Erreurs fréquentes à éviter lors de l'utilisation de modules régulateurs CC/CC de courant milieu de gamme

Les concepteurs recherchent depuis toujours des composants prêts à l'emploi pour fournir des rails de sortie CC basse tension dans la gamme de courant modéré de 1 A à 10 A, répondant aux objectifs de performances de base et aux exigences en matière de réglementations et de rendement. Tandis que certains fournisseurs proposent désormais de nombreux convertisseurs/régulateurs CC/CC miniatures et adaptés pour répondre à ce besoin, il n'est pas prudent de supposer qu'il s'agit simplement de composants « prêts à l'emploi » que l'on peut oublier.

Pourquoi ? Malgré leur simplicité apparente, ces régulateurs restent des sources d'alimentation fournissant des niveaux modérés de courant aux charges. Étant donné qu'il s'agit de modules, tous les concepteurs doivent ajouter quelques composants passifs externes non critiques. Cependant, cette facilité d'utilisation peut inciter les concepteurs à la complaisance, et les amener à ignorer les bases qui affectent toutes les sources d'alimentation et leurs rails.

Cet article a pour but d'identifier et d'aborder ces notions de base essentielles. Il présente également une sélection de solutions d'alimentation modulaires et montre comment appliquer ces principes de base pour tirer le meilleur parti de chaque solution.

Identifier les « pièges » de la conception d'alimentation

Tout d'abord, quelques bonnes nouvelles. Le rendement de fonctionnement de ces dispositifs est relativement élevé, généralement entre 80 % et 95 %, en fonction du modèle et du point de fonctionnement spécifiques. Bien que les courants de sortie soient modestes, les concepteurs doivent quand même effectuer des analyses thermiques et de dissipation de base pour s'assurer que les dispositifs restent dans les limites de température et n'augmentent pas trop la charge de refroidissement du système.

Les principaux domaines de préoccupation se divisent en cinq catégories : 1) chute de tension ohmique, 2) isolement, 3) ajustabilité de sortie, 4) bruit de commutation et 5) trajets de retour à faible impédance. Dans un premier temps, avant même de choisir un régulateur CC/CC spécifique, un concepteur doit vérifier que la source CC non régulée peut fournir suffisamment de courant, tout en tenant compte du fait que d'autres unités CC/CC peuvent également dépendre de cette source. Assurez-vous également que les performances dynamiques de la source sont suffisantes pour gérer les demandes de charge transitoire de courant plus élevée, en particulier parce que ces régulateurs ne sont pas munis de grands condensateurs de sortie.

Chute de tension ohmique

Les concepteurs doivent souvent faire face à des exigences de configuration de carte à circuit imprimé différentes et contradictoires pour localiser les composants, les ports E/S et les sources de chaleur possibles. Le régulateur de puissance peut s'avérer être un dispositif compliqué à cet égard. Idéalement, il devrait être placé près de la charge pour minimiser la chute de tension ohmique, la captation des parasites et le besoin de pistes de circuit imprimé plus grandes et plus encombrantes pour le flux de courant.

La chute de tension ohmique est le point le plus facilement négligeable, et pourtant le plus facilement calculable. Même quelques milliohms de résistance entre la sortie du régulateur CC/CC et la ou les charges associées peuvent entraîner une chute de dix millivolts ou plus au niveau du courant fourni par ces unités. Bien que cela puisse paraître peu, l'impact de cette chute peut être considérable lorsque le rail CC nominal s'élève à quelques volts seulement.

Par conséquent, il est indispensable de dimensionner de manière appropriée les pistes de la carte à circuit imprimé, voire de les monter sur une carte à circuit imprimé distincte. On peut alors envisager les barres bus fines. Les barres bus peuvent apparaître comme une solution archaïque, mais elles sont très efficaces pour deux raisons. Premièrement, elles réduisent considérablement la chute de tension ohmique. Deuxièmement, pour un coût supplémentaire minime de nomenclature, il est possible d'utiliser une barre bus à double couche, ce qui permet d'avoir un trajet de retour à la terre à courant CC supérieur.

Cette opération est aussi importante que le rail CC haut potentiel lui-même pour minimiser la chute de tension ohmique, établir une meilleure masse système à résistance inférieure, et réduire les parasites et l'impédance non CC dans la structure de la masse, ce qui peut affecter les performances à plus haute fréquence. Évidemment, quels que soient le rail CC physique et la masse, il est important d'avoir des condensateurs de découplage à faible impédance et faible valeur situés aussi près que possible des broches ou des fils d'alimentation en tension du circuit intégré, ce qui permet également de réduire les problèmes liés au bruit au niveau du rail d'alimentation.

Dans certains cas, la chute de tension ohmique reste inacceptable. Un régulateur spécialisé avec détection à distance peut alors être utile. Ici, le régulateur est muni des deux bornes traditionnelles pour l'alimentation en courant et le retour, mais également de deux bornes de détection qui s'étendent jusqu'à la charge pour mesurer la tension réelle au niveau de cette charge. Le régulateur utilise cette valeur détectée comme retour pour ajuster sa tension de sortie afin de compenser la chute de tension (Figure 1).

