Déploiement rapide de convertisseurs abaisseurs pour l'automatisation industrielle, la 5G et l'IoT

Les convertisseurs CC/CC abaisseurs sont largement utilisés dans de nombreux systèmes électroniques tels que les stations de base 5G, les équipements d'automatisation industrielle (FA) et les dispositifs Internet des objets (IoT) pour abaisser efficacement les hautes tensions. Par exemple, une tension de 12 volts en courant continu (V_CC) ou de 48 V_CC provenant d'une batterie ou d'un bus de distribution d'alimentation doit souvent être convertie en tension plus basse pour alimenter des circuits intégrés numériques, des capteurs analogiques, des sections radiofréquences (RF) et des dispositifs d'interface.

Bien que les concepteurs puissent implémenter un convertisseur abaisseur discret et l'optimiser pour une conception spécifique en termes de caractéristiques de performances et de configuration de carte, cette approche présente des difficultés. Cela implique notamment de sélectionner le MOSFET de puissance approprié, de concevoir le réseau de rétroaction et de contrôle, de concevoir l'inductance et de choisir entre une topologie asynchrone ou synchrone. De plus, la conception doit inclure de nombreuses fonctions de protection et fournir un rendement maximum et une solution compacte. Dans le même temps, les concepteurs sont poussés à réduire les coûts et les délais de conception, impliquant de trouver des alternatives de convertisseurs de puissance plus adaptées.

Au lieu d'emprunter la voie discrète, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés d'alimentation qui combinent des MOSFET avec les circuits de rétroaction et de commande nécessaires, déjà optimisés pour les convertisseurs abaisseurs haut rendement.

Cet article passe en revue les compromis de performances entre les convertisseurs CC/CC abaisseurs asynchrones et synchrones et la manière dont ils répondent aux besoins d'applications spécifiques. Il présente une solution d'exemple de circuit intégré de convertisseur abaisseur synchrone et de circuit intégré abaisseur asynchrone de ROHM Semiconductor et aborde les considérations de mise en œuvre, y compris la sélection de l'inductance et du condensateur de sortie et la disposition du circuit imprimé. Des cartes d'évaluation sont proposées dans la discussion pour aider les concepteurs à se lancer.

Pourquoi utiliser un convertisseur abaisseur ?

Dans les applications qui ne nécessitent que quelques ampères (A) de courant, un convertisseur abaisseur constitue une alternative plus efficace à un régulateur linéaire. Un régulateur linéaire peut présenter un rendement d'environ 60 %, tandis qu'un convertisseur abaisseur asynchrone peut avoir un rendement de plus de 85 %.

Un convertisseur abaisseur asynchrone de base se compose d'un commutateur MOSFET, d'une diode Schottky, d'un condensateur, d'une inductance et de circuits d'attaque/de contrôleur (non illustrés) pour activer et désactiver le MOSFET (Figure 1). Un convertisseur abaisseur prend la tension d'entrée (V_IN) CC et la convertit en un courant CA pulsé qui est redressé par la diode, qui est ensuite filtré par l'inductance et le condensateur pour produire une tension de sortie (V_O) CC régulée. Cette topologie tire son nom du fait que la tension dans l'inductance abaisse la tension d'entrée.

Figure 1 : Topologie d'un convertisseur abaisseur asynchrone, n'incluant pas les circuits d'attaque/de contrôleur MOSFET. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Le circuit d'attaque/de contrôleur détecte la tension de sortie et active périodiquement le MOSFET pour maintenir la tension de sortie au niveau souhaité. Lorsque la charge varie, le circuit d'attaque/contrôleur fait varier la durée pendant laquelle le MOSFET est activé pour fournir plus ou moins de courant à la sortie selon les besoins pour maintenir (réguler) la tension de sortie. Le pourcentage de temps pendant lequel le MOSFET est activé au cours d'un cycle complet d'activation et de désactivation est appelé le rapport cyclique. En tant que tel, des rapports cycliques plus élevés supportent des courants de charge plus élevés.

Convertisseurs abaisseurs synchrones

Dans les applications qui nécessitent des rendements plus élevés que ceux possibles avec un convertisseur abaisseur asynchrone, les concepteurs peuvent se tourner vers un convertisseur abaisseur synchrone où la diode Schottky est remplacée par un redressement MOSFET synchrone (Figure 2). Le MOSFET synchrone (S₂) a une résistance à l'état passant nettement inférieure à la résistance de la diode Schottky, ce qui permet de réduire les pertes et d'augmenter le rendement, mais à un coût plus élevé.

Le défi réside dans le fait qu'il y a maintenant deux MOSFET qui doivent être activés et désactivés de manière coordonnée. Si les deux MOSFET sont activés en même temps, cela crée un court-circuit reliant la tension d'entrée directement à la terre, ce qui endommage ou détruit le convertisseur. Pour éviter que cela ne se produise, cela implique d'augmenter la complexité du circuit de commande, ce qui accroît encore le coût et le temps de conception par rapport à une conception asynchrone.

