Utiliser des régulateurs à découpage à faibles EMI pour optimiser les conceptions d'alimentation haut rendement

Pour les concepteurs qui implémentent un système alimenté par batterie ou à puissance distribuée, il s'agit souvent de savoir s'il faut utiliser un régulateur à faible chute de tension (LDO) ou un régulateur à découpage. Les régulateurs à découpage offrent un rendement plus élevé, ce qui est toujours utile, en particulier pour les produits alimentés par batterie. Les interférences électromagnétiques (EMI) constituent le principal compromis des transistors d'alimentation à commutation rapide, un problème qui est d'autant plus problématique dans les conceptions hautement intégrées et compactes.

Les circuits de filtrage d'entrée et de sortie atténuent les effets des EMI, mais augmentent le coût, l'empreinte des circuits et leur complexité. Ces problèmes sont traités par une nouvelle génération de régulateurs à découpage modulaires intégrés qui offrent diverses techniques intégrées pour limiter les EMI sans compromettre les performances ni le rendement du régulateur.

Cet article décrit brièvement les avantages des régulateurs à découpage dans les conceptions portables et l'importance des circuits de filtrage. Il présente ensuite des exemples de régulateurs à découpage avec filtres EMI intégrés d'Allegro Microsystems, d'Analog Devices et de Maxim Integrated, et explique comment les utiliser pour simplifier la distribution de puissance.

Pourquoi utiliser des régulateurs à découpage dans des conceptions portables ?

Un rendement élevé, une faible dissipation de puissance (atténuant les problèmes de gestion thermique) et une densité de puissance élevée sont les principales raisons de choisir un régulateur à découpage au lieu d'un LDO. Le rendement des modules de régulateurs à découpage commerciaux (c'est-à-dire puissance de sortie/puissance d'entrée x 100) est typiquement d'environ 90 % à 95 % sur la plupart de la plage de charges, qui est bien mieux que celui d'un LDO équivalent. De plus, les régulateurs à découpage sont plus flexibles que les LDO, car ils permettent d'élever, d'abaisser et d'inverser les tensions.

Le cœur d'un régulateur à découpage est un élément de commutation à modulation de largeur d'impulsion (PWM) comprenant un ou deux transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOSFET) couplés à une ou deux inductances pour le stockage d'énergie. La fréquence de fonctionnement du régulateur détermine le nombre de cycles de commutation par unité de temps, tandis que le rapport cyclique du signal PWM (D) détermine la tension de sortie (grâce à la formule V_OUT = D × V_IN).

Bien que leur haut rendement soit un avantage dans les conceptions portables, les régulateurs à découpage présentent un certain nombre de compromis. Ils concernent le coût, la complexité, la taille, la réponse lente aux transitoires de charge et le faible rendement à faible charge, bien que ce dernier s'améliore. L'autre défi majeur de conception est de traiter les EMI générées par la commutation du ou des transistors de puissance. La commutation provoque un dépassement de la tension et du courant dans d'autres composants du circuit, ce qui entraîne une ondulation du courant et de la tension d'entrée et de sortie, ainsi que des pointes d'énergie transitoires à la fréquence de commutation (et aux multiples qui y sont associés). L'ondulation de tension culmine à la fin de la période « d'activation » PWM (Figure 1).

Figure 1 : Un tracé de l'ondulation de la tension de sortie d'un régulateur de tension à découpage montre les pointes transitoires qui constituent une source majeure d'EMI. (Source de l'image : Analog Devices)

Gérer les interférences électromagnétiques

Un moyen éprouvé de réduire les EMI causées par la commutation des FET de puissance dans un régulateur consiste à ajouter des circuits d'amortissement résistance-condensateur (R-C) à l'entrée et aux sorties. Ces circuits aident à filtrer les pointes d'énergie et à atténuer l'ondulation de la tension et du courant, et donc les EMI. Une bonne cible pour une alimentation à découpage bien conçue avec une sortie de 2 V à 5 V est une ondulation de tension crête-à-crête comprise entre 10 mV et 50 mV et des pointes transitoires minimales.

