Couverture ElectroniqueS n°127

Les amplificateurs RF des radars à impulsions imposent de nombreux défis aux concepteurs des systèmes de contrôle et de gestion numériques. Ces derniers doivent être flexibles, réutilisables et en mesure de s'adapter à différentes architectures d'amplification RF. À l'image des radars à impulsions, les solutions qui embarquent un amplificateur de puissance RF en nitrure de gallium (GaN), conjuguant de forts niveaux de puissance, d'in-tégration et de complexité, représentent un défi constant pour les concepteurs des systèmes de contrôle et de gestion numé-riques. Les ingénieurs sont en effet confrontés à une augmentation perma-nente du degré de sophistication. Pour être compétitifs sur un tel marché, les sys-tèmes de contrôle modernes doivent être très flexibles, réutilisables et en mesure de s'adapter aisément à différentes architectures d'amplification RF personnalisables en fonction des besoins du client. Ces sys-tèmes de gestion complexes exigent des algorithmes de compensation innovants, des fonctions de test intégrées (BIT), des interfaces de communication locales et à distance, une capacité de surveillance des paramètres des performances et des conditions environnementales critiques pour le système, ainsi qu'une protection contre les défaillances. Cette grande complexité va de pair avec l'augmentation de puissance attendue des systèmes RF à semi-conducteurs. Ceux-ci génèrent par ailleurs une énorme quantité de chaleur, ce qui a des répercussions sur les performances de l'amplificateur et les intervalles moyens entre pannes (MTBF). Surveiller en temps réel les performances et la température Les MMIC (Monolitic Microwave Integrated Circuit, circuit intégré monolithique hyperféquence) dévolus à l'amplification RF, requis par ces systèmes, sont à la fois onéreux et gourmands en énergie. Par conséquent, les clients doivent surveiller en temps réel les performances et la température des systèmes architecturés autour d'un amplificateur de puissance (PA, Power Ampli-fier) à base de nitrure de gallium. Cette approche permet de détecter les problèmes imminents avant qu'ils ne provoquent des dommages et, de ce fait, les mesures nécessaires pour les éviter seront prises. Avec une électronique de commande bien conçue, les implémentations peuvent être extrêmement flexibles et associées à n'importe quelle architecture d'amplification RF. L'électronique numérique sera alors adap-tée aux besoins de chaque client et la conception numérique disposera d'une logique de protection intégrée, capable de désactiver les amplificateurs RF en GaN lorsque les seuils d'endommagement sont approchés. Ces caractéristiques-clés jouent un rôle prépondérant dans l'optimisation des performances RF dans des bandes passantes larges et à des températures élevées. Elles garantissent un haut niveau de testabilité et de maintenabilité, ainsi qu'une grande facilité d'intégration système et d'étalonnage, avec en sus une différenciation technologique significative. Les amplificateurs RF à semiconducteurs affichent une complexité et une puissance de sortie sans cesse croissantes. Pour optimiser les performances, gérer le séquençage de puissance, assurer la détection des défauts, ainsi que surveiller et protéger les systèmes d'amplification, l'électronique retenue s'appuiera sur des microcontrôleurs rapides et/ou des FPGA. Par rapport aux solutions dédiées, les alternatives program-mables apportent la flexibilité indispensable au développement des sous-systèmes d'am-plification RF avancés actuels. Cette repro-grammabilité minimise les risques de reprise de la conception des circuits impri-més, ainsi que les retards imputables aux erreurs de conception. En fonction de l'application, ces systèmes d'amplification présentent des exigences similaires. L'architecture de l'électronique de commande numérique ( voir figure 1 ) adaptée aux exigences de l'application se compose généralement des éléments suivants: - un contrôleur numérique rapide - une mémoire non volatile - un convertisseur analogique-numérique (CAN) - un convertisseur numérique-analogique (CNA) - une entrée/sortie numérique (E/S) - une fonction de conditionnement d'éner-gie en courant continu - des interfaces de communication - divers capteurs analogiques La réutilisation d'éléments matériels et logiciels est indispensable pour dévelop-per rapidement et efficacement des variantes de conception. Ces caractéris-tiques réduisent le temps consacré aux opérations de test et