Figure 1 : La détection à distance permet à la source CC de mesurer directement la tension réelle du rail au niveau de la charge et de compenser de manière dynamique toute chute de tension ohmique ou d'autres variations, au besoin. (Source de l'image : Analog Devices)

Par exemple, le système µModule^® LTM4601 de Linear Technology Corp/Analog Devices permet de générer un courant substantiel pouvant atteindre 12 A entre 0,6 et 5,0 V à partir d'une entrée CC de 4,5 à 20 V. Avec ces courants plus élevés, la perte de tension ohmique peut compromettre les performances du système et entraîner un comportement irrégulier. Grâce à la détection à distance, le module peut corriger les pertes de tension et la chute de tension ohmique du circuit imprimé entre V_OUT et V_LOAD, ainsi que le trajet de retour à la masse. En conséquence, le LTM4601 garantit une précision de tension de ±2,0 % ou plus au niveau de la charge, malgré les variations de ligne, de charge et de température.

Notez cependant que la détection à distance n'est pas un remède miracle. En effet, elle génère une boucle de rétroaction importante entre la source et la charge. Si vous considérez un régulateur de puissance comme un type d'amplificateur opérationnel de puissance, ce qui est le cas, cette boucle de rétroaction expose la source au bruit et aux interférences électromagnétiques/perturbations radioélectriques, ce qui peut affecter les performances en boucle fermée. Il est même possible que la présence de cette boucle entraîne une instabilité et une oscillation du régulateur. Par conséquent, la détection à distance doit être mise en œuvre en portant une attention particulière à la configuration.

Une autre approche pour réduire les effets de la chute de tension ohmique consiste à utiliser plusieurs régulateurs plus petits, placés à proximité de leurs charges respectives, plutôt qu'une seule unité plus grande située à un seul emplacement centralisé. Il en résulte un compromis classique concernant les « coûts » tangibles : utiliser deux unités (ou plus) plus petites et moins coûteuses, ou utiliser une seule unité plus grande et plus coûteuse. Bien que cette différence de coût de nomenclature soit quantifiable, l'impact technique du choix d'un dispositif plus volumineux par rapport à plusieurs dispositifs plus petits est plus difficile à évaluer et nécessite une analyse, du jugement et de l'expérience.

Par exemple, le module d'alimentation LMZM33602 de Texas Instruments combine un convertisseur abaisseur avec des MOSFET de puissance, une inductance blindée et des composants passifs, le tout dans un boîtier relativement compact et plat pouvant fournir entre 1 et 18 V jusqu'à 2 A (Figure 1). Il ne nécessite que quatre ou cinq composants passifs externes non critiques et élimine les aspects de magnétique et de compensation de boucle de la conception du régulateur.

Figure 2 : L'utilisation de plusieurs régulateurs plus petits et à plus faible courant, comme le LMZM33602 de Texas Instruments, peut augmenter la nomenclature, mais peut également simplifier la configuration et améliorer les performances en termes de bruit et de chute de tension ohmique. (Source de l'image : Texas Instruments)

Mesurant seulement 9 mm × 7 mm × 4 mm dans un boîtier QFN, le LMZM33602 peut facilement être placé à proximité du composant de charge ou du sous-circuit. Cela permet de réduire la chute de tension ohmique de deux manières.

Tout d'abord, le régulateur est proche de la charge, ce qui réduit la résistance du rail et la captation des parasites. Ensuite, le courant de sortie n'est que de quelques ampères, ce qui réduit également la chute de tension ohmique. Par conséquent, le déploiement de quelques unités de ce genre peut offrir davantage de flexibilité en termes de configuration, une réduction de la chute de tension ohmique, une réduction de la captation des parasites, une dissipation thermique plus distribuée et d'autres avantages au niveau système par rapport à une seule unité plus grande de 10 A.

Isolement : parfois optionnel, souvent requis

L'isolement galvanique, c'est-à-dire l'absence de trajet ohmique entre deux parties d'un circuit, peut être bénéfique ou indispensable. Cela peut s'avérer utile d'éliminer les boucles de masse du système, car il peut être nécessaire d'interfacer avec un transducteur « flottant » (non mis à la terre), ou obligatoire d'assurer la sécurité entre des circuits à plus haute tension et un utilisateur d'instruments médicaux. Pour de nombreux concepteurs, cet isolement est inconnu ou quelque peu mystérieux quant à sa nécessité ou à sa vertu.

Indépendamment de la logique, la réalité souvent négligée est qu'un sous-circuit isolé nécessite également une alimentation isolée, généralement à des niveaux de courant relativement faibles. Dans le passé, ce besoin d'alimentation isolée, même à de faibles courants, exigeait une empreinte importante, et les coûts de nomenclature étaient souvent disproportionnés par rapport à ceux des autres fonctions. Le fait de passer par le développement plutôt que par l'achat constituait souvent une option non viable, car une conception isolée n'est pas anodine en termes de conception ou d'assemblage. De plus, pour de nombreuses applications, la conception isolée et l'implémentation physique doivent être testées et certifiées pour répondre aux normes industrielles et réglementaires, ce qui implique un processus coûteux et complexe.

