Optimiser les gains avec des convertisseurs PoL miniaturisés

Les exigences d'alimentation des systèmes actuels constituent un défi pour les concepteurs qui doivent surmonter des problèmes tels que les tensions d'alimentation multiples, le séquencement de tension, les courants de charge transitoires élevés et la chaleur excessive. Plutôt que de résoudre ces problèmes au niveau de l'alimentation du système, il est plus efficace d'introduire des mesures au niveau des cartes à circuit imprimé, ce qui signifie qu'une certaine forme de convertisseur de point de charge (PoL) est nécessaire. La plupart des ingénieurs de conception devant répondre à la demande du marché en matière de systèmes plus compacts et plus efficaces, les alimentations PoL miniaturisées sont très demandées. Cependant, comme tous les convertisseurs PoL ne sont pas égaux, plusieurs facteurs doivent considérés avant de prendre des décisions d'achat.

De nombreuses tendances clés ont dominé l'industrie électronique au cours de ces dernières années, notamment l'abandon des systèmes d'alimentation centralisés et même des architectures de puissance distribuées (DPA) ou décentralisées. La dernière préférence cible plutôt les architectures de bus intermédiaires (IBA), dans lesquelles un convertisseur CC/CC frontal isolé alimente plusieurs petits convertisseurs CC/CC non isolés (appelés convertisseurs de point de charge/PoL) placés près des charges qu'ils alimentent (Figure 1).

Figure 1 : Les convertisseurs PoL tels que le PMU8318 de Flex Power Modules offrent une alternative aux systèmes d'alimentation centralisés. (Source de l'image : Flex Power Modules)

En ce qui concerne le déploiement des convertisseurs PoL, d'autres tendances ont émergé, notamment le besoin d'augmenter les niveaux de performances, de réduire les coûts et de miniaturiser les systèmes/composants. Les derniers dispositifs électroniques ne sont pas seulement plus rapides et plus intelligents, ils sont aussi considérablement plus petits, plus légers, plus denses et plus efficaces que les produits de générations précédentes.

Ces facteurs ont d'énormes implications sur la conception des alimentations. En premier lieu, chaque millimètre carré du circuit imprimé a une valeur élevée, donc plus le convertisseur est petit, mieux c'est. Mais il y a une autre question à considérer ici. Les alimentations PoL résolvent le défi lié aux exigences élevées de courant de crête et aux faibles marges de bruit requises par les semi-conducteurs hautes performances tels que les microcontrôleurs ou les circuits ASIC, principalement en étant placées à proximité de leur point d'utilisation. Malheureusement, en raison de leur calendrier de développement serré et de la complexité des cartes à circuit imprimé, de nombreux concepteurs finissent par reporter à la dernière minute les considérations relatives à l'alimentation. En conséquence, l'espace carte est souvent compromis, ne laissant de la place que pour un dispositif miniaturisé.

Une autre considération est la polyvalence. Il est conseillé d'évaluer si un convertisseur PoL convient à la fois pour les ASIC et les FPGA, par exemple. Si la plupart des alimentations PoL optimisées constituent de simples solutions analogiques (et non numériques), la capacité à servir les FPGA est importante car ils gagnent en popularité auprès des concepteurs pour une multitude d'applications.

Les FPGA offrent de nombreux avantages par rapport aux ASIC conçus sur mesure, notamment un coût réduit, une large gamme de formats et la possibilité de reconfigurer les circuits. Cependant, bien que ces avantages soient très attractifs pour les ingénieurs de conception, il y a un problème. Chaque FPGA nécessitera plusieurs alimentations CC. Souvent, quatre, six ou un plus grand nombre de rails CC seront nécessaires, certains à des courants relativement élevés pour le cœur, mais beaucoup à des courants beaucoup plus faibles. C'est pourquoi il est essentiel de sélectionner avec soin les convertisseurs PoL, d'autant plus que les derniers FPGA (et ASIC) haute densité sont de plus en plus sophistiqués et exigeants. En termes simples, les performances, le rendement, la qualité et la flexibilité ne peuvent être sacrifiés au nom de la miniaturisation.

Pourtant, l'espace carte étant essentiel, il ne faut pas négliger l'importance de la taille. Un point clé est que les petits convertisseurs PoL ont souvent une faible hauteur et sont suffisamment légers pour être utilisés sur la face inférieure d'un circuit imprimé, ce qui permet de gagner de l'espace et d'accroître la flexibilité de conception. Comparez ce concept d'économie d'espace aux alimentations PoL plus grandes/plus lourdes/plus hautes ou aux convertisseurs individuels isolés qui ne peuvent être montés que sur un côté de la carte, et l'avantage est évident.