Ce circuit de commande dans un convertisseur abaisseur synchrone intègre un « temps de récupération » entre les transitions de commutation où les deux commutateurs sont désactivés pendant une très brève période pour empêcher la conduction simultanée. Heureusement pour les concepteurs, il existe des circuits intégrés d'alimentation qui intègrent les MOSFET de puissance et les circuits de commande nécessaires pour produire des convertisseurs abaisseurs.

Figure 2 : Topologie d'un convertisseur abaisseur synchrone montrant le remplacement de la diode Schottky par un MOSFET de redressement synchrone (S₂). (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Circuits de convertisseurs abaisseurs intégrés

Les dispositifs BD9G500EFJ-LA (asynchrones) et BD9F500QUZ (synchrones) de ROHM, respectivement disponibles en boîtiers HTSOP-J8 et VMMP16LZ3030 (Figure 3), sont des exemples de circuits de convertisseurs abaisseurs hautement intégrés. Le BD9G500EFJ-LA a une tension de tenue de 80 volts (V) et il est destiné à être utilisé avec les bus d'alimentation de 48 V que l'on trouve dans les stations de base 5G, les serveurs et les applications similaires. Il convient également aux systèmes dotés de bus d'alimentation de 60 V, comme les vélos électriques, les outils électriques, l'automatisation industrielle et les dispositifs IoT. Il peut délivrer jusqu'à 5 A de courant de sortie et présente un rendement de conversion de 85 % sur sa plage de courants de sortie de 2 A à 5 A. Les fonctions intégrées incluent le démarrage progressif, la protection contre les surtensions et les surintensités, le blocage thermique et le verrouillage en cas de sous-tension.

Figure 3 : Le circuit intégré de convertisseur abaisseur asynchrone BD9G500EFJ-LA est fourni en boîtier HTSOP-J8 et le circuit intégré abaisseur synchrone BD9F500QUZ en boîtier VMMP16LZ3030. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Le circuit intégré d'alimentation abaisseur synchrone BD9F500QUZ ayant une tension de claquage de 39 V, les concepteurs de systèmes à bus d'alimentation de 24 V peuvent l'utiliser pour diminuer les coûts systèmes en réduisant la surface de montage et le nombre de composants dans les systèmes d'automatisation industrielle tels que les contrôleurs logiques programmables (PLC) et les onduleurs. Le BD9F500QUZ réduit la taille de la solution d'environ 60 %, et la fréquence de commutation maximum de 2,2 MHz permet l'utilisation d'une petite inductance de 1,5 microhenry (μH). Ce circuit abaisseur synchrone fonctionne à un rendement atteignant 90 % avec un courant de sortie de 3 A.

La combinaison d'un haut rendement et d'un boîtier thermiquement efficace signifie que la température de fonctionnement est d'environ 60 degrés Celsius (°C) sans dissipateur thermique, ce qui permet de gagner de l'espace, d'améliorer la fiabilité et de réduire les coûts. Les fonctionnalités intégrées incluent une fonction de décharge du condensateur de sortie, une protection contre les surtensions, les surintensités et les courts-circuits, un blocage thermique et un verrouillage en cas de sous-tension.

Sélection de l'inductance et du condensateur

Bien que les dispositifs BD9G500EFJ-LA et BD9F500QUZ soient dotés de MOSFET de puissance intégrés, les concepteurs doivent encore sélectionner l'inductance et le condensateur de sortie optimaux, qui sont interdépendants. Par exemple, la valeur optimale de l'inductance est importante pour obtenir les plus petites tailles combinées pour l'inductance et le condensateur de sortie, ainsi qu'une ondulation de la tension de sortie suffisamment faible. Les exigences transitoires sont également importantes et varient d'un système à l'autre. L'amplitude des transitoires de charge, les limites d'écart de tension et l'impédance du condensateur ont toutes un impact sur les performances transitoires et la sélection du condensateur.

Les concepteurs disposent de plusieurs technologies de condensateurs, chacune offrant un ensemble différent de compromis en termes de coûts et de performances. Généralement, des condensateurs céramique multicouches (MLCC) sont utilisés pour la capacité de sortie dans les convertisseurs abaisseurs, mais certaines conceptions peuvent bénéficier de l'utilisation de condensateurs électrolytiques en aluminium ou de condensateurs électrolytiques hybrides en polymère conducteur.