Cependant, il est possible de résoudre le problème en grande partie grâce à la disponibilité de modules CC/CC isolés, à la fois très compacts et entièrement conformes et approuvés, comme le LTM8047 d'Analog Devices (Figure 3). Utilisant une topologie isolée indirecte, il fournit un isolement de 725 V_CC.

Figure 3 : Les avancées réalisées dans les composants, la topologie et le conditionnement permettent au module régulateur LTM8047 d'Analog Devices d'offrir un isolement galvanique pour répondre à toutes les normes réglementaires en vigueur en matière de tension nominale, même s'il apparaît à l'utilisateur comme un dispositif traditionnel non isolé. (Source de l'image : Analog Devices)

Le boîtier BGA miniature de 11,25 mm × 9 mm × 4,92 mm inclut le contrôleur de commutation, les commutateurs de puissance et tous les composants de support, ainsi que l'élément central d'un transformateur d'isolement (Figure 4). Il peut fournir des sorties de 2,5 V à 12 V à partir d'une vaste plage de tensions d'entrée de 3,1 V à 32 V (toujours en mode abaisseur). Bien que la quantité de courant qu'il peut fournir soit modeste (440 mA à 2,5 VCC), cela est largement suffisant pour alimenter de nombreux sous-circuits isolés et des circuits d'entrée de transducteurs.

Figure 4 : En raison des lois de la physique et des exigences réglementaires associées, l'isolement nécessite un écart physique entre les entrées et les sorties. La taille du LTM8047 d'Analog Devices prend en charge l'isolement à 750 V, ce qui est suffisant pour de nombreuses applications. (Source de l'image : Analog Devices)

Ajustabilité : utile, mais à ne pas prendre à la légère

Ces régulateurs CC/CC facilement disponibles délivrent rarement une tension prédéfinie fixe. Au contraire, l'utilisateur peut définir la tension à l'aide de deux résistances dans une configuration de diviseur de tension. Cela offre plusieurs avantages : le même régulateur peut être utilisé à de nombreux emplacements, ce qui simplifie la nomenclature ; la tension de sortie peut être ajustée à la hausse de quelques mV pour compenser la chute de tension ohmique (pratique déconseillée dans de nombreux cas, mais souvent utilisée) ; la tension de sortie peut être ajustée à la hausse pour les réglages souhaités dans les circuits analogiques, en particulier RF, où il existe un compromis performances/dissipation spécifié (une tension plus élevée donne un meilleur rapport signal/bruit et une bande passante plus large, mais au prix d'une dissipation accrue).

Toutefois, les utilisateurs doivent accepter de prendre en compte la stabilité et le coefficient de température (tempco) des résistances de réglage de la tension, ainsi que l'environnement thermique, dans tout calcul de la tension de sortie CC nominale du régulateur. Il est possible qu'à des températures plus élevées, le rail CC ne soit plus conforme aux spécifications pour la charge. Par conséquent, il peut être judicieux ou nécessaire de sélectionner des résistances de réglage de la tension à faible coefficient de température pour cette fonction, plutôt que des dispositifs à usage général qui peuvent convenir à d'autres fonctions non critiques.

Un autre paramètre offert par certains régulateurs CC/CC est le choix de la fréquence de commutation (tous ces régulateurs utilisent une topologie de commutation ; aucun n'est un régulateur à faible chute de tension, LDO, pour des raisons de rendement et de taille). Par exemple, le MAX17536 de Maxim Integrated peut être réglé via une seule résistance pour fonctionner n'importe où dans la plage étendue de 100 KHz à 2,2 MHz (Figure 5). Cela permet de le régler pour éviter l'impact de son bruit de commutation sur les circuits à proximité présentant des fréquences qui se chevauchent, par exemple la bande radio AM de 550 à 1 600 kHz, ou pour éviter une bande étroite spécifique contenant un signal d'intérêt.

Figure 5 : Une seule résistance établit la fréquence de commutation du régulateur MAX17536 de Maxim dans une large bande de 100 kHz à 2,2 MHz, offrant ainsi la flexibilité nécessaire pour réduire les interférences de circuit ou de signal. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Notez que la relation entre la résistance et la fréquence de commutation est non linéaire et quelque peu imprécise. Pour cette raison et pour d'autres, le MAX17536 peut être configuré pour se synchroniser à une source externe plutôt que de fonctionner à une fréquence définie par sa résistance. Cela permet également d'éviter un mélange de fréquences non désiré avec d'autres sources d'horloge dans le système, et les fréquences de battement résultantes qui peuvent provoquer des problèmes subtils et difficiles à diagnostiquer.

Conclusion

Ces convertisseurs CC/CC miniatures complets éliminent une grande partie des risques et des problèmes qui surviennent lors de la conception de sources de courant modéré, basse tension qui fournissent entre 1 A (ou moins) et 10 A. Cependant, comme pour tout composant, il existe certaines règles de base qui doivent être prises en compte et respectées pour réussir une installation, exploiter le plein potentiel de ces convertisseurs et éviter tous les pièges.