Pourquoi et comment utiliser les CNA de courant pour la commande d'actionneurs et le contrôle en boucle fermée

L'utilisation généralisée de l'électronique entraîne un besoin croissant de convertisseurs numérique-analogique (CNA) pour connecter des systèmes numériques au monde analogique afin d'y apporter un nouveau souffle. Les concepteurs connaissent bien les CNA classiques de sortie de tension, mais de nombreuses applications nécessitent l'utilisation de CNA de sortie de courant pour fournir des courants haute résolution stables et précis, de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de milliampères, afin de commander les charges réactives, inductives et résistives à faible impédance.

Même si ces charges peuvent être commandées en tension, il est plus efficace et plus précis d'utiliser une source de courant, ou commande, pour ces transducteurs. Cependant, les CNA de sortie de courant ne constituent pas de simples équivalents exacts pour les CNA de sortie de tension.

Cet article explique brièvement les raisons pour lesquelles les CNA de sortie de courant constituent une excellente solution, souvent obligatoire. Il s'intéresse ensuite à l'utilisation efficace des CNA de sortie de courant grâce à deux circuits intégrés d'Analog Devices : l'AD5770R 14 bits à six canaux et le LTC2662 16/12 bits à cinq canaux.

CNA ou CAN

Les CNA représentent le complément fonctionnel des convertisseurs analogique-numérique (CAN), mais ils présentent des défis très différents. L'objectif des CAN consiste à numériser en continu un signal d'entrée aléatoire inconnu, malgré les bruits externes et internes, et à transmettre les résultats à un processeur compatible. Contrairement au CAN, l'entrée au niveau du CNA est un schéma numérique bien structuré et délimité issu du processeur, sans problème de rapport signal/bruit (SNR), tandis que la sortie du CNA est confrontée au défi de commander des charges externes, ce qui peut s'avérer difficile d'un point de vue électrique.

CNA de sortie de courant ou de sortie de tension

Certains transducteurs et certaines boucles de contrôle nécessitent un courant contrôlé avec précision par un CNA. Ces applications incluent les bobines de haut-parleur, les solénoïdes et les moteurs ; les paramètres liés au contrôle dans les systèmes industriels, scientifiques et optiques en boucle ouverte et fermée ; les éléments chauffants résistifs de base ou les lasers ajustables sophistiqués ; la stimulation par sonde d'équipement de test automatique (ATE) ; le courant de précision pour la charge des batteries ; et les LED avec gradation réglable (Figure 1).

Figure 1 : Un CNA de sortie de courant convient parfaitement aux applications comme les nœuds d'amplificateurs optiques, où il contrôle l'amplificateur optique, le laser ajustable et l'élément chauffant à stabilisation de la température laser, illustrés ici avec le CNA multicanal LTC2662. (Source de l'image : Analog Devices)

Il s'agit souvent de charges magnétiques, inductives et résistives à faible impédance. Bien que ces charges puissent être commandées par une tension, la relation entre la tension et l'effet d'extrémité est complexe et généralement non linéaire. Par conséquent, il est plus efficace et précis d'utiliser une source de courant pour ces types de transducteurs.

En général, les concepteurs connaissent moins bien l'utilisation des CNA de sortie de courant pour produire une sortie bien définie. Une façon de transformer un CNA de sortie de tension classique en un dispositif de sortie de courant consiste à ajouter un amplificateur opérationnel de sortie, configuré en tant que convertisseur tension-courant (V/I) (Figure 2).

Figure 2 : Un amplificateur opérationnel (à gauche) ou un amplificateur opérationnel avec élévation de sortie MOSFET (à droite) peut servir à transformer une source de sortie de tension en une sortie de courant, mais le résultat peut être moins pratique à implémenter ou techniquement moins adapté qu'une conception basée sur un véritable CNA de source de courant. (Source de l'image : Analog Devices)

Cependant, cette méthode nécessite davantage de composants actifs et passifs sur la nomenclature et la carte à circuit imprimé. De plus, l'amplificateur opérationnel doit avoir une bonne capacité de génération/d'absorption de courant. Si ce n'est pas le cas, il faut alors utiliser un élévateur MOSFET. En outre, il est plus difficile d'établir le bilan des erreurs pour la fonction de transfert entrée numérique/sortie de courant sur l'ensemble de la plage de sorties et de températures, car les composants actifs sont plus nombreux et présentent des spécifications indépendantes, tout comme les composants passifs.