d'étalonnage en usine, tout en procurant un outil de dia-gnostic essentiel pour le débogage. DAVID BENNETT (ANALOG DEVICES) David Bennett est titulaire d'une licence en sciences obtenue en 1979 à l'Institut de technologie de Rochester (État de NY). Au sein du groupe «Integrated Solutions Instrumentation and Defense» d'Analog Devices, il est responsable des architectures et de la conception des systèmes numériques et de contrôle de puissance. DSP et FPGA en compétition La majorité des systèmes de contrôle pour amplificateurs RF proposés par Analog Devices exploitent soit des FPGA soit des DSP. Polyvalents, les processeurs DSP comme les Sharc ou les Blackfin affichent des performances en temps réel (latence sur interruption) incomparables. En outre, le développement logiciel en langage C est aisé et moins coûteux qu'avec un FPGA. Un processeur comme l'ADSP-21573 avec ses deux cœurs DSP donne la possibilité d'implémenter plusieurs fonctions parallèles, fonctionnant de façon simultanée et séparée, ou de fournir un certain niveau de redondance. Le résultat est qu'un processeur DSP est à même de réagir rapide-ment à des commandes, ainsi qu'à des conditions critiques du circuit pour protéger l'électronique de puissance RF, géné-ralement très coûteuse. Les algorithmes seront écrits en C, en C++ ou encore en assembleur lorsque les contraintes de temps réel sont critiques. Les autres fonctions sont en général supportées par les nombreuses E/S logiques et périphériques (timers, PWM…). L'exécution des fonctions logiques est pilotée par la logique de machine d'état intégrée aux circuits logiques programmables sur site. Une machine d'état contrôle la séquence des opérations effectuées en fonction des conditions d'entrée et de sortie. Optimisation des performances de l'amplificateur : pour optimiser les performances de l'amplificateur, la tension de grille doit être réglée afin d'obtenir le courant d'alimentation spécifié dans la fiche technique de l'amplificateur. La tension de grille est ajustée par un convertisseur numérique-analogique, alors que la surveillance du courant d'alimentation de l'amplificateur de puissance fait appel à un convertisseur analogique-numérique. Ces fonctions permettent d'étalonner rapidement la tension de grille de l'amplificateur RF, sans qu'il soit nécessaire de tester ou de modifier l'électronique RF. Amélioration du séquençage de puissance, de la gestion de puissance et de la surveillance de l'alimentation : une conception avec DSP sera mise en œuvre pour séquencer les régulateurs de tension et les amplificateurs RF, dans le but de minimiser le courant à la mise sous tension, mais aussi de surveiller et détecter les défauts au niveau de l'amplificateur et de l'alimentation. Le processeur initiera une mesure de protection en désactivant les composants du système dès qu'une anomalie sera détectée, ou signalera l'état à un ordinateur via l'interface de commande. Il sait également gérer la dissipation d'énergie globale du système en désactivant les circuits inactifs (mode veille). Surveillance de la température, gestion thermique : dans les systèmes d'amplification de forte puissance, la température est un facteur critique pour les performances RF. La possibilité de surveiller la température permet au microcontrôleur d'implémenter des algorithmes de compensation de l'élévation de température des amplificateurs. De plus, avec la fonction de surveillance de la température, le processeur sera mis à contribution pour contrôler les systèmes de refroidissement (vitesse du ventilateur) et minimiser toute baisse de performances. La logique est capable de détecter des conditions thermiques potentiellement dangereuses et de prendre les mesures appropriées. Entrées/sorties numériques et analogiques : le contrôleur pilote des commutateurs RF, des déphaseurs, des atténuateurs numériques et des atténuateurs commandés en tension (atténuateurs analogiques). La quasi-totalité des signaux fournis par les capteurs analogiques sera interfacée avec le contrôleur au moyen de convertisseurs analogique-numérique. Commande, interfaces avec un système informatique, interface graphique (GUI) : ces aspects sont peut-être les plus importants du système de gestion, car ils permettent d'accéder facilement aux données de commande, de détection et de diagnostic dont dispose le système d'amplification. Il est possible de créer une interface graphique afin de formater toutes les informations de contrôle et d'état au sein d'une interface