Résoudre les problèmes de bruit CC/CC, de rendement et de configuration avec des modules de puissance intégrés

Il ne semble pas difficile de construire un régulateur CC/CC abaisseur (dévolteur) de base pour de faibles tensions de 10 volts (V) (typiques) ou moins et des niveaux de courant modestes d'environ 2 ampères (A) à 15 A. Le concepteur doit simplement sélectionner un circuit intégré de régulateur à découpage approprié et ajouter quelques composants passifs en utilisant le circuit d'exemple de la fiche technique ou de la note d'application. Mais la conception est-elle vraiment terminée et prête pour la phase pilote, voire pour la production ? Probablement pas.

Bien que le régulateur fournisse le rail CC souhaité, il présente encore plusieurs problèmes potentiels. Tout d'abord, le rendement peut ne pas répondre aux objectifs du projet ou aux exigences réglementaires, ajoutant ainsi à l'impact thermique et entraînant une durée de vie plus courte des batteries. Ensuite, des composants supplémentaires peuvent être requis pour garantir un démarrage correct, des performances transitoires et une faible ondulation, ce qui, à son tour, a une incidence sur la taille, le délai de commercialisation et la nomenclature (BOM) globale. Enfin, et c'est peut-être là le plus grand défi, la conception peut ne pas respecter les limites de plus en plus strictes en matière d'interférences électromagnétiques (EMI) ou de perturbations radioélectriques (RFI) telles qu'elles sont définies par les différents mandats réglementaires, ce qui nécessite un retravail ou l'ajout de composants et de tests supplémentaires.

Cet article décrit l'écart entre les attentes et les performances entre la conception d'un régulateur CC/CC de base et une conception supérieure qui répond ou dépasse les exigences en matière de rendement, de faible bruit rayonné et d'ondulation, et d'intégration globale. L'article présente ensuite les µModules Silent Switcher d'Analog Devices et montre comment les utiliser pour résoudre plusieurs problèmes de régulateur abaisseur CC/CC.

Les circuits intégrés semblent rendre les choses faciles

Les régulateurs CC/CC abaisseurs sont largement utilisés pour fournir des rails CC. Un système typique peut en comporter des dizaines fournissant des tensions de rail différentes ou des rails physiquement séparés à la même tension. Ces régulateurs abaisseurs prennent généralement une tension plus élevée, typiquement entre 5 et 36 VCC, et la régulent jusqu'à une valeur d'un seul volt à un nombre d'ampères à un chiffre ou à deux petits chiffres (Figure 1).

Figure 1 : Le rôle du régulateur (convertisseur) CC/CC est simple : il prend une source CC non régulée, qui peut provenir d'une batterie ou d'une ligne CA redressée et filtrée, et fournit en sortie un rail CC étroitement régulé. (Source de l'image : Electronic Clinic)

Il y a une bonne et une mauvaise nouvelle dans la construction d'un régulateur abaisseur de base. La bonne nouvelle est qu'il n'est généralement pas difficile d'en construire un qui offre des performances nominalement « suffisantes ». De nombreux circuits intégrés de commutation sont disponibles pour effectuer l'essentiel de la tâche et ne nécessitent qu'un seul transistor à effet de champ (FET) (ou aucun) et quelques composants passifs pour terminer le travail. La tâche est d'autant plus facile que la fiche technique du circuit intégré de régulateur présente presque toujours un circuit d'application typique avec un schéma, une configuration de carte et une nomenclature pouvant inclure le nom des fournisseurs et les numéros de référence des composants.

Le dilemme technique est qu'un « bon » niveau de performances peut ne pas être approprié au regard de certains paramètres de performances non évidents du régulateur. Le rail CC de sortie peut certes fournir un courant suffisant avec une régulation ligne/charge et une réponse transitoire adéquates, mais ces facteurs ne sont que le début de l'histoire pour les rails d'alimentation.

La réalité est qu'en plus de ces critères de performances de base, un régulateur est également évalué par d'autres facteurs, dont certains sont motivés par des impératifs externes. Les trois problèmes critiques auxquels la plupart des régulateurs doivent faire face ne sont pas nécessairement apparents, du seul point de vue simpliste d'un bloc fonctionnel qui accepte une entrée CC non régulée et fournit une sortie CC régulée. Ces problèmes sont les suivants (Figure 2) :

• Refroidissement : haut rendement et impact thermique minimal associé.
• Bruit : faible ondulation pour des performances système sans erreur, et faibles EMI pour répondre aux normes de bruit rayonné (non acoustique).
• Caractère complet : une solution intégrée qui minimise la taille, les risques, la nomenclature, les délais de commercialisation et d'autres préoccupations d'ordre général.