Régler les problèmes

Qu'il s'agisse de dispositifs de sortie de courant ou de tension, la plupart des CNA sont souvent initialement définis par leur résolution et leur vitesse de mise à jour. En général, les CNA de sortie de courant ne sont pas utilisés pour le traitement/l'analyse de signaux ni pour la génération de formes d'ondes. En outre, leurs charges typiques changent généralement relativement lentement en raison de leur nature électromécanique ou thermique. Par conséquent, la résolution de ces CNA varie de 12 à 16 bits avec des vitesses de mise à jour de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de kilo-échantillons par seconde (Kéch./s).

Néanmoins, lors de la sélection ou de l'utilisation de CNA de sortie de courant, les utilisateurs doivent connaître et résoudre certains problèmes clés pouvant être absents dans les CNA de sortie de tension :

1. Tension en courant constant et tension de relâchement
2. Résolution et plage d'attaque de courant (et augmentation de celles-ci)
3. Conditions transitoires, notamment réinitialisation à la mise sous tension (POR) et pointes de conversion de sortie
4. Intégrité de sortie et des données du CNA ; précision
5. Dissipation thermique

Examinons ces problèmes de conception plus en détail, dans le contexte de l'AD5770R et du LTC2662.

1. Tension en courant constant et tension de relâchement

En plus des spécifications habituelles du CNA en matière de linéarité et de précision, les CNA de sortie de courant présentent deux paramètres qui ne sont pas présents sur les CNA de sortie de tension : la tension en courant constant et la tension de relâchement.

La tension en courant constant est la tension maximum qu'une source de courant atteint lorsqu'elle tente de produire le courant souhaité — une situation à la fois élémentaire et essentielle. La source de courant peut alimenter la charge tant que la tension au niveau de la charge se trouve dans les limites de conception. Elle ne peut pas commander le courant dans la charge sans appliquer également la tension requise, qui est développée au niveau de la charge. La source ajuste la tension de sortie pour fournir à la charge la quantité de courant souhaitée.

Par exemple, fournir 10 milliampères (mA) à une charge de 1 kilo-ohm (kΩ) nécessite une tension en courant constant d'au moins 10 volts (V). Si cette chute de tension dépasse la tension en courant constant, le CNA ne peut pas générer le courant. Cela revient au même qu'une source de tension qui est incapable de fournir la tension d'alimentation nominale lorsque le courant absorbé par la charge augmente au-delà du courant nominal de l'alimentation.

Imaginons un CNA (ou toute source de courant) commandant une chaîne de 10 LED en série, chacune présentant une chute de 1,5 V, à un courant de 20 mA. Si la source ne peut pas fournir ces 20 mA à 15 VCC (plus une petite marge), elle ne peut pas générer ce courant, même si elle peut facilement le faire à une tension inférieure. Pour les CNA de sortie de courant, une tension en courant constant proche du rail d'alimentation de l'étage de sortie du CNA permet d'optimiser la plage du CNA.

Pourquoi toute cette discussion sur la tension en courant constant ? Malgré sa nature basique (dérivée de V = IR), il s'agit d'un domaine souvent négligé par les ingénieurs novices qui n'ont auparavant utilisé que des sources de tension. Après tout, quand on sait qu'il faut une alimentation 12 V, la première question est la suivante : « pour quel courant ? ». Cependant, la question correspondante concernant les sources de courant (« quelle est la tension en courant constant ?) n'est pas souvent posée.

Cela ne se limite pas au rail d'alimentation du CNA. Par exemple, dans le LTC2662 multicanal, chaque canal a sa propre broche d'alimentation pour pouvoir adapter la tension en courant constant de chaque canal aux besoins de la charge tout en réduisant la dissipation de puissance globale.

Les CNA de sortie de courant ont également une limite de tension de relâchement. Il s'agit de la chute de tension minimum requise au niveau du CNA pour maintenir la régulation de sortie. Ce paramètre est lié au courant de charge : plus la tension de relâchement est basse, plus la plage de fonctionnement du CNA est étendue. Le LTC2662 à cinq canaux dispose de sorties de source de courant haute conformité avec une tension de relâchement garantie de 1 V à 200 mA (Figure 3).

Figure 3 : La tension de relâchement du LTC2662 est inférieure à 1 V sur toute sa plage d'alimentation, ce qui garantit une marge de fonctionnement suffisante pour toutes les valeurs de courant fournies. (Source de l'image : Analog Devices)

2. Résolution et plage d'attaque de courant (et augmentation de celles-ci)

Les CNA de sortie de courant sont disponibles avec des capacités d'attaque de sortie s'étendant jusqu'à plusieurs centaines de milliampères. Notez que les CNA de sortie de courant sont généralement conçus pour générer du courant, et non pour en absorber. Toutefois, si une absorption de courant est requise, il existe des canaux qui le permettent (avec des restrictions supplémentaires à respecter).

