Utiliser des inductances couplées dans les convertisseurs abaisseurs polyphasés pour améliorer le rendement

Les convertisseurs abaisseurs polyphasés sont largement utilisés dans les applications 12 V telles que les data centers, les systèmes d'intelligence artificielle (IA) et les infrastructures de communications. Un thème commun à ces cas d'utilisation est la nécessité d'améliorer le rendement sans compromettre les performances ni augmenter l'empreinte physique.

Les inductances couplées (CL) constituent une approche prometteuse. En utilisant l'inductance mutuelle entre les phases, les inductances couplées permettent une annulation supérieure de l'ondulation de courant, ce qui se traduit par des améliorations significatives du rendement tout en préservant la compatibilité avec les configurations conventionnelles.

Cet article décrit brièvement les défis liés au rendement et à la configuration auxquels sont confrontés les concepteurs de convertisseurs abaisseurs polyphasés. Il présente ensuite les inductances couplées et les résultats expérimentaux validant les améliorations du rendement, et montre leur application dans les convertisseurs d'Analog Devices.

Défi de rendement des convertisseurs abaisseurs polyphasés conventionnels

Dans les systèmes de communication et de calcul à haute performance, les pertes de rendement dans la distribution de puissance peuvent avoir des impacts considérables sur le coût, la fiabilité et la gestion thermique du système. Les concepteurs de convertisseurs abaisseurs polyphasées conventionnels sont souvent confrontés à des défis à cet égard, en particulier en conditions de faible charge où les pertes CA et de commutation deviennent plus prononcées.

Dans le même temps, la configuration des étages de puissance et les contraintes mécaniques limitent les options disponibles pour améliorer les performances. Dans de nombreux systèmes, la marge de manœuvre pour augmenter la taille des composants est limitée, et les modifications de configuration des circuits imprimés peuvent ne pas être réalisables face aux stratégies d'empreinte courantes.

Par conséquent, les approches susceptibles d'améliorer le rendement sans nécessiter de modifications substantielles de l'architecture de puissance suscitent un vif intérêt. Idéalement, de telles solutions devraient conserver la même empreinte, permettre l'utilisation de la capacité de sortie (C_O) existante et maintenir les performances transitoires dans de nombreuses conditions de charge.

Les inductances couplées répondent à ces exigences en permettant la réduction de l'ondulation et l'amélioration des pertes de commutation, tout en conservant la même empreinte physique que les conceptions conventionnelles.

Comment les inductances couplées améliorent la conversion de puissance

Les inductances couplées offrent un moyen efficace d'améliorer le rendement des convertisseurs abaisseurs polyphasés sans avoir à modifier la configuration. Contrairement aux conceptions conventionnelles dans lesquelles chaque phase est électriquement indépendante, les inductances couplées partagent une structure magnétique standard qui permet l'interaction entre les phases.

Deux paramètres clés régissent cette interaction : l'inductance de fuite (L_k) et l'inductance mutuelle (L_m). L'inductance de fuite se comporte comme l'inductance de phase (L) dans les conceptions traditionnelles, tandis que l'inductance mutuelle introduit un couplage magnétique entre les phases. Lorsque le courant augmente dans une phase, il induit une tension dans les autres phases qui s'oppose à leur variation de courant, ce qui entraîne une annulation significative du courant ondulé.

Les Équations 1 et 2 définissent le courant ondulé attendu pour les conceptions d'inductances discrètes (DL) conventionnelles (dIL_DL) et les conceptions d'inductances couplées (dIL_CL). Ces courants dépendent des tensions d'entrée et de sortie (V_IN, V_O), des inductances L, L_k et L_m, de la fréquence de commutation (F_S) et d'un facteur de mérite (FOM).

 Équation 1

 Équation 2

Où :

ρ = coefficient de couplage = L_m/L

D = rapport cyclique

N_ph = nombre de phases couplées

L'Équation 3 présente les calculs du facteur de mérite. Cette équation capture l'étendue de l'annulation de l'ondulation en fonction de divers paramètres. Plus précisément, le facteur FOM dépend de ρ, N_ph et D.

 Équation 3

Où :

j = floor (D × N_ph)

Bien que le facteur de mérite dépende de nombreux facteurs, le coefficient de couplage ρ joue un rôle important. Pour illustrer ce point, il est utile de considérer un exemple pratique.

