Un regolatore di tensione a controllo misto

analogico/digitale.

Un esempio di progetto di un sistema di controllo analogico/numerico, dellasua verifica e realizzazione mediante tecniche di Model-Based design

Carmelo Burgio

STMicroelectronics, Agrate Brianza(Automotive Design Team)

Outline

• Presentazione

• Motivazione

• Descrizione del sistema

• Vincoli e specifiche di progetto

• Descrizione del modello

• Simulazioni e verifica

• Conclusione

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Presentazione

Presentazione• STMicroelectronics

• Worldwide company

• Progettazione e realizzazione di circuiti integrati

• Automotive Design Team

• Microcontrollori

• Power Train Control

• Safety

• Satellite Navigation

• Multimedia

• Digital Signal Processing

• Algoritmi HW/SW

• GNSS

• Radar

• …

• Sistemi di controllo

• Progettazione

• Analog & Digital

• Utilizzo di tool automatici (e.g. Mathworks HDL Coder)

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Motivazione

Motivazione

• Verifica di sistema ad alto livello

• Esplorazione di diverse soluzioni architetturali

• Analisi “precoce” delle prestazioni

• Passaggio da sistemi di controllo analogici a

sistemi digitali

• Flessibilita’

• Scelta algoritmi

• Accurata valutazione degli effetti di quantizzazione

• Generazione di codice HDL e relativo

testbench

• Minimo extra effort

• Rapidita’ di riparametrizzazione del codice HDL

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Descrizione del sistema

Il problema

• Microcontrollore per applicazioni Automotive

• La logica all’interno del dispositivo ha un

consumo di corrente variabile nel tempo

• Configurabilità

• Periferiche

• Routine SW

• Bisogna garantire ai componenti

esistenti all’interno del dispositivo una

tensione di alimentazione costante

• Regolazione “on-chip” della tensione

• Si devono gestire eventuali situazioni di

“fault”

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Vincoli e specifiche di progetto

Considerazioni di progetto

• Regolatori Lineari Analogici

• Capacità esterna di piccolo valore

• Costo e dimensione

• Il valore della capacità esterna limita il valore del Loop Gain, se vogliamo garantire un Phase Margin adeguato

• Azione di regolazione limitata

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Supply line, VinRegulated voltage, Vout

Vref

Power stage

Error

amplifier

Variable

load

Compensation

capacitor

Considerazioni di progetto

• Associamo al Regolatore Analogico Lineare un

Regolatore a Controllo Numerico

• Usiamo come feedback la corrente erogata dal Power MOSFET

• Loop Analogico più veloce, ma impreciso

• Inattivo a transitorio esaurito

• Loop Digitale più lento ed accurato

• Integratore ideale

• Errore nullo dopo transitorio

• Si possono usare strategie di controllo non convenzionali

• Il Regolatore Digitale è strettamente collegato al

Loop Analogico

• Sistema di controllo in corrente, non in tensione

• I loop di regolazione concorrono contemporaneamentealla realizzazione della funzione di controllo

Analog

Linear

Digital

Nonlinear

Variable Load

VloadIanalog Idigital

I’analog

Iload

Vref N

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Loop di Controllo Analogici

Diagramma a blocchi concettuale

uC

Loop di Controllo Digitali

Alimentazione esterna - Vdd

Tensione

regolata

Cload

Vload

Carico di corrente

variabile

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uC

Diagramma a blocchi circuitale semplificato

A/D

converters

Variable Load

HV power supply

Vref P

Analog

controlled

current source

Ip

InAnalog

controlled

current source

Digital

controlled

current

sources

Current sensing

elements

DIGITAL

CONTROL LOOP

H(s)

+

-

Analog control loop P

Analog control loop N

Cload

Vload (regulated)

Digital control

lines

D/A

converter

Configuration parameters

H(s)+

-

Vref N

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DAC concept

• Il convertitore Digitale/Analogico in corrente è realizzato con

centinaia di generatori unitari, comandati singolarmente,

disposti sulla periferia del dispositivo

• Il numero di generatori attivi è, ovviamente, funzione del carico

• Nessun generatore, anche a carico costante, può essere attivo continuativamente

• Si deve garantire che tutti i generatori siano esercitati nel tempo in modo uniforme

• Equilibrio dinamico

…..