Les CNA à plusieurs canaux et plusieurs plages offrent deux attributs : l'addition des sorties pour un courant global plus élevé, ainsi que l'adaptation optimale de la résolution de chaque canal à l'application. La résolution effective est ainsi optimisée plutôt que gaspillée en utilisant seulement une partie de la plage dynamique du CNA. Cela revient à utiliser un amplificateur à gain programmable (PGA) à l'entrée d'un CAN afin que le signal d'entrée soit adapté à la plage d'entrée du CAN. L'utilisation d'une plage de 14 bits et 100 mA avec un CNA de sortie de courant pour une commande de 0 à 25 mA offrirait une résolution effective de 12 bits seulement, gaspillant ainsi 2 bits.

Pour cette raison, l'AD5770R et le LTC2662 offrent des plages différentes pour leurs multiples sorties. Par exemple, l'AD5770R contient cinq canaux de source de courant de 14 bits et un canal source/récepteur de 14 bits (Figure 4).

Figure 4 : L'AD5770R d'Analog Devices est un CNA de sortie de courant à six canaux de 14 bits, avec une référence et une interface SPI intégrées, parmi de nombreuses autres fonctionnalités. (Source de l'image : Analog Devices)

Les canaux sont configurés comme suit :

Canal 0 : 0 mA à 300 mA, -60 mA à +300 mA, -60 mA à 0 mA

Canal 1 : 0 mA à 140 mA, 0 mA à 250 mA

Canal 2 : 0 mA à 55 mA, 0 mA à 150 mA

Canal 3, canal 4, canal 5 : 0 mA à 45 mA, 0 mA à 100 mA

Cette configuration offre divers avantages en termes de commande qui servent plusieurs objectifs :

• Elle offre une solution simple pour augmenter le courant d'attaque maximum
• En utilisant les plages de sortie maximum inférieures, mais avec la même résolution, on obtient des valeurs mA/palier plus précises
• Elle permet de combiner les sorties pour obtenir une résolution grossière/fine

En ce qui concerne le premier point, ces sources de courant peuvent être simplement mises en parallèle. Par exemple, le canal 1 de l'AD5770R (250 mA) et le canal 2 (150 mA) sont additionnés pour fournir une attaque totale de 400 mA (Figure 5). Bien entendu, le concepteur ne peut ignorer certaines mises en garde : la tension en courant constant doit se situer dans la plage spécifiée dans la fiche technique, et la tension de sortie ne doit pas dépasser les valeurs maximum absolues également spécifiées dans la fiche technique.

Figure 5 : Fournir plus de courant avec ces CNA est simple, car leurs sorties peuvent être combinées en parallèle. Ici, une source de 250 mA et une source de 150 mA fournissent jusqu'à 400 mA de courant entièrement et facilement contrôlable. (Source de l'image : Analog Devices)

De même, le LTC2662 à cinq canaux dispose de huit plages de courant, programmables par canal, avec des sorties pleine échelle jusqu'à 300 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 25 mA, 12,5 mA, 6,25 mA et 3,125 mA. Toutes ces sorties peuvent être combinées pour un courant maximum de 1,5 A.

La mise en parallèle des sorties offre également un moyen simple d'améliorer la résolution globale autour d'une valeur de sortie nominale souhaitée en utilisant des réglages grossiers et fins (troisième et dernier point de la liste ci-dessus). En utilisant une sortie à plage étendue en parallèle avec une autre sortie à plage plus réduite, le premier canal fonctionne comme un réglage grossier tandis que le second agit comme un réglage fin, offrant ainsi une résolution au-delà de la valeur nominale de 12/16 bits de chaque canal (cela en utilisant deux des cinq canaux).

3. Conditions transitoires, notamment réinitialisation à la mise sous tension (POR) et pointes de conversion de sortie

Dans de nombreuses applications, la sortie du CNA à la mise sous tension (appelée réinitialisation à la mise sous tension ou POR) est un problème, car le processeur et le logiciel associé ne peuvent pas initialiser le CNA instantanément. Même si le code du processeur fait de l'initialisation du CNA une priorité, le processeur (avec ses multiples rails d'alimentation CC) peut mettre plus de temps à démarrer que le CNA beaucoup plus simple.