Figure 2 : Un régulateur CC/CC ne doit pas se contenter de fournir un rail d'alimentation stable ; il doit également offrir un fonctionnement froid et efficace, être silencieux sur le plan des EMI et complet sur le plan fonctionnel. (Source de l'image : Math.stackexchange.com, modifiée par l'auteur)

La résolution de ces problèmes pose un certain nombre de défis, et leur résolution peut devenir une expérience frustrante. Cela correspond à la « règle 80/20 », selon laquelle 80 % des efforts sont consacrés à la réalisation des derniers 20 % de la tâche. Examinons ces trois facteurs plus en détail :

Refroidissement : Tous les concepteurs veulent un rendement élevé, mais à quel point exactement, et à quel prix ? La réponse est classique : cela dépend du projet et de ses compromis. Un meilleur rendement est important pour trois raisons principales :

1. Cela se traduit par un produit plus froid qui améliore la fiabilité, peut permettre un fonctionnement à une température plus élevée, peut éliminer le recours à un refroidissement par air forcé (ventilateur) ou peut simplifier la mise en place d'un refroidissement par convection efficace, si cela est possible. Dans le haut de la gamme, il peut être nécessaire de maintenir des composants spécifiques particulièrement chauds en dessous de leur température maximum autorisée et dans leur zone de fonctionnement sûre.
2. Même si ces facteurs thermiques ne sont pas un problème, le rendement se traduit par une plus longue durée de fonctionnement pour les systèmes alimentés par batterie ou par une réduction de la charge sur le convertisseur CA/CC en amont.
3. Il existe désormais de nombreuses normes réglementaires imposant des niveaux de rendement spécifiques pour chaque catégorie de produit final. Bien que ces normes ne prévoient pas de rendement pour les rails individuels d'un produit, le défi du concepteur est de s'assurer que le rendement global répond au mandat. Cela est plus facile lorsque le régulateur CC/CC de chaque rail contributeur est plus efficace, car cela permet d'avoir de la marge dans la sommation avec les autres rails et les autres sources de perte.

Bruit : Il existe deux grandes catégories de bruit qui sont importantes pour les concepteurs. Premièrement, le bruit et l'ondulation sur la sortie du régulateur CC/CC doivent être suffisamment faibles pour ne pas nuire aux performances du système. Il s'agit d'une préoccupation croissante, car les tensions de rail tombent à de faibles valeurs à un chiffre dans les circuits numériques, ainsi que dans les circuits analogiques de précision où une ondulation, même de quelques millivolts, peut dégrader les performances.

L'autre préoccupation majeure est liée aux EMI. Il existe deux types d'émissions EMI : conduites et rayonnées. Les émissions conduites se déplacent sur les fils et les pistes se connectant à un produit. Comme le bruit est localisé sur une borne ou un connecteur spécifique dans la conception, la conformité aux exigences en matière d'émissions conduites peut souvent être traitée relativement tôt dans le processus de développement avec une conception et une disposition du filtre améliorées.

Les émissions rayonnées, cependant, sont plus compliquées. Chaque conducteur sur une carte à circuit imprimé qui transporte du courant rayonne un champ électromagnétique : chaque piste de la carte est une antenne, et chaque plan de cuivre est un miroir. Tout ce qui n'est pas une onde sinusoïdale pure ou une tension continue génère un large spectre de signaux.

La difficulté réside dans le fait que, même avec une conception réfléchie, un concepteur ne sait jamais vraiment à quel point les émissions rayonnées seront mauvaises jusqu'à ce que le système soit testé, et les tests d'émissions rayonnées ne peuvent pas être officiellement effectués tant que la conception n'est essentiellement terminée. Des filtres sont utilisés pour réduire les EMI en atténuant les niveaux à des fréquences spécifiques ou sur une gamme de fréquences en utilisant diverses techniques.