…..

…..

…………..

Digital DAC

….

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DAC concept

• La gestione dei singoli generatori di corrente di valore unitario

è organizzata “ad anello”

• Solo una sezione di elementi contigui di questo anello è attiva ad ognicolpo di clock

• Ad ogni clock la sezione di elementi attivi avanza di una posizione

• Eventualmente, dietro comando del sistema di controllo digitale, il numero di elementi attivi aumenta o diminuisce di una unità

• Si deve gestire un eventuale “fault”

• Si ipotizza come tale la mancata/erronea attivazione di un elemento

• Deve esistere una singola sezione di elementi attigui attivi

• Deve esistere una singola sezione di elementi attigui non attivi

Generatore attivo

Generatore non attivo

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Controllo di VrefN• Inizialmente VrefN e VrefP hanno un valore leggermente diverso

per garantire che i generatori Ip ed In non siano mai attivi

contemporaneamente

• VrefN > VrefP

• Il controllore muove la VrefN e la porta ad un livello inferiore

rispetto VrefP per avere il loop di regolazione sempre attivo

• devo essere molto vicine, il più possibile

• Variazioni dovute a tecnologia, temperatura, invecchiamento

• VrefN < VrefP

VrefN

Ip inattiva In attiva

In inattivaIp attiva

VrefP

time

Vload

Controllo

numerico

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Vload

Descrizione del modello

Considerazioni sul modello• Il modello Simulink include

• Parte Analogica

• Parte Digitale

• Modello di carico

• Sono molto importanti per la corretta gestione di HDL Coder sia la

struttura del modello, sia la corrispondenza esatta dei segnali che

intercorrono tra parte Analogica e Digitale

• Chiara distinzione della parte Analogica da quella Digitale

• Completamente parametrico

• Cosimulazione Analog+Digital usando un simulatore da terze parti

• E’ altresì importante una accurata modellazione del contesto in cui il

sistema si trova ad operare

• Critica tanto quanto il progetto vero e proprio

• Simulazione dei possibili “fault”

• Variazioni del carico di corrente

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Simulink model - Top Level 19

Simulink model – Digital 1st level 20

Simulink model – embedded MATLAB 21

Simulazioni e verifica

Simulazioni• Il modello analogico è stato allineato con il simulatore usato dai

progettisti analogici

• Identificazione e modellazione dei parametri critici e degli elementi parassiti rilevanti

• Il codice RTL è stato utilizzato anche per simulazioni mixed-mode

(transistor-level / VHDL / verilog )

• E’ stato possibile simulare il comportamento nelle condizioni di

utilizzo più critiche

• Questo non era possibile (o, almeno, poco pratico) con il simulatore analogico a causa degli elevati tempi di CPU

• I risultati della simulazione mixed-mode sono perfettamente in linea

con quelli ottenuti con Simulink

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Simulink 24

Simulatore IC 25

Simulink 26

Simulatore IC 27

Conclusione

Conclusione• Abbiamo visto il ciclo di progetto completo di un sistema misto

analogico/digitale

• E’ opportuno partizionare e parametrizzare il sistema correttamente

fin dai primi passi

• La parte digitale e’ stata definita con uno sforzo supplementare

contenuto (per quanto riguarda la generazione di HDL)

• E’ possibile rigenerare velocemente il codice HDL con differenti

parametrizzazioni

• Una opportuna suite di test ne valida e conferma le prestazioni

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Q & A

Thank you!

Simulink 31

Simulatore IC 32

Simulink 33