Rampa su, rampa giù, o un po’ di entrambe


Kristine Angelica Sumague di Microchip Technology spiega come utilizzare una periferica ramp generator programmabile per creare un segnale a rampa di tensione.

Un segnale a rampa di tensione può essere usato in un circuito che richieda una variazione lineare della tensione. Solitamente viene utilizzato come segnale di riferimento, slope compensator o come un voltage sweep generator. Un tale segnale può essere creato utilizzando la periferica  Programmable Ramp Generator (PRG), disponibile  senza alcun carico sulla CPU, su molti microcontroller Microchip PIC®. Il PRG può generare una rampa discendente, ascendente o alternata, ovvero ascendente-discendente attivata da diverse sorgenti di input

Il PRG in modalità rampa discendente, per esempio, può essere usata come slope compensator in un converter DC-DC  funzionante in modalità corrente continua. La rampa discendente prodotta dal PRG previene le oscillazioni sub-armoniche e aiuta a stabilizzare l’output quando il duty cycle supera il 50 percento.

In Fig. 1 la funzione di generazione della rampa da parte del PRG lavora pilotando una corrente costante nel condensatore interno. La risultante tensione attraverso questo condensatore interno viene aggiunta, o sottratta, alla sorgente di tensione di input. La modalità di funzionamento della rampa fa affidamento principalmente sul controllo di commutatori analogici interni. La durata tra il momento in cui la rampa viene avviata e quando termina è determinata dalle sorgenti di timing di ingresso.

 

Fig. 1: Diagramma a Blocchi Semplificato di PRG

 

Sorgenti di timing di ingresso
Il PRG combina due sorgenti di timing indipendenti e selezionabili per generare il timing di controllo per la sua rampa di uscita. Queste sorgenti possono essere un input esterno dai pin PRGxR e F, o output da altre periferiche. L’ingresso ascendente impostato viene selezionato fissando i bit di selezione della sorgente di timing ascendente nel registro RTSS mentre l’ingresso discendente impostato viene selezionato fissando i bit di selezione della sorgente di timing discendente nel registro FTSS register.

La polarità delle sorgenti di timing è selezionata impostando i bit di selezione del Fall Event Polarity (FPOL) e  Rise Event Polarity (RPOL) nel registro CON1.

Può essere scelto anche il metodo di rilevamento della sorgente di timing di ingresso prescindendo dalle sorgenti di timing di ingresso e dall’evento di polarità. I due metodi di rilevamento di eventi di input per PRG sono level sensitive e edge sensitive. Il rilevamento degli input impostati come ascendenti e discendenti  sono selezionati impostando i bit di selezione del set rising input mode (REDG) e set falling input mode (FEDG) nel registro CON0.

In generale, un funzionamento edge-sensitive è utile quando i timing input sono derivati da sorgenti periodiche mentre il funzionamento level-sensitive si rivela utile quando i timing input sono derivati da soglie di tensione.

Le sorgenti di timing per il PRG possono variare da dispositivo a dispositivo. Alcune delle periferiche disponibili che è possibile utilizzare come sorgente di timing per PRG sono uscite di comparatori, PWM (pulse-width modulation) e CCP (capture, compare, PWM). La periferica deve essere configurata in anticipo e selezionata come sorgente di timing del PRG.


Sorgente di tensione di ingresso
La sorgente di tensione di input del PRG funge da tensione di riferimento per la rampa di uscita lineare. La sorgente di ingresso può essere una qualsiasi tra le seguenti: sorgente esterna da pin IN0 o IN1 del  PRG, oppure l’uscita bufferizzata del riferimento di tensione fisso interno (FVR) o ancora uno dei digital-to-analog converter (DAC) interni.

Le uscite op amp condividono i pin IN0 e IN1 così che il segnale di riferimento può essere bufferizzato dall’op amp attraverso sia l’attivazione dell’op amp che la selezione del pin IN corrispondente. Le sorgenti di riferimento vengono selezionate impostando i bit di selezione della tensione di ingresso nel registro INS.

Currenti Source/Sink
La corrente programmabile sul PRG ha una moltitudine di correnti source-sink per configurare la desiderata velocità di discesa dell’uscita  PRG. In applicazioni che richiedono un steep voltage rate nell’uscita PRG, deve essere selezionata una impostazione ad elevata corrente. La corrente costante di rampa è selezionata con i bit di impostazione  source-sink nel registro CON2.

Selezione Modalità
Il PRG può funzionare in una delle tre modaltà di generazione di tensione di rampa: generatore di rampa discendente / slope compensation oppure  generatore di rampa ascendente, o ancora generatore di rampa alternata ascendente-discendente.

Queste modalità vengono selezionate impostando i bit per la selezione della modalità di generazione di rampa programmabile di CON0. L’uscita PRG per ogni modalità è controllata dai commutatori analogici interni SW1, SW2 e SW3. SW1 scarica il condensatore interno quando il commutatore viene chiuso, mentre SW2 e SW3 collegano l’altro capo del condensatore alla corrente programmabile source / sink, rispettivamente.

La commutazione di SW2 e SW3 comanda il flusso della carica nel condensatore interno. Questi commutatori si alternano secondo la modalità configurata. Nella modalità a rampa discendente, SW2 è aperto, SW3 è chiuso e SW1 si alterna su on e off. Poichè SW3 è chiuso mentre SW1 è aperto, il condensatore interno viene caricato da una corrente sink. La tensione attraverso il condensatore è sottratta dalla sorgente di input della tensione e produce una uscita a rampa discendente alla velocità di discesa configurata.

La modalità a rampa ascendente ha lo stesso funzionamento, eccetto per lo stato di commutazione di SW2 e SW3. In questa modalità, SW2 è chiuso e SW3 è aperto. Quando SW2 è chiuso, mentre SW1 è aperto, il condensatore interno viene caricato dalla sorgente di corrente, producendo una uscita a rampa ascendente.

