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Article de référence | Réf : D3184 v1

Contrôles en mode glissant pour la performance dynamique
Principes de régulation en boucle fermée : approche en mode glissant en courant - Stratégie de contrôle en boucle fermée, en courant

Auteur(s) : Bruno ALLARD

Date de publication : 10 févr. 2018

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RÉSUMÉ

L’échelle de tension faible permet l’utilisation de technologies intégrées de semi-conducteur et le déploiement de solutions avancées en termes de contrôle en boucle fermée. Pour «réguler» la tension de sortie du convertisseur face aux perturbations induites par les variations dynamiques de la charge ou de la tension d’entrée, il faut un «régulateur de tension». Il existe plusieurs approches de contrôle en boucle fermée. La modulation par largeur d’impulsion à fréquence fixe à partir de la mesure de tension offre des performances dynamiques limitées. La stratégie d’approche par une implémentation non linéaire en mode glissant courant ouvre à de meilleurs résultats. C’est l’objet de cet article, qui décrit les principes d’une boucle en courant hystérétique et l’approche de la synchronisation.

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ABSTRACT

Integrated Inductive Switch-Mode Power Supply: Fondamentals on Feedback Control in Current Sliding Mode

Low voltage allows the use of integrated semiconductor technologies and the deployment of advanced solutions with closed loop control. To ‘regulate’ converter output voltage against perturbations induced by dynamic load or input voltage variations, a ‘voltage regulator’ is needed. There are several feedback loop approaches. Modulation by pulse width at fixed frequency from voltage measurement offers limited dynamic performance. Nonlinear implementation, called sliding mode control, offers better results. This article describes this approach and sets out the principles of the hysteresis current loop and synchronization.

Auteur(s)

  • Bruno ALLARD : Professeur des Universités - Département de Génie Électrique à l’INSA de Lyon Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

Il existe de nombreuses stratégies de contrôle de l’étage de puissance d’un convertisseur statique à découpage. Le propos est ici restreint aux convertisseurs non isolés, non résonnants et alimentés par une tension continue en entrée, pour fournir une tension continue en sortie. Le contrôle de la tension de sortie doit compenser l’impact de toutes variations, celle sur la tension d’entrée ou celle sur le courant de sortie. L’article [D3283] traite de la régulation de tension à fréquence fixe, en mode tension, c’est-à-dire que seule l’information sur la variation de la tension de sortie est utilisée dans la boucle de retour. Ceci consiste à mesurer la tension de sortie et comparer cette mesure à une tension de référence ; souvent la tension de référence sera la valeur de la tension à obtenir en sortie ou bien une fraction fixe de celle-ci ou encore une tension de référence à courant de sortie nulle dans le cas de l’Adaptative Voltage Positioning (AVP) de régulateurs de tension destinés aux processeurs. La comparaison, si elle est linéaire (analogique), produira une tension d’écart, ou d’erreur. Cette tension d’erreur servira à piloter l’étage de puissance par une opération de modulation. La modulation la plus simple est celle dite à largeur d’impulsion (MLI, ou Pulse-Width Modulation). Autrement dit un signal d’horloge (fréquence fixe) est transformé en un signal à même fréquence mais dont les durées à l’état haut ou bas sont modulées. La durée à l’état haut devient celle du prélèvement de l’énergie sur la tension d’entrée, alors que la durée à l’état bas définit la durée de la décharge du réservoir d’énergie en sortie, dans la charge. Il est possible également, par le même moyen, de réguler le courant dans la charge, si la mesure de courant produit une tension équivalente (par exemple aux bornes d’un shunt). Dans un convertisseur abaisseur de tension (ou hacheur série), si la tension en sortie baisse, il conviendra d’augmenter le niveau de courant dans l’inductance et vice-versa. L’information en tension, image du courant, est utilisée de manière similaire à la mesure directe de la tension en sortie dans le cas d’un convertisseur de tension (à quelques détails près, liés à un souci de stabilité de la boucle fermée). Cette opération à fréquence fixe de découpage ne présente pas d’intérêt particulier par rapport à un pilotage de la tension de sortie. Le fonctionnement à fréquence variable offrira un degré de liberté plus intéressant. Dans ce cas la comparaison entre l’image du courant dans l’inductance et une valeur de référence se fera de manière non linéaire. Le caractère « discret » de ce type de contrôle (en courant ou en tension) le différentie immédiatement du contrôle en tension à fréquence fixe, évoqué plus haut.