Cet écart de démarrage processeur/CNA peut entraîner une sortie inacceptable du CNA, par exemple si le CNA contrôle un élément mobile. Par conséquent, il est important d'avoir un état connu de la réinitialisation à la mise sous tension pour les canaux du CNA. C'est pourquoi les sorties du LTC2662 sont réinitialisées à un état haute impédance à la mise sous tension, rendant l'initialisation du système cohérente et reproductible. L'AD5770R a une broche de réinitialisation (RESET) asynchrone pouvant être commandée par un temporisateur matériel ou un verrouillage de réinitialisation. L'affectation de la broche à l'état logique bas pendant au moins 10 nanosecondes (ns) réinitialise tous les registres à leurs valeurs par défaut.

Les pointes de conversion de transition de sortie peuvent également poser problème. Lorsque les nouveaux bits du nouveau schéma de code chargé dans un CNA présentent des écarts de temporisation, le CNA fournit une sortie fausse pendant la période de transition entre l'ancien réglage et le nouveau réglage. Comme pour la réinitialisation à la mise sous tension, cela peut être inacceptable. Pour éviter ce problème, les données de tampons doubles du LTC2662 et de l'AD5770 sont chargées dans les CNA. Tous les bits de données d'un ou de plusieurs canaux peuvent être écrits dans les registres d'entrée respectifs sans modifier les sorties du CNA. Ensuite, une seule commande « load DAC » (charger le CNA) envoyée au dispositif permet de transférer le contenu des registres d'entrée vers les registres du CNA, mettant ainsi à jour la sortie du CNA sans pointes de conversion.

4. Intégrité de sortie et des données du CNA ; précision

Beaucoup de ces CNA sont utilisés dans des applications avec des éléments mobiles et mécaniques, il peut donc être nécessaire de vérifier les performances du CNA. Il convient d'être attentif au contenu numérique du CNA et à sa valeur de sortie de courant réelle.

Les CNA avancés, comme l'AD5770R et le LTC2662, offrent de multiples solutions au problème d'intégrité : relecture des données, confirmation de l'intégrité des données basée sur le contrôle par redondance cyclique (CRC) interne, et mesure du courant de sortie indirect. Les deux premiers éléments permettent de confirmer les données qui sont envoyées au CNA et qui y sont stockées ; le troisième permet de surveiller le courant produit par le CNA.

La relecture des données de base nécessite une action du processeur et entraîne une certaine charge au niveau du CPU, car le logiciel doit initier la relecture et comparer sa valeur à la valeur d'origine envoyée. Cependant, la fonction CRC intégrée à l'AD5770R n'ajoute aucune charge supplémentaire. L'AD5770R effectue périodiquement une opération CRC en arrière-plan sur les registres de données intégrés afin de garantir que les bits de mémoire ne sont pas corrompus. En cas de détection d'erreur de données, il active un bit d'avertissement dans un registre d'état.

Le meilleur test pour garantir la fiabilité des performances du CNA consiste à mesurer le courant de sortie et la valeur de la tension en courant constant. L'AD5770R et le LTC2662 incluent tous les deux des fonctionnalités de diagnostic permettant à l'utilisateur de surveiller ces paramètres via des tensions multiplexées représentatives de leurs valeurs. L'utilisateur peut sélectionner la tension à transférer vers la sortie du multiplexeur afin qu'elle puisse être mesurée à l'aide d'un CAN externe. Pour l'AD5770R, cette surveillance du courant est précise à plus ou moins 10 % de la plage de sortie pleine échelle, ce qui est suffisant pour détecter les erreurs et les défauts majeurs. Si le concepteur a besoin d'une plus grande précision de surveillance de sortie, il est possible d'étalonner la lecture.

L'exactitude absolue de la sortie du CNA dépend en grande partie des performances de sa référence de tension et de quelques résistances de précision internes. L'AD5770R inclut une référence de 1,25 V avec un coefficient de température (« tempco ») maximum de 15 ppm/°C. La référence de 1,25 V du LTC2662 présente quant à elle une valeur de 10 ppm/°C. Les concepteurs peuvent exploiter les performances des références de précision de ces CNA pour atteindre plus facilement leurs objectifs de précision à l'échelle du système, car les références sont également disponibles pour un usage externe (avec mise en tampon externe supplémentaire).

Les références internes, avec leurs spécifications respectives de 10 et 15 ppm/°C, sont certainement plus que suffisantes dans la plupart des situations. Cependant, compte tenu de la plage de températures de fonctionnement étendue de ces CNA (de -40°C à +105°C pour l'AD5770R et de -40°C à +125°C pour le LTC2662), les excursions de la tension de référence liées à la température peuvent être excessives dans certaines situations.

