La technologie AEE maintient le haut rendement des convertisseurs abaisseurs à basses tensions de sortie

Traditionnellement, dans les convertisseurs CC/CC abaisseurs, comme la tension de sortie est configurée pour des valeurs plus faibles, le rendement de conversion de puissance de ce convertisseur diminue. Prenons l'exemple d'un convertisseur CC/CC abaisseur à entrée de 12 V vers sortie de 3,3 V, pouvant offrir un rendement de plus de 90 % à pleine charge. Ce même convertisseur, configuré pour une tension de sortie de 1,8 V, avec des caractéristiques d'entrée similaires peut fournir un rendement inférieur à 84% à pleine charge. Les performances continuent de se détériorer à mesure que la tension de sortie est configurée sur des valeurs plus basses pour les mêmes paramètres d'entrée. Il en résulte une dissipation de puissance supérieure dans le boîtier à cause des pertes plus élevées, favorisant la hausse des températures en raison de la chaleur générée par le puissance dissipée. Cela n'est pas désirable, particulièrement dans les produits alimentés par batteries, tels que les ordinateurs portables, les tablettes et les disques SSD, dans lesquels de plus hautes températures de fonctionnement peuvent interférer avec les performances du produit.

Pour résoudre ce problème, les ingénieurs de Texas Instruments ont développé une nouvelle méthode de conversion de puissance appelée AEE, Automatic-Efficiency Enhancement. Cette technique propriétaire permet au convertisseur CC/CC abaisseur de maintenir un haut rendement, même si la tension de sortie est configurée pour des valeurs inférieures. En d'autres termes, le rendement de conversion de puissance reste élevé quelle que soit la tension de sortie configurée.

Rendement décroissant

Toutefois, avant d'aborder la technique AEE, voyons ce qui cause cette baisse. Dans l'article relatif à la méthode AEE qui dynamise le rendement pour les convertisseurs abaisseurs à faible tension de sortie¹, Chris Glaser, ingénieur d'applications chez TI, explique cette baisse de rendement. Selon lui, la baisse de rendement dans les convertisseurs abaisseurs pour les tensions de sortie configurées sur des valeurs inférieures est directement liée à la puissance de sortie réduite sans réduction correspondante de la perte de puissance.

Typiquement, dans une alimentation à découpage, les pertes sont des pertes de commutation et de conduction. Il est bien connu que les pertes de commutation dépendent de la tension d'entrée, du courant de sortie et de la fréquence de commutation, tandis que les pertes de conduction sont déterminées par le courant de sortie et la résistance à l'état passant des MOSFET. En conséquence, la tension de sortie n'est pas un contributeur de la perte globale du convertisseur, mais la puissance de sortie, qui est le produit de la tension de sortie et du courant de sortie, chute en même temps que la tension de sortie pour la même tension d'entrée. Donc avec la même perte de puissance, le rendement va forcément baisser à mesure que le convertisseur est configuré pour des tensions de sortie plus basses car rendement = (puissance de sortie)/(puissance de sortie + pertes).

Maintenant, selon l'article de TI, les pertes de commutation peuvent être diminuées en réduisant la fréquence de commutation lorsque le convertisseur est configuré sur des tensions de sortie inférieures pour améliorer le rendement. Toutefois, cela implique la reconception du filtre de sortie et du circuit de compensation de boucle. « Cela requiert plus d'efforts et de temps de conception, et probablement différents composants pour les différents circuits de tension de sortie dans le système, ce qui risque d'augmenter la nomenclature (BOM) », estime Chris Glaser.

Adaptation dynamique de la fréquence de commutation

Le dilemme de fréquence de commutation est résolu avec AEE. Selon TI, la méthode AEE ajuste automatiquement la fréquence de commutation pour améliorer le rendement de conversion sans gêner le filtre de sortie ni le circuit de compensation de boucle. En fonction des tensions d'entrée et de sortie, la fréquence de commutation est automatiquement ajustée pour améliorer le rendement tout en maintenant la stabilité de la boucle de commande et le filtre de sortie, comme l'explique Chris Glaser.

