Les amplificateurs de puissance sont dotés d'une série de fonctionnalités avancées de protection des circuits, notamment contre les surtensions, les surintensités et les transitoires de tension. Maintenant que des systèmes informatiques entiers dotés de capacités d'intelligence artificielle peuvent être intégrés dans des systèmes sur puces (SoC) à faible coût, il est possible que les amplificateurs de puissance intègrent également des capacités prédictives pour se protéger non seulement contre les menaces immédiates, mais aussi contre des problèmes potentiels à venir.
Rôle des amplificateurs de puissance
Pour comprendre le rôle des amplificateurs de puissance et pourquoi ils sont essentiels, nous devons d'abord comprendre ce que sont les amplificateurs de puissance. Un amplificateur de puissance est un dispositif électronique qui amplifie un signal électrique pour actionner des charges bien supérieures à ce que le signal amplifié pourrait produire autrement.
Par exemple, une sortie GPIO d'un microcontrôleur ne pourrait jamais être utilisée pour actionner un gros moteur à courant continu, car un tel moteur peut nécessiter des dizaines d'ampères pour démarrer, alors que les GPIO des microcontrôleurs ne fournissent généralement pas plus de 20 mA. À la place, un amplificateur de puissance capable de fournir des dizaines d'ampères pourrait être utilisé pour alimenter le moteur à courant continu tout en étant contrôlé par la sortie GPIO (c'est-à-dire que 20 mA sont amplifiés en dizaines d'ampères).
Alors, où trouve-t-on exactement des amplificateurs de puissance ? Un exemple courant d'amplificateur de puissance est fourni ci-dessus. Les microcontrôleurs doivent souvent contrôler des charges importantes et la meilleure façon consiste à utiliser un amplificateur de puissance.
Les amplificateurs de puissance sont aussi couramment utilisés dans les dispositifs de gestion de la puissance, tels que les chargeurs de batteries. Un circuit intégré de gestion de batterie est chargé de détecter la tension aux bornes d'une batterie, tandis qu'un amplificateur de puissance externe peut être commandé par le circuit intégré de gestion de la puissance pour charger la batterie avec un courant spécifique.
Les systèmes industriels sont une autre application courante des amplificateurs de puissance. Tout moteur à courant continu utilisé dans un environnement industriel nécessite un pilote de moteur dédié, car l'alimentation est presque toujours en courant alternatif triphasé, et ces pilotes ont besoin d'amplificateurs de puissance capables de redresser et de moduler la puissance (par modulation de largeur d'impulsion (PWM)) alimentant ces moteurs.
Les systèmes de radiofréquence (RF) sont également dépendants des amplificateurs de puissance. La génération de signaux radio complexes destinés à être utilisés dans des réseaux cellulaires, RADAR et à commande de phase nécessite des processeurs de signaux numériques haut de gamme, mais ceux-ci sont similaires aux GPIO en ce sens qu'ils ne peuvent pas fournir une forte intensité. Au lieu de cela, des amplificateurs RF spéciaux peuvent amplifier la sortie de ces processeurs et la convertir en énergie RF au niveau d'une antenne pour une transmission à longue distance.
Quelles méthodes courantes de protection des circuits sont-elles utilisées dans les amplificateurs de puissance ?
Les grandes variations d'intensité et de tension présentes dans les circuits à forte puissance peuvent être préjudiciables aux dispositifs à semi-conducteurs, notamment aux amplificateurs et aux processeurs. Il est donc courant de voir des amplificateurs de puissance intégrant diverses méthodes pour se protéger contre un comportement inattendu du circuit, mais aussi pour protéger les circuits externes (tels que les microcontrôleurs et les processeurs de signaux numériques).
Les courants nominaux maximaux des amplificateurs de puissance ont pour fonction de prévenir des dommages thermiques dus à de hautes intensités (les hautes intensités peuvent endommager le semi-conducteur à l'échelle atomique, mais c'est la hausse de température qui cause généralement le plus de dommages). Les amplificateurs de puissance intègrent donc souvent des circuits de protection contre les surintensités pour éviter de grands pics d'appel de courant.
Les circuits de protection contre les surtensions (également connus sous le nom de protection contre les transitoires) protègent les composants sensibles d'un amplificateur de puissance. Ils empêchent également la rupture totale d'une jonction semi-conductrice. Par exemple, les amplificateurs de puissance à MOSFET présentent une grille mince qui peut être facilement endommagée par de hautes tensions. Les tensions sont donc généralement bloquées par une diode Zener.
