Comprendre les avantages et les inconvénients des régulateurs linéaires

Les concepteurs sont bien conscients de l'efficacité des convertisseurs à découpage CC/CC, mais les régulateurs linéaires restent le meilleur choix pour de nombreuses applications. Il est important de comprendre pourquoi, pour s'assurer que les concepteurs fassent le bon choix et l'implémentent correctement.

Cet article compare les régulateurs linéaires et à découpage, et démontre comment des facteurs tels que la simplicité, le faible coût et la stabilité doivent également être pris en compte, tout comme le rendement.

Régulateurs à découpage : efficaces, mais complexes

Les régulateurs à découpage sont très efficaces et permettent d'élever (augmenter), d'abaisser (diminuer) et d'inverser les tensions facilement. Les puces modulaires contemporaines sont compactes, fiables et disponibles auprès de nombreux fournisseurs. Malgré leurs nombreux avantages, les régulateurs à découpage présentent également certaines faiblesses (Tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison des caractéristiques des régulateurs à découpage et linéaires. (Source du tableau : Maxim Integrated)

Tout d'abord, ce sont des puces complexes, et par conséquent, un effort de conception supplémentaire peut s'avérer nécessaire pour faire fonctionner correctement un nouveau produit. Ensuite, le niveau d'intégration des régulateurs à découpage actuels peut être coûteux et augmente également la taille des puces. Enfin, toute cette commutation haute fréquence a tendance à être bruyante.

L'ondulation de tension et de courant au niveau des filtres d'entrée et de sortie générée par un fonctionnement à haute fréquence peut constituer un problème majeur pour une conception utilisant un régulateur à découpage. Bien que ces problèmes puissent être résolus, il faut du temps et de bonnes compétences en conception pour y arriver.

Les régulateurs linéaires permettent de résoudre tous les points faibles majeurs du type à découpage. Ils sont simples, économiques, nécessitent moins de composants externes et il n'y a aucune commutation générant un bruit excessif. Dans une application adéquate, ces dispositifs modestes peuvent constituer un bon choix, comme le montre le Tableau 1.

Abaisseur uniquement

L'expression clé dans le dernier paragraphe est « application adéquate », car les régulateurs linéaires impliquent des compromis qui signifient qu'ils ne fonctionneront pas ou qu'ils ne constitueront pas un choix approprié dans certaines conceptions.

Par exemple, les régulateurs linéaires peuvent uniquement abaisser la tension d'entrée. Cette contrainte peut nécessiter une augmentation de la tension d'alimentation CC de base en ajoutant des batteries supplémentaires pour s'assurer qu'elle est suffisamment élevée pour dépasser la tension d'entrée requise par le régulateur à faible chute de tension (LDO). Par exemple, on peut utiliser cinq cellules avec chacune une tension nominale de 1 V à 1,5 V pour garantir une sortie fiable de 5 V pour le cycle de décharge complet des batteries. Le coût de l'ajout de cellules supplémentaires peut alors l'emporter sur un régulateur à découpage plus coûteux qui peut fonctionner avec moins de batteries. Les batteries supplémentaires occupent par ailleurs un espace précieux.

De plus, l'incapacité d'un régulateur linéaire à élever une tension constitue un problème lorsqu'un composant dans un produit exige une tension plus élevée que tous les autres. De même, lorsque certains circuits analogiques nécessitent une tension négative, le régulateur linéaire ne peut pas être utilisé en raison de son incapacité à inverser l'alimentation positive.

Un régulateur linéaire n'est pas aussi efficace qu'un dispositif à découpage, et les batteries ne dureront donc pas aussi longtemps. Pire encore, si les batteries ont encore une certaine charge mais que leur sortie combinée est inférieure à la tension minimale requise par la puce, il n'y a aucun moyen d'extraire la charge restante.

En revanche, un dispositif à découpage peut basculer en mode élévateur pour récupérer l'énergie restante dans la batterie.