ROHM a simplifié le processus de sélection des inductances et des condensateurs en proposant aux concepteurs des circuits d'exemple d'application complets dans les fiches techniques de ces circuits d'alimentation, notamment :

• Tension d'entrée, tension de sortie, fréquence de commutation et courant de sortie
• Schéma du circuit
• Nomenclature (BOM) suggérée avec valeurs, numéros de référence et fabricants
• Formes d'ondes de fonctionnement

Trois circuits d'application détaillés pour le BD9G500EFJ-LA, tous avec une fréquence de commutation de 200 kilohertz (kHz), incluent :

• Entrée de 7 à 48 V_CC avec sortie de 5,0 V_CC à 5 A
• Entrée de 7 à 36 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 5 A
• Entrée de 18 à 60 V_CC avec sortie de 12 V_CC et 5 A

Sept circuits d'application détaillés pour le BD9F500QUZ incluent :

• Entrée de 12 à 24 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 1 MHz
• Entrée de 12 à 24 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 600 kHz
• Entrée de 5 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 1 MHz
• Entrée de 5 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 600 kHz
• Entrée de 12 V_CC avec sortie de 1,0 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 1 MHz
• Entrée de 12 V_CC avec sortie de 1,0 V_CC et 5 A, avec une fréquence de commutation de 600 kHz
• Entrée de 12 V_CC avec sortie de 3,3 V_CC et 3 A, avec une fréquence de commutation de 2,2 MHz

De plus, ROHM propose aux concepteurs une note d'application sur les types de condensateurs utilisés pour le lissage de sortie des régulateurs à découpage, et les précautions à prendre.

Les cartes d'évaluation accélèrent le processus de conception

Pour accélérer davantage le processus de conception, ROHM propose les cartes d'évaluation BD9G500EFJ-EVK-001 et BD9F500QUZ-EVK-001 pour les dispositifs BD9G500EFJ-LA et BD9F500QUZ, respectivement (Figure 4).

Figure 4 : Les cartes d'évaluation BD9G500EFJ-EVK-001 (à gauche) et BD9F500QUZ-EVK-001 (à droite) pour les circuits intégrés de convertisseurs abaisseurs BD9G500EFJ-LA et BD9F500QUZ, respectivement, aident les concepteurs à s'assurer rapidement que les dispositifs répondent à leurs exigences. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Le BD9G500EFJ-EVK-001 produit une sortie de 5 V_CC à partir d'une entrée de 48 V_CC. La plage de tensions d'entrée du BD9G500EFJ-LA s'étend de 7 à 76 V_CC, et sa tension de sortie est configurable de 1 V_CC à 0,97 x V_IN avec des résistances externes. Une résistance externe peut également être utilisée pour définir la fréquence de fonctionnement entre 100 et 650 kHz.

La carte d'évaluation BD9F500QUZ-EVK-001 produit une sortie de 1 V_CC à partir d'une entrée de 12 V_CC. La plage de tensions d'entrée du BD9F500QUZ s'étend de 4,5 à 36 V_CC, et sa tension de sortie est configurable de 0,6 à 14 V_CC avec des résistances externes. Ce circuit intégré d'alimentation permet trois fréquences de commutation sélectionnables : 600 kHz, 1 MHz et 2,2 MHz.

Considérations sur la configuration des cartes

Les considérations générales relatives à la disposition des cartes à circuit imprimé lors de l'utilisation des dispositifs BD9G500EFJ-LA et BD9F500QUZ incluent les suivantes :

1. La diode de roue libre et le condensateur d'entrée doivent se trouver sur la même couche du circuit imprimé que la borne du circuit intégré et aussi près que possible du circuit intégré.
2. Des traversées thermiques doivent être incluses chaque fois que possible pour améliorer la dissipation de la chaleur.
3. L'inductance et le condensateur de sortie doivent être placés aussi près que possible du circuit intégré.
4. Les pistes du circuit de retour doivent être maintenues à l'écart des sources de bruit, telles que l'inductance et la diode.

Des détails de disposition plus spécifiques sont disponibles dans les fiches techniques des dispositifs respectifs et dans la note d'application de ROHM sur les techniques de configuration du circuit imprimé pour les convertisseurs abaisseurs.

Conclusion

Comme illustré, les convertisseurs abaisseurs asynchrones et synchrones peuvent être utilisés pour fournir des rendements de conversion plus élevés par rapport aux régulateurs linéaires dans une variété d'applications IoT, 5G et d'automatisation industrielle. S'il est possible de concevoir des convertisseurs abaisseurs personnalisés pour une conception donnée, il s'agit d'une tâche complexe et fastidieuse.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent opter pour des circuits intégrés d'alimentation qui intègrent le MOSFET de puissance avec les circuits d'attaque et de commande pour produire des solutions compactes et rentables. De plus, les concepteurs disposent d'une variété d'outils pour accélérer la commercialisation, notamment des notes d'application sur la sélection des condensateurs et la configuration des circuits imprimés, des exemples de circuits d'application détaillés et des cartes d'évaluation.

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