Ces dernières années, les fournisseurs de semi-conducteurs et les fabricants d'alimentations ont beaucoup vanté le concept de puissance numérique. Le marketing présente de plus en plus les techniques numériques comme la panacée face à la complexité croissante des systèmes actuels. De nombreux utilisateurs ont toutefois adopté une position d'attentisme face aux fabricants d'alimentations, qui se sont lancés dans la promotion de diverses architectures. A ce jour, on manque de recul quant aux réussites industrielles faisant appel à des approches numériques. Cela crée une relative perplexité dans l'esprit des concepteurs. De plus, ajoutant à la confusion générale, les fabricants placent des significations différentes derrière l'expression « alimentation numérique » . Que signifie donc exactement cette expression ? Et quels sont ses avantages immédiats ?

La distinction entre le contrôle de la puissance et sa gestion est un point clé dans toute discussion portant sur l'alimentation numérique. Ericsson utilise le terme de « contrôle » pour traiter des fonctions de commande internes à une alimentation, et en particulier la gestion, cycle par cycle, des flux d'énergie dans ladite alimentation. Cette définition inclut les fonctions de servitudes et la boucle de contre-réaction. Le contrôle de puissance s'effectue en temps réel (à la même échelle de temps que la fréquence de découpage de l'alimentation). Ces fonctions de contrôle sont réalisables avec des techniques analogiques ou numériques. Ce choix est souvent transparent pour l'utilisateur. Cela signifie que l'emploi d'une alimentation dotée d'un contrôle numérique peut ne pas nécessiter de modifications de sa part.

Par opposition, la « gestion de la puissance » fait référence à la communication et/ou au contrôle externe à une ou plusieurs alimentations. Cela inclut des fonctions telles que la configuration du système d'alimentation, la commande et la surveillance d'alimentations individuelles et la communication des pannes détectées. Les fonctions de gestion de la puissance ne s'exécutent pas en temps réel. Elles s'effectuent, au contraire, à un rythme plus lent que la fréquence de découpage des alimentations. Ces fonctions tendent aujourd'hui à associer des techniques analogiques et numériques. Ainsi, la tension de sortie est souvent déterminée par des résistances, tandis que le séquencement de la mise sous tension exige typiquement des lignes de commande dédiées pour chaque alimentation. Selon la définition d'Ericsson, la gestion numérique de la puissance implique que toutes ces fonctions fassent appel à des techniques numériques. Par ailleurs, au lieu d'une organisation avec de multiples interconnexions individuelles de et vers chaque alimentation pour le séquencement et la détection de pannes, une structure similaire à un bus de communication de données réduit la complexité de la connectique.

Sur la figure 1, à gauche, un circuit intégré de modulation de largeur d'impulsion (PWM) fournit la commande au primaire dans une boucle analogique classique. Un diviseur de tension résistif prélève une fraction de la tension de sortie de l'alimentation. Cette tension est ensuite comparée avec une tension de référence à l'aide d'un amplificateur d'erreur. La sortie de ce dernier est un signal analogique dont l'amplitude est proportionnelle à la correction qu'il faut appliquer à la tension de sortie. Ce signal d'erreur est rebouclé vers le circuit PWM dont l'impulsion de sortie a une largeur définie par ledit signal d'erreur. Cette impulsion commande ensuite la mise en conduction des semiconducteurs de l'étage de puissance (le plus souvent des Mosfet). Des circuits d'attaque sont nécessaires pour commuter de façon efficace les Mosfet, qui présentent de fortes capacités de grille. Un réseau résistances-condensateurs compense en général la boucle afin d'obtenir un compromis approprié entre rapidité de réponse et stabilité.

L'alimentation se compose de deux autres sections qui sont les filtres d'entrée et de sortie. Réalisés à l'aide d'inductances, de condensateurs et de résistances, ils remplissent plusieurs fonctions. Le filtre d'entrée protège l'alimentation contre les transitoires de tension d'entrée, stocke une certaine quantité d'énergie pour faire face aux variations de charge, et assure la conformité aux spécifications d'émissions réinjectées sur l'entrée. Le filtre de sortie lisse la tension de sortie pour répondre aux spécifications d'ondulation et de bruit, et stocke aussi de l'énergie pour contribuer aux appels de courant dynamique des circuits de charge. Il est important de noter que les filtres d'entrée et de sortie ainsi que les composants de puissance restent fondamentalement les mêmes, que le contrôle soit analogique ou numérique.