Nella modalità a rampa ascendente e discendente alternate, SW1 resta aperto mentre SW2 e SW3 commutano alternativamente. Ciò significa che quando SW2 è chiuso, SW3 è aperto, e viceversa. Poichè SW1 in questo modo resta aperto, la tensione di riferimento non produce effetti sull’uscita PRG perchè non ci sarà alcuno stato di scarica per portarlo alla tensione di riferimento. SW2 e SW3 che commutano alternativamente collegheranno il condensatore interno alla corrente source o sink  per caricare il condensatore da una direzione o dall’altra. Ciò produrrà alternativamente una rampa ascendente e discendente  sull’uscita PRG.

Una delle difficoltà con la commutazione alternata di  SW2 e SW3, nella modalità a rampa alternata, è che le correnti source e sink che fluiscono attraverso il condensatore interno non corrispondono esattamente a causa di diversi fattori, come resistenze parassitiche del condensatore, rumore, tolleranze di produzione, e temperatura. Ciò influisce fortemente sulle performance del PRG nel funzionamento in un sistema open-loop, e determina una deriva nel tempo della tensione media di uscita del PRG. Questa è una intrinseca limitazione  del sistema, che rende impossibile che possa essere regolato. Tuttavia, la deriva media di tensione può essere ridotta creando un loop di feedback sul PRG. L’uscita PRG è vincolata ad uno degli ingressi del comparatore mentre l’uscita del comparatore si comporta come uno dei ingressi di timing del PRG per mantenere il livello di picco della tensione all’uscita del PRG. Quindi, la tensione media in uscita dal PRG in un sistema closed-loop avrà una piccola deriva se comparata col sistema open-loop.

Per essere in grado di vedere la deriva media di tensione del PRG nella modalità a rampa alternata, il dispositivo con il modulo PRG può essere soggetto ad ambienti con continui aumenti di temperatura. Ciò accelera gli effetti della temperatura nelle performance di uscita dei PRG.

Come mostrato in Fig. 2, c’è una significativa variazione della tensione media quando il PRG funziona in un sistema open-loop. Tuttavia, questa variazione produce una tensione media quasi costante quando viene utilizzato un sistema closed-loop.

 

Fig. 2: tensione media PRG rispetto alla temperatura

 

One-shot timer
Il modulo PRG ha un one-shot timer opzionale che assicura un tempo minimo di scarica del condensatore sia per la modalità a rampa ascendente che discendente ed una minima durata della rampa ascendente e discendente alternate nella modalità a rampa alternata.

Nelle modalità a rampa ascendente e discendente, il one-shot timer assicura che il condensatore venga scaricato tenendo il commutatore di cortocircuito del condensatore SW1 chiuso per almeno il one-shot period (tipico 50ns), mentre nella modalità a rampa alternata sia la rampa ascendente che quella discendente  persistono per un tempo minimo pari al one-shot period.

Gli input di timing edge-sensitive che si verificano durante il one-shot period vengono ignorati  mentre gli input di timing level-sensitive che si verificano, ed estendono oltre, il one-shot period vengono sospesi fino alla fine del one-shot time. Il one-shot timer viene abilitato impostando l’OS bit del registro CON0.

Applicazioni
Oltre che in converter DC-DC, come menzionato in precedenza, può essere utilizzato per regolare l’ output di un alimentatore switch-mode implementando un controllo voltage mode.

Come nel caso della modalità di controllo della corrente di picco, la regolazione di uscita nella modalità a controllo della tensione può essere ottenuta regolando il duty cycle del  PWM che pilota  la commutazione dei metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET). Tuttavia, anzichè comparare l’errore sull’output con la corrente di induttore derivata per regolare il duty cycle del PWM, l’errore di output nel controllo voltage mode viene comparato con una rampa di tensione di riferimento. Il segnale a rampa ascendente generato dal PRG in una modalità a rampa ascendente può essere utilizzato come tensione di rampa di riferimento.

In Fig. 3, l’errore di output misurato dall’amplificatore di errore OPA viene comparato con il segnale a rampa ascendente del PRG.

 

Fig. 3: Converter DC-DC utilizzante voltage mode

 

Finchè la rampa ascendente di tensione non ha raggiunto la tensione di errore, il duty cycle in uscita del Complementary Output Generator (COG) aumenta. Ma una volta che il segnale a rampa ascendente raggiunge la tensione di errore di output, il duty cycle del COG è terminato.

Un’altra applicazione vede  l’alternarsi delle forme d’onda ascendente e discendente prodotte dal PRG usato come segnale di riferimento in un amplificatore half-bridge e full-bridge class-D, ved. Fig. 4.

Fig. 4: Amplificatore full-bridge class-D

 

In questa applicazione, è implementata una configurazione PRG closed loop per risolvere il problema della tensione media nella modalità a rampa alternata.

L’uscita a rampa alternata del PRG viene comparata con il segnale input audio analogico attraverso un comparatore interno con uscita invertita. L’uscita del comparatore produce forme d’onda ad impulso direttamente proporzionali al valore istantaneo del segnale audio. Le forme d’onda ad impulsi alimentano il COG, le cui uscite PWN complementari pilotano Q1 e Q4 high, Q2 e Q3 low, o viceversa. Infine, un filtro passa-basso è utilizzato per rimuovere la portante di frequenza e ricreare il segnale audio analogico.

Conclusioni
La periferica generatrice di rampe programmabili su molti microcontroller PIC può creare un segnale a rampa di tensione che può essere utilizzato come segnale di riferimento, slope compensator, o  voltage sweep generator.

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