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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)
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Outline
• Presentazione
• Motivazione
• Descrizione del sistema
• Vincoli e specifiche di progetto
• Descrizione del modello
• Simulazioni e verifica
• Conclusione
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Presentazione
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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
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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
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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
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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
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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)
+
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Analog control loop P
Analog control loop N
Cload
Vload (regulated)
Digital control
lines
D/A
converter
Configuration parameters
H(s)+
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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
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Descrizione del modello
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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
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Simulink model – Digital 1st level 20
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Simulink model – embedded MATLAB 21
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Simulazioni e verifica
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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
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Simulatore IC 25
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Simulink 26
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Simulatore IC 27
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Conclusione
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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!
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Simulink 31
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Simulatore IC 32
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Simulink 33