Les deux CNA offrent une solution en permettant l'utilisation d'une référence externe avec un tampon interne pour cette référence. Si un coefficient de température plus bas est nécessaire, une référence à faible dérive comme celle du LTC6655 (coefficient de température de 2 ppm/°C) peut être envisagée. L'utilisation d'une référence externe aussi performante n'est pas anodine : elle nécessite de prêter une attention particulière à la configuration de la carte, aux contraintes mécaniques, au profil de température de soudage lors de la production et à d'autres points subtils susceptibles de compromettre les performances spécifiées.

5. Dissipation thermique

N'oubliez pas que ces CNA fournissent de la puissance aux charges sous forme de courants contrôlés. Par conséquent, la dissipation et l'auto-échauffement au niveau du circuit intégré sont des problèmes qui doivent être analysés pour veiller à ne pas dépasser la température maximum autorisée de leur puce interne. Dans la plupart des cas, une dissipation thermique via la carte à circuit imprimé est nécessaire, en utilisant les billes de soudure du circuit intégré comme conduits thermiques.

L'analyse thermique commence par l'analyse du courant de crête moyen par canal et de la dissipation associée. Elle continue avec la modélisation du trajet du circuit intégré vers la carte et de la capacité de dissipation thermique de la carte (c'est-à-dire le nombre de couches, la surface de cuivre disponible et les autres composants utilisant la même zone de dissipateur thermique). La fiche technique de l'AD5770R (qui fonctionne à partir d'une seule alimentation de 2,9 V à 5,5 V) propose un calcul d'exemple indiquant la quantité de puissance dissipée à température ambiante lorsque les multiples sorties fournissent les courants spécifiés. Les concepteurs peuvent s'en servir comme guide pour effectuer une analyse initiale de leur situation spécifique.

Pour limiter la dissipation inutile, le LTC2662 fournit une broche d'alimentation distincte pour chaque canal de sortie. Chaque canal peut être alimenté indépendamment à partir d'une source comprise entre 2,85 V et 33 V pour ajuster la dissipation de puissance et la marge de conformité de chaque canal pour une large plage de charges.

Assemblage de l'ensemble

Malgré leur simplicité conceptuelle, les CNA de sortie de courant à plusieurs canaux comme l'AD5770R et le LTC2662 possèdent un grand nombre de registres pour le contrôle des fonctions de base telles que la définition de la plage, le chargement des données, la relecture et les bits d'avertissement. Ils disposent également de nombreuses connexions physiques en plus de celles requises pour leur bus SPI et les sorties CNA.

Une carte d'évaluation comme la DC2629A-A pour le LTC2662 et les logiciels associés peuvent ainsi faire gagner du temps et réduire les frustrations tout en simplifiant l'évaluation des performances du CNA dans des scénarios réels (Figure 6).

Figure 6 : Un circuit de démonstration et une carte d'évaluation comme la DC2629A-A pour le CNA de source de courant LTC2662 simplifient la connectivité et permettent un accès rapide aux nombreuses fonctionnalités des CNA de sortie de courant à plusieurs canaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Conçue pour le LTC2662 16 bits, la carte simplifie les connexions au CNA et l'évaluation de ses fonctionnalités optionnelles, comme l'utilisation d'une référence de tension externe. Le circuit de démonstration se connecte à l'ordinateur de l'utilisateur via un câble USB.

Le logiciel disponible fournit un panneau de configuration d'interface utilisateur graphique permettant de tester le CNA et d'accéder facilement à toutes ses fonctionnalités (Figure 7).

Figure 7 : Un ordinateur connecté par USB avec un logiciel d'évaluation et une interface utilisateur graphique est utile pour configurer et tester les nombreux registres et options du CNA LTC2662, processus qui fait partie intégrante de l'effort de conception. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Bien que les CNA de sortie de courant ne soient pas aussi connus que leurs équivalents de sortie de tension, ils sont indispensables pour de nombreuses charges et applications du monde réel. Ces CNA, en particulier les dispositifs multicanaux à courant de sortie plus élevé comme l'AD5770R et le LTC2662 d'Analog Devices, offrent diverses fonctionnalités et de nombreux paramètres utilisateur qui permettent aux concepteurs d'optimiser leur configuration et leurs performances dans les applications cibles. Les utilisateurs qui ont une bonne compréhension de ces CNA et de leurs caractéristiques peuvent vraiment tirer parti de leurs capacités et de leurs fonctions.