La structure d'un système typique de contrôle numérique d'une alimentation apparaît sur la figure 1, à droite. Le réseau de mesure de la tension de sortie est similaire à celui d'un système analogique. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) remplace toutefois l'amplificateur d'erreur du système analogique, transformant la tension prélevée en un nombre binaire. Il est utile de connaître, outre la tension de sortie, la valeur d'autres paramètres analogiques comme le courant de sortie et les températures dans l'alimentation. Des CAN séparés pourraient acquérir chaque paramètre. Cependant, il est nettement plus efficace d'utiliser un seul CAN précédé d'un multiplexeur (MUX). Ce dernier commutera entre les entrées analogiques à mesurer et les orientera les unes après les autres vers le CAN.

La fréquence d'échantillonnage (MUX et CAN) étant constante, le CAN fournit pour chaque paramètre une suite de nombres espacés par un intervalle de temps fixe. Ces valeurs sont dirigées vers un microcontrôleur qui effectue le traitement. Une mémoire de programme intégrée stocke les algorithmes qui réalisent des calculs sur les valeurs de sortie du CAN. Les résultats de ces calculs sont des grandeurs telles que le signal d'erreur, les largeurs d'impulsion souhaitées pour l'étage de commande, les valeurs optimales des retards entre les différentes sorties du circuit d'attaque, ainsi que les paramètres de la compensation de la boucle. Les composants externes de compensation de la boucle du système analogique ne sont plus nécessaires. Les valeurs de consigne pour des grandeurs comme la tension de sortie, le courant de sortie et les limites de température sont stockées dans une mémoire non volatile pendant la fabrication, ou peuvent être téléchargées dans une mémoire de données lors du démarrage du système.

Comparé à un contrôle analogique, un contrôle numérique est nettement plus souple dans sa capacité à s'adapter à des changements de conditions de ligne et de charge. Les approches analogiques sont généralement configurées avec un seul réglage de « compromis » pour un paramètre de contrôle donné. En revanche, les systèmes de contrôle numérique offrent la possibilité d'adapter les paramètres de contrôle selon les conditions de fonctionnement du convertisseur. Par exemple, dans un régulateur de point de charge (Pol) de type buck synchrone, un temps mort garantit que les Mosfet haut et bas ne soient jamais conducteurs simultanément. Les systèmes de contrôle analogique utilisent un réseau de temporisation fixe pour définir ce temps mort dans des conditions extrêmes de fonctionnement (worst case). Toutefois, dans la plupart des situations, cette valeur de temps mort est plus longue que nécessaire, ce qui réduit le rendement du convertisseur. Par opposition, une boucle de contrôle numérique peut faire varier dynamiquement la valeur du temps mort, suivant les conditions de fonctionnement, et ainsi optimiser le rendement du régulateur Pol.

De même, la compensation de boucle de retour résulte nécessairement d'un compromis entre la stabilité et la performance dynamique dans les systèmes analogiques. Au contraire, avec les techniques de contrôle numérique, il est possible de réaliser des boucles de contrôle non linéaires ou adaptatives, qui font varier le taux de compensation selon les conditions de fonctionnement. Cela signifie que l'alimentation ou le régulateur Pol répond rapidement quand il le faut, et plus lentement dans d'autres situations. Cette approche a aussi d'autres avantages : elle nécessite moins de condensateurs de découplage en sortie pour une tolérance de tension donnée, ce qui permet d'économiser de l'espace et de l'argent Enfin, un contrôle numérique peut autoriser un fonctionnement en mode discontinu - c'est-à-dire « sauter » des cycles de commutation dans des conditions de très faible charge - sans l'habituel inconvénient d'une performance réduite en charge dynamique.

Gestion numérique de la puissance signifie commande et surveillance numériques du fonctionnement interne des alimentations d'une carte, à partir de l'extérieur de leurs propres circuits. Citons comme exemple la commande d'une séquence de mise sous ou hors tension d'alimentations multiples, tout en garantissant que chacune reste à l'intérieur de ses spécifications de marge de tension. Ce type de contrôle est d'une importance cruciale quand il s'agit de garantir le fonctionnement correct de composants tels que des DSP et des FPGA, qui nécessitent des alimentations différentes pour leurs coeurs à faible consommation et pour leurs réseaux d'entrées/sorties à niveaux de tension multiples.

