Un regolatore di tensione a controllo misto analogico/digitale.

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1 Un regolatore di tensione a controllo misto analogico/digitale. Un esempio di progetto di un sistema di controllo analogico/numerico, della sua verifica e realizzazione mediante tecniche di Model-Based design Carmelo Burgio STMicroelectronics, Agrate Brianza (Automotive Design Team)

2 Outline 2 Presentazione Motivazione Descrizione del sistema Vincoli e specifiche di progetto Descrizione del modello Simulazioni e verifica Conclusione

3 Presentazione

4 STMicroelectronics Worldwide company Progettazione e realizzazione di circuiti integrati Presentazione 4 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)

5 Motivazione

6 Motivazione 6 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

7 Descrizione del sistema

8 Il problema 8 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

9 Vincoli e specifiche di progetto

10 Considerazioni di progetto 10 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 Supply line, V in Power stage Regulated voltage, V out V ref Error amplifier Variable load Compensation capacitor

11 Considerazioni di progetto 11 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 contemporaneamente alla realizzazione della funzione di controllo Analog Linear V ref N I analog V load I analog I digital Variable Load I load Digital Nonlinear

12 Diagramma a blocchi concettuale 12 Alimentazione esterna - V dd Loop di Controllo Analogici Loop di Controllo Digitali V load Tensione regolata C load uc Carico di corrente variabile

13 Diagramma a blocchi circuitale semplificato HV power supply 13 Vref P Analog control loop P + H(s) - Analog controlled current source I p Digital controlled current sources D/A converter V load (regulated) Vref N - H(s) + Analog control loop N I n Analog controlled current source Current sensing elements A/D converters C load DIGITAL CONTROL LOOP Variable Load uc Digital control lines Configuration parameters

14 DAC concept 14 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

15 DAC concept 15 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 ogni colpo 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

16 Controllo di V ref N 16 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 V load I p inattiva I n attiva V ref N V ref P V load Controllo numerico I p attiva I n inattiva time

17 Descrizione del modello

18 Considerazioni sul modello 18 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

19 Simulink model - Top Level 19

20 Simulink model Digital 1st level 20

21 Simulink model embedded MATLAB 21

22 Simulazioni e verifica

23 Simulazioni 23 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

24 Simulink 24

25 Simulatore IC 25

26 Simulink 26

27 Simulatore IC 27

28 Conclusione

29 Conclusione 29 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

30 Q & A Thank you!

31 Simulink 31

32 Simulatore IC 32

33 Simulink 33