conviviale. Il est par ailleurs envisageable de créer des scripts logiciels en vue d'assurer une couverture des tests de production étendue, ainsi que de faciliter l'étalonnage et l'analyse des défaillances tout au long des phases d'intégration système et de test final. Les données de test seront écrites dans des fichiers informatiques ou lues à partir de ceux-ci, tandis que les données d'étalonnage seront stockées dans la mémoire non volatile (NVRAM), avant d'être exploitées en phase d'exécution en tant que variables dans des algorithmes de compensation. Au-delà de son utilisation dans des environnements industriels, ce puissant outil d'interface sera déployé sur le terrain afin de surveiller l'état du système, de déterminer la cause profonde des défaillances système et de simplifier la mise à niveau sur site des logiciels de contrôle. Les variantes de cette interface sont parfaitement adaptées aux applications connectées à l'Internet des Objets (IoT), ce qui étendra l'intelligence en périphérie du réseau. Un fonctionnement en ondes pulsées complexe Les amplificateurs de puissance RF en nitrure de gallium fonctionnent à la fois en ondes entretenues (CW) et en ondes pulsées. Le fonctionnement en mode pulsé est plus complexe du point de vue du contrôle. C'est la raison pour laquelle il fait l'objet du présent article. Les radiofréquences pulsées sont mises à profit dans les applications médicales, les radars et les communications, pour ne citer que quelques exemples. Le fonctionnement pulsé présente l'avantage de réduire la dissipation thermique. Les schémas de refroidissement sont alors moins exigeants, alors que les besoins en courant continu externe du système sont minimi-sés. Cependant, l'augmentation de la fréquence de récurrence des impulsions, combinée à des rapports cycliques plus brefs et à des temps de stabilisation plus courts, contribue aux progrès de la technologie. Face à ces exigences, notre approche consiste à adopter des systèmes de contrôle numérique pour que les MMIC RF fonctionnent en régime pulsé. En raison de leur aptitude au temps réel, les processeurs de traitement numérique du signal sont parfaitement adaptés pour activer/désactiver les MMIC RF, à l'aide de techniques d'impulsion au niveau de la grille ou du drain, selon les exigences du système. L'interface de contrôle entre le DSP et les MMIC RF se compose généralement de circuits chargés de commuter l'alimentation sur le drain du MMIC, ou toute forme de circuit analogique ou de conversion numérique-analogique qui s'interface avec la grille. En fonction de la vitesse de commutation et du temps de stabilisation requis, des batteries de condensateurs s'avéreront parfois néces-saires pour stocker l'énergie localement, et ainsi maximiser l'efficacité de la polarisation en courant continu lors de la mise en régime pulsé des MMIC. Les figures 2 et 3 représentent des circuits génériques typiques exploitables dans les applications RF pulsées. Le DSP contrôle le timing du signal pulsé, tout en surveillant et en protégeant l'état des MMIC RF de façon synchronisée. Il peut aussi recevoir un signal pulsé unique et le distribuer vers un ou plusieurs MMIC RF en maintenant un timing précis. Dans les applications de forte puissance, le principal avantage consistant à appliquer des impulsions au niveau de la grille est qu'une commutation en courant continu élevé n'est pas nécessaire. Cependant, la méthode peut s'avérer complexe car la tension appliquée sur la grille doit être précise et bien contrôlée pour optimiser les performances RF. Les données de caractérisation du MMIC sont typiquement réalisées dans une unique condition de polarisation de grille statique, où les performances des MMIC sont les meilleures. De fait, les MMIC ne sont généralement pas caractérisés pour un fonctionnement en ondes pulsées. Certains MMIC affichent une certaine instabilité lorsque les tensions de grille commutent le MMIC entre l'état de pincement (pinch-off) et l'état passant. Un régime d'impulsions au niveau du drain peut être moins exigeant et requérir moins de données de caractérisation du MMIC. Il convient d'examiner attentivement les exigences de chaque régime pulsé, afin de déterminer la méthodologie et les circuits les mieux adaptés. Toute application d'impulsion à des circuits MMIC, que ce soit au niveau de la grille ou du drain, doit être évaluée en fonction du circuit qui sera effectivement utilisé dans la conception. n

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