De plus, les convertisseurs PoL miniatures peuvent être placés bien plus près de leurs charges, ce qui présente là encore un certain nombre d'avantages clés. À titre d'exemple, les pertes de distribution CC/CC seront réduites, tandis que les problèmes de sensibilité au bruit et d'émissions EMI seront résolus. En outre, les inductances parasites peuvent être réduites, ce qui permet une réponse plus rapide aux transitoires.

Le déploiement de plusieurs convertisseurs PoL permet également de fournir beaucoup plus facilement les diverses tensions d'alimentation généralement exigées par les composants à spécifications élevées sur les circuits imprimés actuels.

Un autre domaine à étudier concerne les performances thermiques. Comme les composants de puissance sont plus petits et plus denses, le potentiel d'un transfert de chaleur supérieur est plus important. Toutefois, il est bien établi que la dissipation de puissance, et donc de chaleur, doit être maintenue au minimum, afin d'éviter les hausses de température et le manque de fiabilité potentiel, ainsi que le coût supplémentaire lié à l'élimination de toute chaleur excédentaire. Le meilleur conseil est donc de lire attentivement la fiche technique du convertisseur PoL, en particulier lors de la vérification des données relatives au rendement et aux performances thermiques. Les informations relatives aux performances thermiques sont souvent fournies sous la forme d'une courbe de détarage, qui montre comment la sortie maximum d'un convertisseur dépend de la température ambiante et des conditions de refroidissement (Figure 2).

Figure 2 : La courbe de détarage du courant de sortie (12 V_IN, point de consigne 1 V_OUT, 6 A) du produit PMU8318 montre que le courant reste stable à 6 A sans flux d'air jusqu'à ce que la valeur de température de +105°C soit atteinte. (Source de l'image : Flex Power Modules)

Les données relatives au rendement du produit se trouvent également dans une courbe de rendement correspondante dans la fiche technique et elles doivent faire l'objet d'un examen approfondi (Figure 3).

Figure 3 : La courbe de rendement doit également être prise en compte lors du choix d'un point de charge. Les caractéristiques de rendement typiques (12 V_IN, plusieurs valeurs V_OUT et niveaux de fréquence de commutation indiqués, 6 A max.) du produit PMU8318 sont illustrées ici. (Source de l'image : Flex Power Modules)

Il est également recommandé aux concepteurs de systèmes de rechercher des fonctionnalités supplémentaires susceptibles d'accroître les performances. Par exemple, certains régulateurs incluent une fonction d'optimisation de boucle qui permet aux ingénieurs d'optimiser la réponse transitoire pour différentes charges capacitives, augmentant ainsi la flexibilité dans la conception du système. Certaines solutions PoL offrent également une fonction configurable de démarrage progressif ou de suivi, ce qui rend la conception de séquences temporelles plus facile et plus souple.

En résumé, les convertisseurs CC/CC miniatures conviennent à un large éventail d'applications sur des cartes où l'espace est limité. Ces régulateurs sont compacts et rentables, et offrent de nombreux avantages génériques tels que des cycles de développement plus courts, des efforts de qualification plus faciles, une flexibilité de placement de conception, des niveaux de qualité supérieurs et des économies de coûts de développement.

Pour répondre à la demande constante en matière de régulateurs PoL miniaturisés, Flex Power Modules distribue via DigiKey sa gamme de produits compacts, offrant un excellent rapport prix/performance dans un boîtier compact, extra-plat et riche en fonctionnalités. Le rendement est élevé, typiquement de 95,3 %, et les performances thermiques sont également exceptionnelles, en partie parce que la conception LGA permet de transférer la chaleur jusqu'au circuit imprimé hôte.

Ces convertisseurs PoL PMU8000 miniatures, conditionnés en facteur de forme standardisé, peuvent être appliqués sur la face supérieure ou inférieure de la carte, ce qui en fait une solution très flexible pour les ingénieurs de conception. Une seule empreinte couvre les niveaux de courant de 4 A, 6 A et 8 A, offrant encore plus de flexibilité aux concepteurs de systèmes qui cherchent à optimiser la conception de l'alimentation. En outre, les modules peuvent également fonctionner à hautes températures (jusqu'à +105°C) et en conditions environnementales difficiles. La conception robuste signifie que le temps moyen entre pannes (MTBF) est spécifié à 171 Mh. Les régulateurs PoL de Flex Power Modules sont adaptés à un large éventail d'applications de conversion de puissance, notamment les FPGA, les circuits ASIC, les processeurs, les processeurs graphiques et les processeurs réseau, dans des secteurs tels que les technologies de l'information et de la communication (TIC), l'industrie, le test et la mesure, l'IoT, le secteur ferroviaire et le secteur médical.