connectée à une première entrée d'un sélecteur 30 (multiplexeur deux vers un). Une deuxième entrée du multiplexeur 30 est destinée à recevoir la valeur VAL à stocker dans le registre 22 lorsque celle-ci a besoin d'être modifiée. Le multiplexeur 30 est commandé par un signal CRTL de mise à jour sélectionnant, par exemple à l'état actif (haut ou 1), la valeur de la première entrée et, au repos (bas ou 0) la valeur de sortie du registre 22.

Par ailleurs, la valeur d'incrément INC est également de préférence paramétrable. Pour cela, la sortie du registre 27 est par exemple connectée à une première entrée d'un sélecteur 31 (multiplexeur deux vers un). Une deuxième entrée du multiplexeur 31 est destinée à recevoir la valeur INC à stocker dans le registre 27 lorsque celle-ci a besoin d'être modifiée. Le multiplexeur 31 est, par exemple, commandé par le signal CRTL (ou par un signal indépendant du signal CTRL) sélectionnant, par exemple à l'état actif (haut ou 1), la valeur de la première entrée et, au repos (bas ou 0) la valeur de sortie du registre 27. En cas de changement de la valeur INC, celle-ci doit également être initialisée dans le registre 25. Pour cela, un sélecteur 32, dont la sortie est reliée en entrée du registre 25, reçoit le signal INC sur une première entrée et la sortie du sélecteur 28 sur une deuxième entrée. Le sélecteur 32 est commandé par exemple par le signal CTRL pour recharger la nouvelle valeur INC dans le registre 25 en même temps qu'elle est chargée dans le registre 27.

Les figures 3A, 3B, 3C et 3D illustrent, par des chronogrammes, le fonctionnement de l'unité 18 de la figure 1. Les figures 3A, 3B et 3C représentent des exemples d'allures respectives des signaux S, R et SI6. La figure 3D représente un exemple de rampe de courant générée par le module 12.

On voit que le convertisseur 16 génère une rampe en dents de scie décroissante de période T avec des pas de largeur correspondant à la valeur de l'incrément INC (en nombre de coups d'horloge CK'). En utilisant cette rampe comme référence (comme seuil) de comparaison pour le comparateur 14 (figure 1), on baisse la référence de tension de comparaison au fur et à mesure que la rampe de courant (figure 3D) croit, donc que l'on avance dans la période T. Ainsi, si la tension V(ILOAD), qui est représentative des besoins en énergie de la charge, devient trop forte avec le risque de provoquer un rapport cyclique supérieur à 50%, le fait que la référence de comparaison soit plus faible diminue l'amplitude de la différence présentée en entrée du module 12. Cela permet d'empêcher que le système devienne instable lorsque le rapport cyclique dépasse 50%.

La valeur de 1'incrément INC conditionne le nombre de pas de décrément de la rampe de tension fournie par le convertisseur 16. Selon un exemple de réalisation particulier, on prévoit entre 4 et 50 pas dans une période T.

Le choix du pas d'incrément de tension du convertisseur 16 dépend de l'application et, en particulier, de la plage de variation de la tension V(ILOAD).

La fréquence de l'horloge CK' est, par exemple, égale à la fréquence CK réglant le pas de modulation de largeur d'impulsions du module 12 (figure 1).

On a pris ci-dessus l'exemple d'un signal SI 6 décroissant en dents de scie. Toutefois, selon d'autres modes de réalisation, le convertisseur 16 peut générer un signal en dents de scie croissante ou triangulaire. Cela dépend de la structure des circuits en aval (comparateur 14 et module 12) et de l'allure de compensation de pente dont ils ont besoin.

Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils évitent l'instabilité des trains d'impulsions générés en cas d'augmentation du rapport cyclique.

Un autre avantage est que la solution est numérique et particulièrement simple à mettre en oeuvre.

Un autre avantage est que la mise en oeuvre de la solution décrite est compatible avec les architectures usuelles de génération de signaux de commande en modulation de largeur d'impulsions. En effet, cette mise en oeuvre n'intervient que sur la référence du comparateur 14 conditionnant la largeur des impulsions.

La figure 4 est un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique programmable 4.

Ce générateur peut, par exemple, être utilisé pour réaliser le convertisseur 16 de la figure 1 ou former un générateur programmable d'un signal en dents de scie décroissant.

Selon ce mode de réalisation, le convertisseur comporte un étage numérique 5 et un étage analogique 6. L'étage 5 est un circuit numérique programmable destiné à fournir des bits (signal B) en parallèle en entrée de l'étage analogique opérant la conversion proprement dite. L'étage 6 est un étage analogique usuel, par exemple constitué d'un réseau de sources de courant commandées individuellement par les bits du signal B, d'un réseau de résistances commutable d'entrée d'un amplificateur opérationnel, etc.

Le mot binaire B, fourni en entrée de l'étage 6, conditionne la valeur d'une tension V fournie en sortie du convertisseur 4. Le pas (la précision) du convertisseur dépend du nombre de bits du signal B.

