Considérations relatives aux modules de point de charge

La créativité inépuisable du marketing est un outil puissant qui aide les entreprises à mettre en avant leurs avantages et leurs différences par rapport aux concurrents. La question est de savoir si ces avantages supposés font une différence dans une application spécifique. Est-il vraiment important que le produit concerné soit plus compact, plus rapide et plus puissant ? Il s'avère que, comme pour la plupart des choses dans la vie, la réponse est « ça dépend ».

Dans cet article, nous allons essayer d'aller au-delà des spécifications marketing standard afin de vraiment comprendre certaines différences clés en termes de performances des convertisseurs CC/CC de point de charge (POL) et en quoi elles concernent votre conception système spécifique. Nous examinerons le rendement, la capacité de sortie, les schémas de compensation et les exigences de refroidissement.

Rendement de crête contre rendement en conditions de charge réelles

Le rendement des convertisseurs de courant est typiquement indiqué par la lettre grecque minuscule êta (η) et représente le rapport entre la puissance délivrée en sortie et la puissance consommée par l'entrée (η = Pout/Pin). Le rapport idéal, ou rendement, pour un convertisseur est de 1. Cela indique que 100 % de la puissance entrant dans le convertisseur est fournie à la charge sans aucune perte. Cependant, dans les applications en situation réelle, le rendement n'est jamais maximal et une perte est toujours constatée en raison de la conversion de l'énergie d'une forme vers une autre. Ainsi, le rendement η devient inférieur à 1.

En sachant que le rendement idéal est de 100 %, les équipes marketing mettent souvent en avant le rendement de conversion maximum atteignable, pour se démarquer. On parle souvent de « rendement de crête ». Le problème, c'est que le rendement n'est pas qu'un simple chiffre. Il s'agit plutôt d'une fonction à variantes multiples qui est généralement exprimée en tant que fonction de courant de sortie/puissance fournie à la charge. Vous trouverez ci-dessous un exemple hypothétique de courbe de rendement de point de charge pour illustrer l'impact de la charge de sortie sur le rendement :

Figure 1 : Illustration d'une courbe de rendement typique.

Dans cet exemple hypothétique, la crête de la courbe de rendement est atteinte lorsque la charge de sortie équivaut à 50 % de la charge totale. À faibles charges, le rendement est largement inférieur et pour les charges dépassant la crête, le rendement diminue progressivement. Il est important de comprendre ces courbes lorsque vous concevez un système d'alimentation, car un fonctionnement avec une charge supérieure ou inférieure au point de rendement de crête entraîne un gaspillage d'énergie et une génération de chaleur indésirable dans le système. Vous trouverez ci-dessous une illustration démontrant que même si POL B présente le rendement de crête le plus élevé, il est préférable d'adopter POL A pour cette application (en termes de rendement) en raison de la quantité de puissance exigée par la charge.

Figure 2 : Comparaison de courbes de rendement et de conditions de charge pour une application.

Capacité de sortie requise pour atteindre les performances transitoires/d'ondulation souhaitées

Une autre mesure intéressante pour les convertisseurs de point de charge est la quantité de capacité niveau système ajoutée, requise pour atteindre les performances transitoires et d'ondulation souhaitées. Les détails concernant la théorie sur le nombre et le type de condensateurs externes ne sont pas évoqués dans cet article. Cependant, il est important de noter que tous les modules POL ne sont pas égaux en termes de performances, même si les chiffres sont similaires dans les fiches techniques. Au premier abord, il peut sembler que différents modules POL présentent les mêmes performances transitoires et d'ondulation, mais si vous les étudiez plus attentivement en conditions de test, vous constaterez souvent de grosses différences qui peuvent affecter le format et le coût globaux de votre solution d'alimentation.

Vous trouverez ci-dessous une comparaison de deux modules de point de charge concurrents. D'après les chiffres indiqués dans les fiches techniques, ces deux solutions potentielles semblent plutôt identiques en termes d'ondulation et de bruit.

Figure 3 : Comparaison de capacité de sortie entre deux points de charge.

Cependant, en analysant plus en détail, nous constatons que l'un des modules (POL B) nécessite 300 % de capacité externe en plus pour atteindre les mêmes performances de déviation de la tension que l'autre module. Cela représente un coût ajouté supplémentaire considérable et une sous-utilisation de l'espace carte.

Heureusement, de plus en plus de modules de point de charge offrent désormais des implémentations numériques totales, qui permettent d'apporter des améliorations considérables par rapport aux modules analogiques traditionnels en termes de performances transitoires/d'ondulation par rapport à la taille de la solution dans son ensemble.

La série NDM3Z-90 de CUI constitue un excellent exemple, car elle peut fournir jusqu'à 90 A de courant à la charge avec des performances transitoires et d'ondulation supérieures, souvent avec une réduction significative de la capacité de sortie.

Figure 4 : Gamme POL numérique NDM3Z-90 de CUI.

Schémas de compensation

Un module de point de charge fournit une sortie stable et régulée pour tenter de produire un rail de tension propre pour sa charge. Cela signifie que le point de charge doit intrinsèquement contenir une boucle de rétroaction négative pour que lorsqu'une déviation de la sortie idéale se produit, le réseau de rétroaction POL compense cet écart et tente de rétablir la sortie à une régulation idéale.

De nombreux schémas de compensation nuancés différents sont disponibles sur le marché, mais nous allons étudier ci-dessous les points forts et les points faibles des schémas de compensation analogiques et numériques courants.