Évaluation du courant ondulé pour les inductances couplées

La Figure 1 illustre les valeurs FOM pour une application avec V_IN de 12 V et V_O de 1 V, avec D de ~0,083 et valeurs DL conventionnelles de 100 nH. Pour mettre à niveau cette conception vers une inductance couplée tout en conservant les performances transitoires avec la même capacité C_O, la valeur L_k pour l'inductance couplée doit être de 100 nH. Cela laisse L_m comme variable de conception. Des valeurs plus élevées de L_m conduisent à une ondulation plus faible, mais une valeur L_m conservatrice de 260 nH est suffisante pour atteindre la plupart des avantages souhaités.

Figure 1 : Valeurs FOM pour une inductance couplée à 4 phases pour différentes valeurs L_m/L_k en fonction de D. La région d'intérêt est mise en évidence. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Même avec cette conception assez conservatrice, la réduction de l'ondulation est suffisante pour permettre des fréquences de commutation plus basses. Cela est illustré à la Figure 2, qui compare l'ondulation de courant pour différentes configurations d'inductances et fréquences de commutation. Le graphique montre qu'une inductance couplée fonctionnant à 400 kHz maintient une ondulation plus faible qu'une conception conventionnelle à 800 kHz.

Figure 2 : Ondulation du courant pour DL = 100 nH (800 kHz) et CL = 4 × 100 nH (800 kHz, 400 kHz) pour V_IN = 12 V en fonction de V_O. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La réduction de la fréquence de commutation se traduit directement par une diminution des pertes de commutation, qui incluent les pertes de commutation des transistors, les pertes de temps de récupération dans les diodes de substrat MOSFET, les pertes de recouvrement inverse et les pertes d'attaque de grille. Ces pertes dépendantes de la fréquence diminuent proportionnellement à la réduction de la fréquence de commutation, résultant en des améliorations considérables du rendement.

Les gains de rendement sont plus visibles à faibles charges, où les pertes CA sont plus importantes en raison de leur nature fixe, quel que soit le courant de sortie. Cependant, les avantages s'étendent à la plage de charges complète. La Figure 3 montre les résultats expérimentaux comparant un système à 8 phases avec des inductances couplées à 400 kHz à une conception conventionnelle à 600 kHz, démontrant une amélioration d'environ 1 % au rendement de crête et de 0,5 % à pleine charge.

Figure 3 : Comparaison du rendement mesuré des conceptions DL à 8 phases = 100 nH (courbes en pointillés) et 2 × CL = 4 × 100 nH (courbes pleines) avec une empreinte commune. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Améliorer le rendement sans sacrifier la réponse transitoire

Il est à noter que ces améliorations de rendement sont obtenues sans compromettre les performances transitoires. La Figure 4 illustre le comportement transitoire d'un convertisseur abaisseur à 4 phases, en comparant les formes d'onde d'une conception à 8 phases avec des inductances discrètes (DL = 100 nH à 600 kHz) et une configuration utilisant deux inductances couplées, chacune servant 4 phases (2 × CL = 4 × 100 nH à 400 kHz) avec V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V pour des paliers de charge de 135 A. L'utilisation de la même vitesse de balayage et de la même valeur C_O donne des réponses transitoires comparables.

Figure 4 : Transitoires pour DL à 8 phases = 100 nH (600 kHz) et 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) pour V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V pour paliers de charge de 135 A ; même carte, même valeur C_O, même conditions. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Bien que la fréquence de commutation inférieure de l'inductance couplée puisse typiquement réduire la bande passante de rétroaction, deux facteurs contrebalancent cette limitation : les avantages inhérents à l'architecture polyphasée et la marge de phase améliorée fournie par la conception couplée. Cette amélioration de la marge de phase se produit parce que tous les courants de phase couplés réagissent simultanément lorsque le rapport cyclique change en réponse à un événement transitoire dans une phase.

La réduction des pertes se traduit par de meilleures performances thermiques, ce qui peut améliorer la fiabilité à long terme et potentiellement réduire les besoins de refroidissement dans les systèmes exposés à des contraintes thermiques. Tous ces avantages sont obtenus tout en maintenant la compatibilité avec les configurations existantes.