Appelés régulateurs abaisseurs-élévateurs, ils peuvent être très utiles lorsque le courant CC source des batteries est initialement supérieur à la tension de rail réelle requise, mais passe ensuite en dessous lorsque la batterie se décharge. Un dispositif abaisseur-élévateur peut facilement passer d'un mode à l'autre, ce qui se traduit par un rail de sortie à la valeur souhaitée, même si la sortie de la batterie passe en dessous de ce rail.

Dans les applications à très faible consommation, une réduction de l'autonomie de la batterie peut être acceptable pour économiser sur le coût d'un régulateur à découpage. Par exemple, il est peu probable qu'un consommateur soit satisfait si l'autonomie de la batterie d'un produit énergivore passe de 12 heures à 8 heures en raison de l'utilisation d'un régulateur linéaire, mais pourrait bien accepter une réduction de six à cinq mois pour un produit basse consommation en échange d'un prix d'achat moins élevé.

Domaine haut rendement des régulateurs linéaires

Les régulateurs linéaires peuvent ne pas avoir le rendement global d'un convertisseur ou d'un régulateur à découpage, mais ils ont l'avantage inhérent de devenir plus efficaces à mesure que la différence entre les tensions d'entrée et de sortie diminue. Lorsque la tension d'entrée est juste au-dessus de la valeur de sortie, le régulateur linéaire peut atteindre un rendement de 95 % à 99 %.

Cette caractéristique peut signifier que le rendement global d'un régulateur linéaire dans une application particulière peut être meilleur que les résultats simplistes suggérés par une comparaison. Il est important de prendre en compte le profil de décharge complet de la batterie pendant le fonctionnement du produit et d'établir le rendement moyen pendant cette période pour obtenir une valeur précise (Figure 1).

Figure 1 : Rendement du régulateur linéaire par rapport à la tension de la batterie dans un système utilisant trois piles alcalines AA (à une charge de puissance constante de 100 mW). Vous noterez que le rendement du régulateur augmente vers la tension de relâchement. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Bien que le rendement avec des batteries entièrement chargées soit d'environ 73 %, le rendement moyen sur le cycle de décharge est de 85 %. Il s'agit du résultat à comparer avec le résultat équivalent pour un régulateur à découpage, dont le rendement n'augmentera pas à mesure que la tension de la batterie diminue.

Encore une fois, en se référant à la Figure 1, nous constatons qu'au bout de 20 heures, alors que les batteries sont encore légèrement chargées, la différence entre les tensions d'entrée et de sortie est trop faible pour que le dispositif puisse la réguler et il cesse de fonctionner. Au total, la quantité cumulative d'énergie de la batterie qui a été utilisée pour alimenter le produit correspond à la formule suivante :

Rendement de régulation moyen × pourcentage d'énergie batterie utilisé avant l'arrêt =

85 % × 80 % = 68 %.

La sélection d'un circuit intégré avec une tension de relâchement plus faible permet d'utiliser une plus grande partie de la charge batterie et donc d'améliorer le rendement.

Le « relâchement » est défini comme la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie juste avant la fin de la régulation. Pour l'exemple illustré à la Figure 1, si on remplace le régulateur linéaire par un dispositif avec une meilleure tension de relâchement (de 3,4 V à 3,0 V), une durée de 2,5 heures supplémentaire peut être extraite des batteries et la consommation d'énergie de la batterie s'améliore :

85 % × 90 % = 76,5 %

Vérifiez très attentivement les fiches techniques des fabricants, car certains dispositifs appelés « à faible chute de tension » (LDO) peuvent présenter des différences de tension d'entrée/sortie assez importantes. Cela peut entraîner un arrêt alors que les batteries sont encore bien chargées. Notez que la tension de relâchement varie en fonction du courant de charge.