Une partie de l'énergie rayonnant dans l'espace est atténuée par l'utilisation d'une feuille de métal comme blindage magnétique. La partie à plus basse fréquence qui se déplace sur les pistes de circuits imprimés (conduction) est contrôlée à l'aide de perles de ferrite et d'autres filtres. Le blindage fonctionne mais pose une nouvelle série de problèmes. Il doit être correctement conçu et présenter une bonne intégrité électromagnétique (ce qui est souvent étonnamment difficile). Il ajoute des coûts, augmente l'empreinte, rend la gestion thermique et les tests plus difficiles, et introduit des coûts d'assemblage supplémentaires.

Une autre technique consiste à ralentir les fronts de commutation du régulateur. Cependant, cela a pour effet indésirable de réduire le rendement, d'augmenter les temps minimum d'activation et de désactivation ainsi que les temps de récupération nécessaires, et de compromettre la vitesse de la boucle de commande du courant.

Une autre approche consiste à ajuster la conception du régulateur pour qu'il rayonne moins d'interférences électromagnétiques en sélectionnant avec soin les paramètres clés de la conception. La tâche consistant à équilibrer les compromis de ces régulateurs implique d'évaluer l'interaction de paramètres tels que la fréquence de commutation, l'empreinte, le rendement et les interférences électromagnétiques résultantes.

Par exemple, une fréquence de commutation plus basse réduit généralement les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques et améliore le rendement, mais exige des composants plus grands avec des augmentations associées de l'empreinte. La recherche d'un plus haut rendement s'accompagne de faibles temps minimum d'activation et de désactivation, entraînant un contenu harmonique plus élevé en raison des transitions de commutation plus rapides. En général, à chaque doublement de la fréquence de commutation, les EMI se détériorent de 6 décibels (dB), en supposant que tous les autres paramètres, tels que la capacité de commutation et les temps de transition, restent constants. Les EMI large bande se comportent comme un filtre passe-haut de premier ordre, avec des émissions 20 dB supérieures lorsque la fréquence de commutation augmente d'un facteur dix.

Pour surmonter ce problème, les concepteurs de circuits imprimés expérimentés veillent à ce que les boucles de courant du régulateur soient petites et utilisent des couches de masse de blindage aussi proches que possible de la couche active. Néanmoins, le brochage, la construction de boîtier, les exigences de conception thermique et le format de boîtier nécessaires pour un stockage d'énergie adéquat dans les composants de découplage imposent une certaine taille minimum de boucle de courant.

Pour compliquer davantage le problème de configuration, un circuit imprimé plan typique présente un couplage magnétique ou de type transformateur entre les pistes au-dessus de 30 mégahertz (MHz). Ce couplage atténue les efforts de filtrage car plus les fréquences harmoniques sont élevées, plus le couplage magnétique indésirable devient efficace.

Quelles sont les normes pertinentes ?

Il n'existe pas de normes directrices uniques dans le monde des interférences électromagnétiques, car elles sont largement déterminées par l'application et les mandats réglementaires pertinents. Les normes EN 55022, CISPR 22 et CISPR 25 figurent parmi les plus fréquemment citées. La norme EN 55022 est un dérivé modifié de la norme CISPR 22 et s'applique aux équipements de technologie de l'information. La norme est produite par le Comité européen de normalisation électrotechnique (CENELEC), responsable de la normalisation dans le domaine de l'ingénierie électrotechnique.

Ces normes sont complexes et définissent les procédures de test, les sondes, l'instrumentation, l'analyse des données, et plus. Parmi les nombreuses limites définies par la norme, la limite d'émissions rayonnées de classe B est souvent celle qui intéresse le plus les concepteurs.

Caractère complet : Même lorsque la situation de conception est relativement bien comprise, la sélection et l'utilisation des composants de support nécessaires de la bonne manière constituent un défi. De légères différences dans le placement et les spécifications des composants, la masse et les pistes de circuits imprimés, ainsi que d'autres facteurs peuvent affecter les performances.

La modélisation et la simulation sont nécessaires et peuvent aider, mais il est très difficile de caractériser les parasites associés à ces composants, surtout si leurs valeurs changent. De plus, un changement de fournisseur (ou un changement non annoncé par le fournisseur privilégié) peut induire un changement subtil des valeurs des paramètres de deuxième ou troisième niveau (comme la résistance en courant continu (DCR) de l'inductance), ce qui peut avoir des conséquences importantes et imprévues.