Compensation analogique : dans un réseau de compensation analogique, la sortie du module est détectée, filtrée et comparée à une tension de référence afin de générer un signal d'erreur. Le signal d'erreur sert à compenser la sortie et à corriger les écarts éventuels.

Figure 5 : Schéma d'un régulateur de tension à découpage analogique typique.

L'avantage des schémas de compensation analogique est qu'ils existent depuis longtemps et peuvent être implémentés à l'aide de composants prêts à l'emploi standard. L'inconvénient de ces schémas analogiques est qu'il peut s'avérer difficile d'ajuster la stabilité de la boucle dans toutes les conditions de fonctionnement tout en maintenant une large bande passante pour une réponse transitoire rapide. Généralement, cela nécessite de nombreuses heures de soudage en laboratoire, de tests, de re-soudage, de nouveaux tests, etc. Les schémas de compensation analogique peuvent également engendrer du bruit externe, qui peut être couplé par inadvertance à la sortie.

Même si les schémas de compensation analogique et leurs nombreuses variantes font office de norme depuis un certain temps, il existe de nouveaux schémas de compensation numérique qui ont été développés au cours des dix dernières années et qui offrent des avantages considérables.

Compensation numérique : tout comme avec les schémas analogiques, une implémentation avec compensation numérique détecte la sortie, la filtre, la compare à une référence, génère une erreur, puis compense la sortie afin de corriger les écarts éventuels.

Figure 6 : Schéma d'un régulateur de tension à découpage numérique typique.

La principale différence réside dans le fait que tout se passe dans le domaine numérique avec des 1 et des 0. La « détection » de la sortie est effectuée à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique. Les autres opérations, c'est-à-dire la comparaison, la génération du signal d'erreur et la compensation, sont effectuées numériquement dans un circuit intégré. Le fonctionnement dans le domaine numérique permet également d'améliorer considérablement la réjection du bruit, ce qui évite de coupler par inadvertance des sources de bruit externe à la sortie.

L'utilisation d'un schéma de compensation numérique signifie que vous n'avez plus besoin de passer des heures en laboratoire pour souder différents composants afin d'ajuster la boucle de rétroaction. À la place, vous pouvez simplement modifier quelques paramètres numériques dans le circuit intégré et modifier le comportement du point de charge pour répondre aux besoins de votre application. Les points de charge numériques plus avancés sur le marché actuel vont plus loin et proposent des conceptions « sans compensation ». Dans ces conceptions, le point de charge effectue toutes les mesures et tous les réglages nécessaires à votre place dans le système afin de fournir en continu un rail de tension de sortie stable à réaction rapide.

Exigences de refroidissement

L'un des plus importants facteurs de limitation des modules de point de charge est la dissipation thermique. La mauvaise conception d'un module entraîne une génération de chaleur interne indésirable suite à laquelle les composants stratégiques (comme les FET, les inductances, les condensateurs, etc.) se rapprochent de leur température de fonctionnement nominale maximale. Un fonctionnement de ces composants à des températures égales ou supérieures à ces limites peut réduire la fiabilité et entraîner une défaillance matérielle.

Pour lutter contre les effets nuisibles de la génération de chaleur interne, les fournisseurs POL recommandent souvent une circulation d'air minimale pour évacuer la chaleur du module. Cela permet d'éviter l'accumulation de chaleur à l'intérieur des composants et d'empêcher les températures de dépasser les limites nominales. L'utilisation de la circulation d'air pour évacuer la chaleur du module peut souvent augmenter la quantité d'énergie pouvant être fournie à la charge, mais peut également améliorer la plage de températures ambiantes de fonctionnement. Vous trouverez ci-dessous une illustration démontrant la capacité d'un module de point de charge à fonctionner dans des environnements avec différents types de circulation d'air, de la convection naturelle (air statique) à 3 m/s :

Figure 7 : Illustration d'une courbe de détarage typique avec différents types de circulation d'air.

On peut constater qu'en conditions de convection naturelle (air statique) (indiquée par la ligne continue du bas à la figure 7), le module peut délivrer 43 A à la charge à une température pouvant atteindre 60°C. En ajoutant simplement 2 m/s de circulation d'air, la capacité de courant et la température ambiante de fonctionnement augmentent jusqu'à 50 A à une température ambiante de 64°C (ligne mixte trait-point à la figure 7). Cependant, un refroidissement par air forcé présente des inconvénients : il consomme de l'énergie, ce qui peut annuler les gains de rendement et générer des niveaux de bruit inacceptables. Les concepteurs doivent soigneusement comparer les exigences thermiques du module d'alimentation et les capacités de refroidissement de leur système lors de la sélection d'un module POL.

Conclusion

Chaque application est différente et présente des mesures de performances différentes. Pour certaines, une réponse transitoire rapide peut être le facteur le plus important à prendre en compte. D'autres peuvent nécessiter le format le plus compact, le rendement le plus élevé ou la plage de températures de fonctionnement la plus étendue. Aucun point de charge ne répond à l'ensemble de ces exigences pour chaque application, quoi qu'en disent les équipes marketing. Vous devez tout d'abord comprendre les besoins de votre application en fonction des conditions de fonctionnement spécifiques. Ce n'est qu'à partir de là que vous pouvez comparer et sélectionner le module de point de charge optimal pour votre conception.