Sélection et implémentation d'un régulateur à faible chute de tension

L'ingénieur de conception qui cherche à sélectionner un régulateur à faible chute de tension et donc à tirer profit des avantages d'un régulateur linéaire pour certaines applications peut facilement être dépassé par les nombreuses options disponibles. En dépit de sa simplicité apparente, la fiche technique d'un régulateur à faible chute de tension typique comprend souvent au moins vingt ou trente graphiques de performances, en plus du tableau des spécifications de base. Ces graphiques démontrent à la fois le comportement statique et dynamique, ainsi que les capacités dans divers scénarios et conditions de fonctionnement.

Parmi les dispositifs LDO pour applications portables, il existe des dizaines de dispositifs adaptés à une vaste gamme de tensions d'entrée et de sortie. Certains présentent une tension de sortie fixe, d'autres ont des sorties ajustables par l'utilisateur et d'autres encore peuvent fournir un rail de sortie négatif. Certains régulateurs LDO présentent un usage relativement général et des sources alternatives, tandis que d'autres sont optimisés dans un ou plusieurs de leurs paramètres et ciblent ainsi des niches d'application spécifiques. Quelques exemples illustrent la variété des régulateurs à faible chute de tension disponibles.

Automobile : le MAX16910 de Maxim Integrated est un régulateur à faible chute de tension, à courant de repos ultrafaible, 200 mA pour les applications automobiles. En plus de ses performances de base, il est adapté aux exigences extrêmement strictes de l'environnement automobile. Son entrée est tolérante aux transitoires jusqu'à +45 V, il peut supporter des conditions de « coupure d'alimentation électrique » automobile, et il peut fonctionner (et il est spécifié) sur la plage de températures automobiles de -40°C à +125°C (Figure 2). Il fonctionne à partir d'une entrée de +3,5 V à +30 V, mais consomme seulement 20 microampères (μA) de courant de repos à vide, et seulement 1,6 μA en mode d'arrêt contrôlé par l'utilisateur.

Figure 2 : Le MAX16910 de Maxim Integrated est remarquable, car il répond aux exigences rigoureuses de l'industrie automobile pour des fonctionnalités garanties avec un fonctionnement entièrement spécifié de -40°C à +125°C. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Tension négative : lors de la conception d'un dispositif nécessitant une tension négative, il ne s'agit pas simplement d'utiliser le convertisseur connecté « à l'envers », car il existe des problèmes de référence de masse et d'autres problèmes de topologie. Il vaut donc mieux utiliser un régulateur à faible chute de tension spécifique négatif. La série ADP7183 d'Analog Devices présente une entrée et une sortie négatives et un bruit ultrafaible (Figure 3).

Ces circuits intégrés fonctionnent à partir d'une entrée de -2,0 V à -5,5 V et délivrent un courant de sortie maximum de -300 milliampères (mA). Ils offrent un choix de 15 options de tension de sortie fixe de -0,5 V à -4,5 V, ou avec une sortie ajustable de −0,5 V à −V_IN +0,5 V. De plus, le bruit de sortie est de seulement 4 μV_eff de 100 Hz à 100 kHz, et la densité spectrale de bruit est de 20 nV/√Hz de 10 kHz à 1 MHz. Enfin, le taux de réjection de l'alimentation (PSRR) typique est de 75 dB à 10 kHz, 62 dB à 100 kHz, et 40 dB à 1 MHz.

Figure 3 : La série ADP7183 d'Analog Devices est destinée aux applications à sortie négative/source négative, qui sont assez fréquentes. Ces dispositifs peuvent être configurés pour une sortie fixe (ici, -3,3 V dans le schéma du haut) ou une sortie ajustable par l'utilisateur (ici, définie sur -2,5 V, schéma du bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Sortie double fixe/variable : pour les applications qui nécessitent plus d'un régulateur à faible chute de tension, ce qui est assez courant, Texas Instruments propose le contrôleur linéaire double LFC789D25 avec une sortie fixe à 2,5 V et une sortie ajustable. Les sorties du contrôleur sont conçues pour commander des MOSFET à canal N externes, de sorte que les courants peuvent être relativement élevés, jusqu'à 3 A (typique). Ce circuit intégré cible des applications telles que la tension de mémoire DDR1 (V_DDQ) et le tampon V_REF (Figure 4). Sa référence interne fournit des performances de compensation en température, avec une tolérance de 2 %, ce qui est adapté à la situation.

