Extension AMS du langage VHDL pour l’électronique de puissance

Les différentes disciplines de l’électronique utilisent, à des degrés très variés, des outils et des flots de conception assistés par ordinateur. Mais si on considère l’ électronique de puissance, les convertisseurs statiques sont conçus en grande partie grâce à l’expérience aiguisée des ingénieurs et par la mise au point de prototypes basés sur des cycles de détection et de correction d’erreurs.

La conception se déroule par étapes de dimensionnement des différentes parties du convertisseur, mais n’est pas assistée par ordinateur, si ce n’est quelques calculs ou la recherche dans des bases de données. Tout d’abord, l’ingénieur choisit une architecture compatible avec le cahier des charges. Le choix des composants tient en grande partie à la connaissance que possède l’ingénieur des technologies. En schématisant un peu, pour simplifier son travail, l’ingénieur sépare certains points : le convertisseur au sens de sa fonction première, le système de commande et de régulation, le système de dissipation des pertes par effet Joule, et les moyens pour assurer la qualité minimale du convertisseur vis-à-vis des normes électromagnétiques. La conception du convertisseur aboutit, si l’expérience de l’ingénieur lui permet, à chaque étape, de faire des choix qui ne rendent pas impossible la résolution du problème à l’étape suivante.

En effet, dans un convertisseur tous les phénomènes sont liés. Par exemple, si l’on considère la commutation des composants de puissance, qui est la base des techniques de découpage de l’énergie : plus cette commutation est rapide, moins de pertes Joule sont dissipées par le composant, mais plus il participe à la pollution électromagnétique générée par le convertisseur. Ralentir la commutation adoucit le comportement vis-à-vis des normes électromagnétiques, mais requiert un dispositif de dissipation des pertes Joule plus efficace, donc plus volumineux et plus cher. Qui plus est, un convertisseur volumineux éloigne les dispositifs actifs les uns des autres, ce qui engendre des problèmes de connectique ; or, les connexions participent, elles aussi, à la qualité des commutations… Un tel couplage des phénomènes physiques rend l’actuelle démarche de conception peu pertinente. Pourtant, les nouveaux langages de description, les nouveaux outils d’analyse permettent de tenir compte de ce foisonnement de phénomènes et de leurs couplages divers.

L’industrie de l’électronique de puissance paraît bouder les méthodes et les outils de conception assistés par ordinateur. En effet, le prototypage physique y reste une valeur sûre, faute d’outil et de méthodologie ayant fait leur preuve, mais les choses évoluent par contraintes économiques et une tendance forte à l’intégration. En effet, le nombre et la variété des convertisseurs de puissance sont appelés à croître très fortement dans les années à venir. Cette industrie doit donc préparer sa compétitivité en travaillant sur le prix du kilowatt commuté. Celui-ci ne fait que baisser depuis vingt ans et des secteurs comme l’automobile imposent encore des baisses significatives. Quels que soient les développements technologiques en cours, l’électronique de puissance est inéluctablement conduite à mettre en œuvre le prototypage virtuel. Entendons par là toute la chaîne des méthodes assistées par ordinateur pour la conception et les analyses, ainsi que les outils qui permettent de valider un projet avec confiance, depuis l’expression des besoins jusqu’à la réalisation, voire l’industrialisation.

Toutes les branches de l’industrie électronique ont en commun la nécessité d’aborder globalement la conception d’un produit, que ce soit un système sur puce, une carte électronique ou un convertisseur complet. Il est important de comprendre ce qu’un outil d’aide à la conception peut offrir dès maintenant comme services et ce qui doit changer dans les habitudes industrielles pour apprivoiser ces outils et ces méthodes.

Dans ce premier article nous faisons une présentation générale et assez formelle des constructions et possibilités du langage VHDL-AMS pour pouvoir aborder plus tard en détails tous les avantages qui y sont liés. Après avoir rappelé les structures principales du langage VHDL ( Very High Scale Integrated Circuit Hardware Description Language ) [5], spécialisé dans la description des systèmes numériques, nous présentons son extension AMS ( Analog and Mixed Signal ). L’article sera clos par quelques exemples simples et purement illustratifs.

Un second article [D 3 068] permettra de traiter des cas plus concrets de conception en électronique de puissance avec ces nouveaux outils.

Le lecteur rompu au langage VHDL peut se reporter sans attendre au paragraphe 2 (partie AMS) (voir schéma de la figure 1).