Sélection des composants pour les convertisseurs abaisseurs polyphasés

Pour mettre en œuvre un convertisseur abaisseur polyphasé efficace, il convient de prêter attention à trois composants clés : le contrôleur régulateur de tension, le circuit intégré de l'étage de puissance et l'inductance couplée. Le contrôleur gère la synchronisation et la temporisation des phases, l'étage de puissance gère la commutation à fort courant et l'inductance couplée permet l'annulation de l'ondulation, améliorant ainsi le rendement.

Pour le contrôleur, le MAX16602GGN+T d'Analog Devices (Figure 5) constitue un choix solide. Proposé en boîtier 56-QFN (7 mm × 7 mm), ce dispositif prend en charge un rail à 8 phases et un rail monophasé séparé. Les caractéristiques notables incluent le délestage de phase autonome, la télémétrie via PMBus, la protection et la journalisation des défauts intégrées et un régulateur de polarisation interne de 1,8 V. Ces fonctionnalités permettent un contrôle précis, un nombre réduit de composants et une réponse transitoire améliorée dans les systèmes de régulateurs de tension polyphasés.

Figure 5 : Le contrôleur régulateur de tension MAX16602GGN+T prend en charge jusqu'à 8 phases. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'étage de puissance peut être implémenté avec le MAX20790GFC+T d'Analog Devices (Figure 6). Cet étage de puissance intelligent intègre des MOSFET, des circuits d'attaque de grille et la détection du courant dans un seul boîtier 12-FC2QFN (3,25 mm × 7,4 mm). Fonctionnant sur une plage de fréquences de commutation de 300 kHz à 1,3 MHz, il permet aux concepteurs d'optimiser les performances des conceptions d'inductances couplées. Les fonctionnalités clés incluent la télémétrie et la signalisation des défauts via l'interface PMBus du contrôleur, ainsi que des fonctions d'autoprotection avancées.

Figure 6 : L'étage de puissance intelligent MAX20790GFC+T intègre des MOSFET, des circuits d'attaque de grille et la détection du courant dans un seul dispositif. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Un exemple d'inductance couplée appropriée est le CLB1108-4-50TR-R d'Eaton (Figure 7), qui intègre quatre phases de 50 nH étroitement couplées dans un seul boîtier. La construction de ce composant prend en charge un courant de saturation et des performances thermiques élevés, ce qui le rend parfaitement adapté aux charges de travail exigeantes de l'IA et des data centers.

Figure 7 : Le CLB1108-4-50TR-R est une inductance couplée de 4 x 50 nH. (Source de l'image : Eaton)

Dans une configuration typique, le contrôleur MAX16602 peut commander jusqu'à huit étages de puissance MAX20790, chaque phase de sortie étant connectée à l'enroulement correspondant d'une inductance couplée à 4 phases double. Par rapport aux conceptions conventionnelles, cette architecture offre des améliorations mesurables en termes de rendement énergétique tout en conservant la même empreinte physique et les mêmes performances transitoires.

Tester les conceptions d'inductances couplées avec du matériel d'évaluation

Pour les concepteurs souhaitant explorer les solutions d'inductances couplées, le kit d'évaluation MAX16602CL8EVKIT# d'Analog Devices (Figure 8) fournit une plateforme pratique pour le test et le développement. Cette carte est spécialement conçue pour démontrer les capacités du contrôleur MAX16602 et des circuits intégrés d'étage de puissance MAX20790 en conjonction avec des inductances couplées.

Figure 8 : Le kit MAX16602CL8EVKIT# permet d'explorer les conceptions de convertisseurs abaisseurs polyphasés. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le kit d'évaluation est une conception de référence pratique démontrant comment ces composants peuvent être intégrés efficacement. Il inclut tous les circuits nécessaires pour prendre en charge une solution de conversion de puissance à 8 phases et intègre des points de mesure complets permettant de surveiller les paramètres clés tels que la réponse transitoire.

Conclusion

Les inductances couplées offrent des avantages significatifs pour les conceptions de convertisseurs abaisseurs polyphasés. En introduisant une inductance mutuelle entre les phases, ces composants permettent une annulation substantielle du courant ondulé, ce qui se traduit par une réduction de la fréquence de commutation et une amélioration du rendement global. Il est important de noter que ces avantages peuvent être obtenus sans augmenter l'empreinte physique ni compromettre les performances transitoires. Associées à des jeux de puces de contrôleur et d'étage de puissance, ces solutions offrent une voie pratique aux concepteurs souhaitant passer de topologies conventionnelles à des alternatives à couplage magnétique plus efficaces.