En outre, même un léger repositionnement des composants passifs ou l'ajout de « juste un autre » composant peut modifier le scénario EMI et entraîner des émissions dépassant les limites autorisées.

Les µModules Silent Switcher résolvent les problèmes

L'anticipation et la gestion des risques font partie intégrante du travail d'un concepteur. Réduire le nombre et l'intensité de ces risques est une stratégie standard de produit fini. Une solution consiste à utiliser un régulateur CC/CC fonctionnellement complet qui, grâce à une conception et une implémentation appropriées, est froid, silencieux et complet. L'utilisation d'un dispositif connu réduit les incertitudes tout en tenant compte des risques liés à la taille, au coût, aux interférences électromagnétiques, à la nomenclature et à l'assemblage. Cela permet également d'accélérer la mise sur le marché et de réduire les craintes liées à la conformité réglementaire.

En considérant une famille complète de tels régulateurs, comme les µModules Silent Switcher d'Analog Devices, les concepteurs peuvent choisir un régulateur CC/CC adapté à la tension et au courant nominal requis, tout en ayant l'assurance que les réglementations EMI seront respectées, que la taille et le coût seront connus et qu'il n'y aura pas de mauvaises surprises.

Ces régulateurs intègrent bien plus que des schémas et des topologies innovants. Les techniques qu'ils utilisent incluent :

• Technique n°1 : La commutation du régulateur agit comme un oscillateur/source RF et se combine avec les fils de connexion, qui agissent comme des antennes. Cela transforme l'assemblage en un émetteur RF avec une énergie indésirable qui peut dépasser les limites autorisées (Figures 3, 4 et 5).

Figure 3 : Les fils de connexion entre la puce du circuit intégré et le boîtier fonctionnent comme des antennes miniatures et rayonnent l'énergie RF indésirable. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 4 : L'assemblage Silent Switcher commence par le remplacement des fils de connexion par la technologie flipchip, éliminant ainsi les fils rayonnant l'énergie. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 5 : L'approche flipchip élimine efficacement les antennes et minimise l'énergie rayonnée. (Source de l'image : Analog Devices)

• Technique n°2 : L'utilisation de condensateurs d'entrée symétriques limite les EMI en créant des courants opposés équilibrés (Figure 6).

Figure 6 : Deux condensateurs d'entrée en miroir sont également ajoutés pour limiter les EMI. (Source de l'image : Analog Devices)

• Technique n°3 : Et pour finir, des boucles de courant opposées sont utilisées pour neutraliser les champs magnétiques (Figure 7).

Figure 7 : Une disposition interne avec des boucles de courant dans des directions opposées neutralise également les champs magnétiques indésirables. (Source de l'image : Analog Devices)

Ces µModules Silent Switcher illustrent l'évolution de la conception et du conditionnement des régulateurs abaisseurs, qui sont passés d'un circuit intégré avec des composants de support à un circuit intégré LQFN avec des condensateurs intégrés, puis à un µModule avec les condensateurs et les inductances nécessaires (Figure 8).

Figure 8 : En intégrant des condensateurs et une inductance dans le boîtier, les µModules Silent Switcher constituent la troisième étape de l'évolution des régulateurs à découpage centrés sur le circuit intégré. (Source de l'image : Analog Devices)

Une offre étendue pour répondre aux besoins et aux compromis

Les µModules Silent Switcher comprennent de nombreuses unités individuelles avec différentes valeurs nominales pour la plage de tensions d'entrée, le rail de tension de sortie et le courant de sortie. Par exemple, le LTM8003 est un µModule à entrée de 3,4 V à 40 V, sortie de 3,3 V, 3,5 A en continu (6 A crête) qui répond aux limites de classe 5 de la norme CISPR 25, tout en ne mesurant que 9 millimètres (mm) × 6,25 mm et 3,32 mm de haut (Figure 9).

Figure 9 : Le Silent Switcher LTM8003 est un boîtier miniature autonome qui répond facilement à la limite d'énergie rayonnée de crête de la norme CISPR 25 classe 5, de CC à 1000 MHz. (Source de l'image : Analog Devices)

Il est proposé avec un brochage conforme à l'analyse des modes de défaillance et de leurs effets (FMEA) (LTM8003-3.3), ce qui signifie que la sortie reste à une tension égale ou inférieure à la tension de régulation en cas de court-circuit sur une broche adjacente ou si une broche est laissée flottante. Le courant de repos typique n'est que de 25 microampères (µA), et la version de grade H est répertoriée pour un fonctionnement à 150°C.