La figure 5 représente, sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un étage 5 numérique du générateur de la figure 4, adapté à réaliser un générateur programmable d'un signal décroissant en dents de scie. L'étage 5 constitue, selon le mode de réalisation représenté, un étage programmable comportant : un registre 51 de stockage d'une valeur maximale (INIT) ; un registre 53 de stockage d'une valeur (DEC) de décrément du mot de sortie B, représentant le pas de décrément du mot de sortie B ; un registre 55 de calcul (BUFEER) ; un registre 57 de sortie destiné à contenir le mot B (OUTPUT) ; et un soustracteur 59 de la valeur du décrément à la valeur courante du registre de calcul. L'étage 5 reçoit un signal CLK de déclenchement d'un décrément de la valeur B et un signal de réinitialisation RESET.

Le fonctionnement de l'étage 5 est le suivant. A chaque front (par exemple montant) du signal CLK, les contenus des registres 55 et 53 sont lus et la valeur DEC est soustraite du contenu lu dans le registre 55. Le résultat est stocké dans le registre de calcul 55. A chaque front (par exemple montant) du signal RESET, le registre de calcul 55 et le registre de sortie 57 sont réinitialisés à la valeur INIT lue dans le registre 51. Le contenu du registre de calcul 55 est transféré, par exemple à chaque front du signal CLK, au registre 57. Ainsi, le registre 57 contient, entre deux fronts du signal CLK, la valeur qui a été chargée au premier des deux fronts dans le soustracteur 59, qui est donc supérieure d'une valeur DEC au contenu du registre de calcul 55.

Le convertisseur 4 de la figure 4 peut être utilisé en convertisseur programmable fournissant une tension analogique donnée. Pour cela, on choisit le nombre de décréments à appliquer à la valeur maximale.

Le générateur 4 peut également être utilisé en générateur programmable d'un signal en dents de scie. Selon les valeurs INIT et DEC choisies, on fixe, pour une horloge CLK donnée, la fréquence de décrément et l'amplitude maximale du signal en dents de scie.

Selon un mode de réalisation préféré, le nombre de bits des registres de décrément 53 et de calcul 55 est supérieur au nombre de bits des registres 51 et 57. Les bits du registre 51 sont utilisés comme bits de poids fort lors de l'initialisation du registre de calcul 55. Les bits de poids fort du registre 55 sont utilisés pour mettre à jour le registre de sortie 57. Un avantage est que cela évite les erreurs d'arrondi dans la mesure où on exploite que les bits de poids fort. A titre d'exemple particulier de réalisation, les registres 51 et 57 sont sur douze bits et les registres 53 et 55 sont sur seize bits.

Selon un exemple particulier de réalisation, les signaux RESET et CLK correspondent respectivement aux signaux R et S générés par le circuit 2 (figure 2) .

Divers modes de réalisation ont été décrits, diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des valeurs à stocker dans les différents registres et le choix des fréquences des signaux de déclenchement dépendent de 1'application et leur détermination est à la portée de l'homme du métier. En outre, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et le dimensionnement des composants sont à la portée de l'homme du métier à partir de la description fonctionnelle donnée ci-dessus.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Unité (18) de compensation de pente d'un signal de commande d'un module (12) de génération d'impulsions modulées en largeur, comportant : un convertisseur numérique-analogique (16) de génération d'un signal en dents de scie ; et un circuit (2) de déclenchement des pas du signal en dents de scie et de réinitialisation de ce signal, le signal en dents de scie étant réinitialisée au rythme (T) d'une première fréquence desdites impulsions modulées en largeur.
2. 2. Unité selon la revendication 1, dans laquelle le circuit de déclenchement (2) est un circuit numérique.
3. 3. Unité selon la revendication 2, dans laquelle le circuit de déclenchement (2) comporte : au moins un compteur (21) incrémenté au rythme d'une deuxième fréquence (CK'), supérieure à une fréquence (CK) de modulation desdites impulsions ; un premier registre (22) de stockage d'une valeur représentative de la période (T) de la première fréquence ; et un premier comparateur (23) de la valeur du compteur à la valeur du premier registre, ledit premier comparateur fournissant un signal (R) de réinitialisation du signal en dents de scie.
4. 4. Unité selon la revendication 3, dans laquelle le circuit de déclenchement (2) comporte en outre : un deuxième registre (25) dont la valeur est incrémentée (26), au rythme de la deuxième fréquence (CK'), par une valeur d'incrément (INC) ; et un deuxième comparateur (24) de la valeur dudit compteur (21) à la valeur du deuxième registre, ledit deuxième comparateur fournissant un signal (S) de déclenchement d'un pas du signal en dents de scie.
5. 5. Unité selon la revendication 4, dans laquelle le circuit de déclenchement (2) comporte un troisième registre (27) de stockage de la valeur d'incrément.
6. 6. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le signal (S16) en dents de scie a une pente décroissante.
7. 7. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle, le signal en dents de scie a une pente croissante.
8. 8. Circuit de commande d'un interrupteur (K) d'une alimentation à découpage, comportant : un module (12) de génération d'impulsions de commande dudit interrupteur ; un comparateur (14) pour générer un signal déclencheur dudit module à partir d'une comparaison d'une information représentative du niveau de courant dans un élément inductif commandé par ledit interrupteur par rapport à un seuil ; et une unité (18) de compensation de pente selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. 9. Circuit d'alimentation à découpage comportant : un interrupteur (K) de découpage d'un transfert d'énergie inductif ; et un circuit de commande selon la revendication 8.