Il est possible de combiner les approches pour donner des performances transitoires supplémentaires à la régulation en boucle fermée. Par exemple une première boucle fermée pourra contrôler le courant dans l’inductance (caractère discret), et une seconde boucle de pilotage en tension produira la référence de courant à la première boucle (caractère linéaire).

Le contrôle en courant de manière discrète engendre une variation de la fréquence de découpage du convertisseur, quelquefois non souhaitable. Il existe alors des techniques pour synchroniser la fréquence de découpage avec celle d’une horloge de référence, lorsque le convertisseur ne subit pas de perturbations (autrement dit qu’il est en régime établi, par opposition au régime transitoire sous l’effet de perturbations dynamiques).

L’article décrit les principes d’une boucle en courant, hystérétique (non linéaire), la notion de mode glissant et l’approche de la synchronisation.

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KEYWORDS

voltage controller   |   advanced control   |   current sliding mode   |   close-loop

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3184


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2. Contrôles en mode glissant pour la performance dynamique

La figure 4 propose une architecture avec deux boucles. Une boucle rapide exploite un indicateur dynamique représentatif de l’évolution du point de fonctionnement du convertisseur. Ici la grandeur choisie est le courant de sortie (inductance), voire l’ondulation du courant de sortie. Une boucle plus lente sert de compensation vis-à-vis de la tension de sortie, pour corriger sa dépendance sur le courant de sortie à cause de la charge et de l’impédance de sortie dynamique du convertisseur.

La figure 5 donne un exemple du comportement du système décrit à la figure 4 lors d’une variation brusque du courant de sortie. La boucle fermée rapide est responsable de la modulation du rapport cyclique et donc du comportement dynamique. Le fait de corriger une simple consigne fixe, i ref (comme à la figure 1), permet d’accélérer la réaction de la boucle fermée. Celle-ci agit pour ramener l’ondulation du courant dans l’inductance dans l’épure de la bande d’hystérésis. Comme expliqué dans [D3183], il est nécessaire d’appliquer l’action de la boucle rapide d’une certaine manière pour ne pas créer d’instabilité. L’action doit suivre une certaine forme, caractérisée par des rampes maximales en fonction du temps pour éviter l’apparition de cycles limites.

La boucle lente en tension n’est pas sollicitée durant ce transitoire grâce au correcteur H v(s). L’action de la boucle lente n’est d’ailleurs pas visible sur l’exemple typique de la figure 5. De manière lente, la boucle lente va corriger l’effet de l’impédance dynamique de sortie du convertisseur.

2.1 Schéma...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BATHILY (M.) -   Design of DC/DC converters for RF system-on-chip.  -  Thèse de doctorat, INSA de Lyon (2010).

  • (2) - PENGFEI (L.), DEEPAK (B.), LIN (X.), RIZWAN (B.) -   A 90-240 MHz Hysteretic Controlled DC-DC Buck Converter With Digital Phase Locked Loop Synchronization.  -  IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 46, n° 9, pp. 2108-2119 (2011).

  • (3) - LABBE (B.) -   A contribution to synchronization of the sliding-mode control-based integrated step-down DC/DC converter.  -  Thèse de doctorant, INSA-Lyon, France (2013).

  • (4) - HUERTA (S.C.), SOTO (A.), ALOU (P.), OLIVER (J.A.), GARCIA (O.), COBOS (J.A.) -   Advanced Control for Very Fast DC-DC Converters Based on Hysteresis of the Cout Current,  -  IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 60, n° 4, pp. 1052-1062 (2013).

  • (5) - ON Semiconductor Corp. -   Theory of Operation of V2 Controllers.  -  Application note AND8276. En ligne (2009).

  • ...

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