Les systèmes de protection par arrêt thermique empêchent les amplificateurs de puissance de surchauffer, ce qui est extrêmement important dans les applications à haute intensité. Certains semi-conducteurs peuvent souffrir d'un effet d'emballement thermique où l'augmentation de la température entraîne une augmentation de la conduction qui, à son tour, provoque une nouvelle hausse de la température. Les semi-conducteurs qui deviennent trop chauds peuvent rapidement se détériorer et entraîner une dégradation des performances.
La protection contre les tensions inverses est un système de protection qui empêche des tensions négatives importantes d'endommager les composants semi-conducteurs sensibles. De tels circuits de protection impliquent souvent l'utilisation d'une diode en mode de polarisation inverse afin qu'elle conduise le courant en présence de tensions négatives, bloquant ainsi la valeur. On les trouve souvent dans les MOSFET sous la forme d'une diode de corps et ils sont essentiels dans les amplificateurs de puissance pilotant des charges inductives (comme les moteurs) qui peuvent générer d'importantes forces contre-électromotrices.
À quels défis ces méthodes de protection sont-elles confrontées ?
Si les méthodes de protection susmentionnées fonctionnent, elles ne sont pas sans poser de problèmes. Le plus gros problème lié à ces circuits de protection est qu'ils sont réactifs et répondent donc à un problème. Par exemple, le circuit d'arrêt thermique s'enclenche quand la température de l'amplificateur atteint un seuil donné, et les circuits de surtension s'activent si la tension aux bornes de l'amplificateur est trop élevée.
Ceci pose problème car, même si les systèmes de protection sont conçus pour éviter les dommages, ils sont faillibles. Un appareil risque donc d'être endommagé dans le cadre d'un scénario de protection quelconque. Par exemple, des arrêts thermiques fréquents risquent de dégrader l'appareil au fil du temps et d'introduire des risques d'incendie.
Une protection supplémentaire peut être obtenue en utilisant une surveillance active à partir d'un microcontrôleur via des broches d'alerte. Par exemple, un amplificateur de puissance peut être doté d'une broche d'alerte de sortie qui change d'état en cas de surtension, permettant ainsi au microcontrôleur de déconnecter l'alimentation afin d'éviter d'autres dommages. Toutefois, cette situation nécessite encore l'implication du circuit de protection, ce qui expose l'amplificateur de puissance à des risques.
Comment l'intelligence artificielle favorise-t-elle la création d'amplificateurs de puissance intelligents ?
Au lieu de créer des systèmes de protection réactifs, imaginez qu'un système de protection puisse prédire les problèmes avant qu'ils se produisent ? Un tel amplificateur serait non seulement capable de se protéger bien à l'avance, mais il pourrait également signaler aux processeurs connectés qu'un problème est sur le point de se produire, et ainsi permettre à ces appareils de prendre également des décisions. En conditions de panne, cet amplificateur de puissance ne se serait pas laissé amener dans les zones de fonctionnement dangereux, réduisant ainsi le degré des dégradations subies. Comment construire un tel amplificateur ?
Depuis leurs premiers balbutiements, les algorithmes d'intelligence artificielle sont rapidement passés du statut d'expériences scientifiques intéressantes à celui de systèmes pleinement fonctionnels capables d'accomplir des tâches extrêmement complexes. Non seulement les algorithmes d'IA peuvent prédire de manière fiable le comportement de systèmes complexes, mais ils peuvent aussi apprendre à reconnaître des comportements anormaux.
Par exemple, une IA connectée à un appareil de mesure de puissance serait capable de reconnaître un fonctionnement nominal après avoir appris à quoi le comportement nominal est censé ressembler. Toutefois, même des changements progressifs d'intensité ou de tension pourraient être détectés comme un comportement inhabituel, même si les valeurs se situent dans la plage prévue, et cela pourrait alors permettre de déterminer si quelque chose a changé (peut-être la surchauffe d'un composant, la connexion d'un appareil non prévu, une erreur logicielle, etc.).
Avec cette capacité prédictive, l'IA est intégrée à de nombreux capteurs et machines industriels, car elle peut informer les exploitants d'usines qu'un équipement commence à se comporter de manière anormale. Il peut s'agir d'une intensification des vibrations, de l'augmentation de l'appel de courant ou de la hausse des températures de fonctionnement, autant d'éléments qui peuvent suggérer la nécessité d'une intervention. Toutefois, la maintenance prédictive permet également aux exploitants d'usines de planifier des interventions futures qui coïncideront avec d'autres travaux de maintenance pour réduire les temps d'arrêt de l'usine (par exemple, réparer plusieurs machines en même temps au lieu de réparer chaque machine individuellement après l'apparition de pannes).