Les systèmes actuels de gestion numérique de puissance s'appliquent en général à des alimentations montées sur une carte électronique, qui communiquent avec un circuit de contrôle centralisé au travers d'un bus de communication numérique. Les modules d'alimentation peuvent être des convertisseurs DC-DC isolés ou des régulateurs Pol non isolés. Le circuit de contrôle central est à même de se présenter sous plusieurs formes : il peut s'agir d'un circuit de gestion de puissance dédié, d'un microcontrôleur ou d'un groupe de portes dans un FPGA. Ce dispositif de contrôle est souvent appelé « maître » ou « hôte » , alors que les modules contrôlés sont qualifiés d' « esclaves » . Dans la plupart des cas, le domaine d'action de l'hôte se limite à une seule carte. Dans certains grands systèmes, l'hôte communique avec des contrôleurs de plus haut niveau disposés ailleurs dans le système, ou même avec des composants installés à distance dans le cadre de réseaux de communication étendus. La figure 2 montre un exemple d'un système d'alimentation sur une seule carte.

La complexité de la gestion de la puissance s'accroît considérablement quand le nombre de niveaux de tension sur une carte augmente. L'ordre de séquencement, les temps de montée et les retards doivent être contrôlés aussi bien lors des opérations normales de mise en marche ou arrêt que dans les conditions de pannes. Tout cela est facile à réaliser avec une gestion numérique sans nécessiter de composants analogiques de commande et de temporisation. On peut tout aussi aisément réaliser un séquencement commandé par événements, comme quand il s'agit, par exemple, de vérifier les paramètres d'un premier module avant d'en mettre en marche un second.

La technique de tolérancement de tension consiste à définir les limites de la tension de sortie, au-dessus ou en dessous de la tension nominale, qui garantissent le respect des spécifications sous toute condition de charge. Elle s'utilise en fin de production pour tester ces limites afin de vérifier la robustesse de l'ensemble. On fait peut-être varier les tensions de ± 5 % selon différentes combinaisons. Avec le bus de communication numérique, cette tâche s'effectue en moins d'une seconde sans aucun matériel ni aucune interconnexion supplémentaire. La figure 3 montre des exemples de séquencement et de tolérancement.

De fait, la gestion numérique de la puissance est utile tout au long de la durée de vie d'un système et de son alimentation. Lors de la construction de chaque module, des équipements de test automatique peuvent configurer les alimentations et y enregistrer des données et des numéros de série. Pendant la phase d'optimisation du système, les concepteurs sont susceptibles d'utiliser l'interface numérique vers les alimentations pour mesurer la température, les tensions et les courants de sortie sur un PC portable afin de définir les seuils des circuits de protection et optimiser le séquencement de la puissance.

Lors des étapes d'assemblage et de test des cartes électroniques et du système, les équipements de test sont à même d'employer l'interface de gestion de puissance numérique pour le test des tolérances de tension, la surveillance et le réglage de la tension, la mesure du rendement de conversion, et pour l'enregistrement des numéros de série et des codes de données. Et si le concepteur place un contrôleur hôte permanent sur la carte, il peut facilement mettre en oeuvre des séquences de mise en marche et d'arrêt sans qu'il soit nécessaire d'ajouter quoi que ce soit. Il est facile de surveiller les températures de fonctionnement afin de réguler les vitesses des ventilateurs de refroidissement. Le rendement de conversion est vérifiable en temps réel et toute dégradation est signalée avant qu'une panne ne se produise. Des routines de gestion et de détection de pannes peuvent être développées en tenant compte des conditions de fonctionnement.

A noter que l'utilisation d'une configuration numérique n'impose pas nécessairement la présence d'un contrôleur hôte ou d'un bus numérique dans le système final, ni même dans le cycle de fabrication. Si les spécifications sont connues et sont censées rester relativement fixes, le fabricant d'alimentations peut aisément les programmer lors de la production sans aucun changement matériel. Le client se sert ensuite de l'alimentation de la même manière qu'une unité analogique classique.

Finalement, les avantages du contrôle numérique sont suffisamment convaincants selon Ericsson pour en faire l'approche préférée dans la conception d'une alimentation, et des modules en particulier. La société introduira de plus en plus de modules à contrôle numérique dans ses gammes de produits. Certains des circuits de contrôle numérique embarqués dans des alimentations sont en outre utiles à la gestion de la puissance système, une bonne partie du matériel nécessaire à la gestion de la puissance tombant ainsi « gratuitement » dans l'escarcelle de l'utilisateur.