En résumé, pour maintenir un haut rendement sur la plage de rapports cycliques complète (V_OUT/V_IN), AEE s'assure que la fréquence de commutation est ajustée tout en maintenant le courant ondulé d'inductance à une faible valeur. La référence 1 donne la relation entre le courant ondulé d'inductance (ΔI_L), la fréquence de commutation (F_SW) et le rapport cyclique (D = V_OUT/V_IN) comme suit :

Par conséquent, selon l'équation 1, on voit que la méthode AEE garantit que la variation de courant ondulé d'inductance est minimale pour la tension de sortie variable à une tension d'entrée donnée. Cela est réalisé en diminuant la fréquence de commutation à mesure que la tension de sortie est configurée à des valeurs plus basses.

Les convertisseurs abaisseurs à deux phases TPS62180/TPS62182 de TI intègrent la technique AEE pour fournir un haut rendement sur une plage de sorties ajustables de 0,9 V à 6 V à un courant de sortie jusqu'à 6 A et avec une plage de tensions d'entrée s'étendant de 4 V à 15 V. La Figure 1 montre le schéma fonctionnel du TPS62180 avec AEE et tension de sortie ajustable. Contrairement au TPS62180, le TPS62182 est un convertisseur abaisseur à sortie fixe avec AEE et tension de sortie fixe de 3,3 V.

Figure 1 : Le TPS62180 intègre la méthode AEE pour maintenir le haut rendement du convertisseur CC/CC abaisseur lorsque de plus basses tensions de sortie sont configurées (avec l'autorisation de Texas Instruments).

Pour illustrer le fonctionnement AEE, TI fournit des résultats mesurés en utilisant le TPS62180. La Figure 2, par exemple, démontre l'ajustement de la fréquence de commutation du TPS62180 à mesure que la configuration de tension de sortie passe de 3,3 V à 0,9 V pour une tension d'entrée donnée. De même, la fréquence de commutation change également avec la tension d'entrée variable.

Figure 2 : Pour maintenir un haut rendement, le convertisseur CC/CC abaisseur à deux phases TPS62180 emploie la méthode AEE pour adapter la fréquence de commutation en fonction des tensions d'entrée et de sortie (avec l'autorisation de Texas Instruments).

De même, pour démontrer l'impact AEE sur les performances de rendement du TPS62180, le fournisseur a également mesuré le rendement pour différentes tensions de sortie avec une tension d'entrée variable. Les performances de rendement mesurées par rapport à la tension d'entrée pour deux tensions de sortie différentes (3,3 V et 1,8 V) sont illustrées dans les Figures 3 et 4. En étudiant les illustrations, on observe qu'avec AEE, le rendement à faible sortie de 1,8 V est d'environ 88 % à pleine charge avec entrée de 12 V. Avec la même entrée et une sortie de 3,3 V, le rendement atteint environ 92 %, ce qui montre que l'écart de rendement entre les deux sorties est bien plus étroit avec AEE. Sans AEE, cet écart aurait été beaucoup plus important, selon TI.

Figure 3 : Rendement par rapport à la tension d'entrée pour le convertisseur CC/CC abaisseur à deux phases TPS62180 avec AEE. La tension de sortie pour le convertisseur est de 3,3 V (avec l'autorisation de Texas Instruments)

Figure 4 : Rendement par rapport à la tension d'entrée pour le convertisseur CC/CC abaisseur à deux phases TPS62180 avec AEE. La tension de sortie pour le convertisseur est de 1,8 V.

En résumé, la méthode AEE permet aux convertisseurs abaisseurs tels que le TPS62180 de fournir un rendement de conversion de puissance plus élevé lorsque des tensions de sortie plus basses sont configurées pour un convertisseur donné par rapport aux topologies à fréquence fixe.

Pour plus d'informations sur les produits abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages produits du site Web de DigiKey.

Références

1. “AEE Boosts Efficiency for Lower-Output-Voltage Step-Down Converters” par Chris Glaser, ingénieur d'applications, Texas Instruments Inc.