Comme des systèmes informatiques complets peuvent être intégrés dans de petits systèmes sur puces dotés de capacités d'intelligence artificielle, les amplificateurs de puissance peuvent être équipés de systèmes de protection à circuits prédictifs. Une telle IA surveillerait tous les aspects de l'amplificateur de puissance, notamment la consommation de courant, la tension à chaque borne et la température de jonction. À partir de là, le fonctionnement nominal peut être déterminé soit par apprentissage machine incorporé (sur puce), soit par un programmeur externe.
Si une activité inhabituelle est détectée par l'IA, l'amplificateur de puissance peut effectuer une multitude de tâches pour déterminer la meilleure marche à suivre. La première tâche peut être de signaler au contrôleur principal l'existence d'un problème potentiel. Si le comportement anormal se poursuit, l'amplificateur pourrait prendre les choses en main et activer les systèmes de protection des circuits pour mettre hors tension l'amplificateur ou réduire la consommation de courant.
En outre, l'IA incorporée (sur puce) pourrait également utiliser les données des capteurs pour déterminer l'état de santé de l'appareil. Si elle détermine que les performances de l'amplificateur de puissance se dégradent, elle peut signaler au contrôleur principal la nécessité de remplacer l'amplificateur.
Toutefois, un amplificateur de puissance avec IA pourrait intégrer plus que la seule protection des circuits et pourrait servir à maximiser le rendement d'un appareil. En particulier pour les amplificateurs à découpage, le rendement de l'amplificateur dépend fortement de la tension de commutation, des temps de montée et de descente et de la chute de tension aux bornes de l'amplificateur. Une IA incorporée pourrait surveiller le rendement de l'appareil et apporter des corrections aux circuits de commande internes afin de maximiser le rendement de l'amplificateur pour toutes les tensions d'entrée et de sortie.
Enfin, l'IA incorporée dans un amplificateur de puissance a même le potentiel d'observer les logiciels malveillants. Comme indiqué précédemment, l'intelligence artificielle est très douée pour détecter les comportements anormaux, et il s'avère que le courant consommé par un processeur dépend souvent des tâches en cours d'exécution. Ainsi, un processeur infecté par un logiciel malveillant présente probablement des changements dans sa consommation de courant, ce que pourrait détecter l'IA d'un amplificateur de puissance pour ensuite envoyer un signal au contrôleur principal afin de l'avertir d'une infection potentielle.
De tels amplificateurs existent-ils déjà ?
Malheureusement, aucun amplificateur de ce type n'existe actuellement, et ce pour de nombreuses raisons. Tout d'abord, l'intégration d'un système sur puce (SoC) dans un amplificateur serait coûteuse, car les semi-conducteurs utilisés pour les amplificateurs de puissance peuvent ne pas convenir aux SoC. Ainsi, un SoC devrait être une puce secondaire intégrée à côté de l'amplificateur de puissance avec des fils de liaison entre les deux.
Deuxièmement, les systèmes d'IA ont encore une grande marge d'amélioration, et essayer d'intégrer une IA dans un amplificateur de puissance peut nécessiter plusieurs années de développement supplémentaires. Troisièmement, les amplificateurs de puissance ont connu des décennies de développement et les circuits de protection offerts par ces appareils sont plus que suffisants pour la plupart des applications.
Cela ne veut pas dire non plus qu'aucune recherche n'est menée dans ce domaine. Une simple recherche sur Google des termes « intelligence artificielle » et « amplificateur de puissance » fournit des résultats intéressants sur l'utilisation de l'IA dans les amplificateurs de puissance. L'un des résultats qui revient fréquemment concerne les amplificateurs de puissance cellulaires et la manière d'utiliser l'IA pour améliorer le rendement (ce qui sera essentiel pour élargir la bande passante et réduire l'énergie utilisée).
Conclusion
L'intelligence artificielle est un outil incroyablement puissant qui favorise des capacités de maintenance prédictive ainsi que la détection d'anomalies. Étant donné que des capteurs individuels intègrent maintenant des capacités prédictives, il est entendu que les amplificateurs de puissance sont mûrs pour l'intégration de l'IA. Un amplificateur de puissance avec IA serait capable de prendre des décisions en fonction de son état actuel, mais pourrait également aider à décharger le contrôleur central des tâches de prédiction d'énergie.
De plus, une IA intégrée dans un amplificateur de puissance pourrait ajuster ses propres caractéristiques de performance pour maximiser le rendement, facteur d'une importance croissante face à l'augmentation des coûts de l'énergie et à la transition qui en découle vers des ressources énergétiques renouvelables.