La carte de démonstration (démo) DC2416A est à la disposition des concepteurs pour tester le régulateur et évaluer ses performances pour leur application (Figure 10).

Figure 10 : La carte de démonstration DC2416A simplifie la connexion avec le dispositif Silent Switcher LTM8003 et son évaluation. (Source de l'image : Analog Devices)

Deux membres nominalement similaires de la famille des µModules Silent Switcher, le LTM4657 (entrée de 3,1 V à 20 V, sortie de 0,5 V à 5,5 V à 8 A) et le LTM4626 (entrée de 3,1 V à 20 V, sortie de 0,6 V à 5,5 V à 12 A), illustrent le type de compromis que les composants offrent. Le LTM4657 utilise une inductance de valeur supérieure à celle du LTM4626, ce qui lui permet de fonctionner à des fréquences plus basses pour réduire les pertes de commutation.

Le LTM4657 constitue une meilleure solution pour les pertes de commutation élevées et les faibles pertes par conduction, par exemple dans les applications à faible courant de charge et/ou à haute tension d'entrée. En observant le LTM4626 et le LTM4657 fonctionnant à la même fréquence de commutation, et avec la même entrée de 12 V et la même sortie de 5 V, on peut constater les pertes de commutation supérieures du LTM4657 (Figure 11). En outre, son inductance à valeur supérieure réduit l'ondulation de tension de sortie. Cependant, le LTM4626 peut fournir un courant de charge plus important que le LTM4657.

Figure 11 : La comparaison du rendement du LTM4626 et du LTM4657 à 1,25 MHz avec la même configuration sur une carte de démonstration DC2989A montre des différences modestes mais tangibles. (Source de l'image : Analog Devices)

Les utilisateurs peuvent évaluer les performances du LTM4657 à l'aide de la carte de démonstration DC2989A (Figure 12), tandis que pour ceux qui doivent évaluer le LTM4626, la carte DC2665A-A est disponible (Figure 13).

Figure 12 : La carte de démonstration DC2989A est conçue pour accélérer l'évaluation du Silent Switcher LTM4657. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 13 : Pour le module Silent Switcher LTM4626, la carte de démonstration DC2665A-A est disponible pour faciliter le test et l'évaluation. (Source de l'image : Analog Devices)

Les µModules Silent Switcher ne sont pas limités aux modules à sortie simple. Par exemple, le LTM4628 est un régulateur à découpage CC/CC complet à sortie de 8 A double qui peut être facilement configuré pour fournir une sortie de 16 A simple à 2 phases (Figure 14). Le module est proposé en boîtiers LGA de 15 mm × 15 mm × 4,32 mm et BGA de 15 mm × 15 mm × 4,92 mm. Il inclut le contrôleur à découpage, les FET de puissance, l'inductance et tous les composants de support.

Figure 14 : Le LTM4628 peut être configuré en tant que régulateur à découpage CC/CC à sortie double, 8 A par canal, ou dans une configuration à sortie simple de 16 A. (Source de l'image : Analog Devices)

Le module fonctionne sur une plage de tensions d'entrée de 4,5 V à 26,5 V et prend en charge une plage de tensions de sortie de 0,6 V à 5,5 V, définie par une seule résistance externe. Les utilisateurs peuvent étudier ses performances en tant que dispositif à une ou deux sorties en utilisant la carte de démonstration DC1663A (Figure 15).

Figure 15 : La carte de démonstration DC1663A permet d'accélérer l'évaluation du LTM4628 à sortie simple/double. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

La conception d'un régulateur CC/CC fonctionnel est assez simple avec les circuits intégrés disponibles. Cependant, il n'est pas facile de concevoir un régulateur qui, à la fois, excelle en termes de rendement, est complet sur le plan fonctionnel et répond aux mandats réglementaires souvent confus et rigoureux. Les µModules Silent Switcher d'Analog Devices simplifient le processus de conception. Ils éliminent les risques en répondant aux objectifs de fonctionnement froid et efficace, d'émissions EMI inférieures aux limites autorisées et d'exhaustivité fonctionnelle.