Figure 4 : Le contrôleur linéaire double LFC789D25 de Texas Instruments, avec une sortie fixe et une sortie ajustable, répond aux besoins de niches d'applications importantes, telles que la mémoire DDR1 et les mémoires similaires. (Source de l'image : Texas Instruments).

Courant de repos quasi nul : pour les applications alimentées par batterie où l'utilisation parcimonieuse de l'énergie disponible est essentielle pour atteindre les objectifs de fonctionnement, la gamme RT9069 de Richtek présente un courant de repos (I_q) ultrafaible de seulement 2 µA. La broche d'activation peut placer ces circuits intégrés dans un état de veille profonde où le courant de repos est nul.

Ces régulateurs LDO fonctionnent sur une vaste plage d'entrée de 3,5 V à 36 V, délivrant jusqu'à 200 mA. Ils sont disponibles avec des tensions de sortie fixes de 2,5 V, 3,3 V, 5 V, 9 V et 12 V. Ils sont stables sur toute la plage de tensions d'entrée et de courants de sortie en utilisant un seul condensateur de sortie en céramique, en plus du condensateur de filtrage d'entrée standard dont la plupart des régulateurs à faible chute de tension ont besoin (Figure 5).

Figure 5 : La série RT9069 de Richtek est conçue pour optimiser la durée de fonctionnement dans les applications alimentées par batteries fortement limitées, avec un courant de repos de seulement 2 μA et un courant de repos nul à l'état désactivé. (Source de l'image : Richtek Technology Corp.)

Tirer le meilleur parti d'un régulateur à faible chute de tension

Même si les régulateurs à faible chute de tension sont assez simples à utiliser, certaines directives de base doivent être respectées afin d'optimiser leurs avantages et d'éviter les dommages potentiels. Ceux-ci incluent les problèmes de conception pratique tels que les problèmes thermiques et de boîtier, la configuration et la détection du bruit.

Pour les problèmes thermiques, il est essentiel d'étudier le tableau et le graphique de la fiche technique pour connaître les caractéristiques d'aire de sécurité et de détarage (Figure 6).

Figure 6 : Pour un régulateur LDO, l'aire de sécurité présente une relation inverse entre le courant de sortie maximal admissible et l'amplitude du différentiel de tension entrée-sortie. De plus, le type de boîtier joue un rôle important, comme en témoigne la différence entre le boîtier SO-8 standard et le boîtier μMAX à 8 broches propriétaire. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le détarage dépend de nombreuses variables, notamment du boîtier du régulateur LDO. Un boîtier SOT-23 à 5 broches est typiquement répertorié pour une dissipation de plus de 500 mW, tandis que certains boîtiers à plot exposé sont répertoriés pour près de quatre fois cette valeur. Si le régulateur à faible chute de tension est placé de manière optimale avec un débit d'air suffisant et/ou un chemin thermique à faible impédance, les performances de détarage dues à l'auto-échauffement sont très simples à définir grâce aux données du fournisseur.

Conclusion

Les régulateurs linéaires ont l'avantage d'offrir une sortie très « propre » avec peu de bruit au niveau de leur sortie CC, mais ils peuvent être beaucoup moins efficaces que les convertisseurs à découpage et ne peuvent pas élever la tension d'entrée comme leurs équivalents à découpage.

Néanmoins, il existe des applications où le régulateur linéaire reste le « meilleur » choix de topologie de convertisseur CC/CC en termes de simplicité, de coût et, dans certaines conditions de fonctionnement, de rendement.

Références

1. "Linear Regulators in Portable Applications," note d'application 751, Maxim Integrated
2. "Understanding the Efficiency of an LDO," Texas Instruments