La sélection des composants pour les circuits de filtrage, en particulier les condensateurs de type bulk d'entrée et de sortie, est une entreprise délicate impliquant les compromis de la taille et du coût des composants (et de l'impact sur la réponse transitoire et la compensation de boucle du régulateur) contre l'ondulation du courant et de la tension crête-à-crête, et l'atténuation des EMI.

Pour bien commencer, il est possible de recourir à certaines techniques établies basées sur des équations clés. L'ondulation de la tension d'entrée comprend ΔV_Q (généré par la décharge du condensateur d'entrée) et ΔV_ESR (généré par la résistance série équivalente [ESR] du condensateur d'entrée). Pour une ondulation de tension crête-à-crête maximale spécifiée à l'entrée, il est possible d'estimer la capacité d'entrée requise (C_IN) et la résistance série équivalente du condensateur bulk à partir de l'équation 1 et de l'équation 2, respectivement :

Équation 1

Et :

Équation 2

Où :

I_LOAD(MAX) est le courant de sortie maximal

ΔI_p-p est le courant d'inductance crête-à-crête

V_IN est la tension d'alimentation d'entrée

V_OUT est la tension de sortie du régulateur

f_SW est la fréquence de commutation

De même, pour une ondulation de tension crête-à-crête maximale spécifiée à la sortie, la capacité et la résistance série équivalente du condensateur bulk peuvent être déterminées à partir de l'équation 3 et de l'équation 4, respectivement :

Équation 3

Et :

Équation 4

Il est important de noter que ΔV_ESR et ΔV_Q ne sont pas directement cumulatifs puisqu'ils sont déphasés l'un par rapport à l'autre. Si un concepteur sélectionne des condensateurs céramique (qui ont généralement une faible résistance série équivalente), alors ΔV_Q domine. Si le choix se porte sur des condensateurs électrolytiques, alors ΔV_ESR domine.

Les valeurs sélectionnées pour la capacité de sortie et de la résistance série équivalente sont également influencées par l'écart acceptable de la tension de sortie par rapport à la sortie souhaitée pendant les transitoires de charge rapides. Plus précisément, le condensateur de sortie doit pouvoir prendre en charge le courant de charge pendant le transitoire jusqu'à ce que le contrôleur du régulateur réponde en augmentant le rapport cyclique PWM. Pour calculer la capacité de sortie requise et la résistance série équivalente pour un écart de sortie minimal pendant une étape de charge, utilisez respectivement l'équation 5 et l'équation 6 :

Équation 5

Et :

Équation 6

Où :

I_STEP est l'étape de charge

t_RESPONSE est le temps de réponse du contrôleur

Mais même si ces calculs aident à affiner la sélection des composants appropriés pour gérer les ondulations de tension et de courant ainsi que les pointes transitoires, le concepteur doit également prendre en compte la dissipation de puissance au niveau du condensateur (P_CAP). Elle peut être calculée grâce à l'équation suivante :

Où I_RMS est le courant ondulé d'entrée efficace.

Cette équation montre que pour une résistance série équivalente donnée, l'augmentation de la température interne est proportionnelle au carré du courant ondulé. Si le dispositif est utilisé pour atténuer un courant ondulé important, il peut chauffer sensiblement. S'il n'est pas possible d'évacuer cette chaleur rapidement, l'électrolyte du condensateur s'évapore progressivement et ses performances diminuent jusqu'à provoquer une défaillance. Pour éviter ce problème, l'ingénieur doit sélectionner un dispositif plus grand et plus coûteux avec une surface de dissipation thermique plus étendue que ce qui est normalement requis.

Options de régulateur à faibles EMI

Bien que le filtrage d'entrée et de sortie puisse atténuer l'ondulation de la tension et du courant, il est conseillé de sélectionner un régulateur à découpage qui répond aux spécifications tout en réduisant la hauteur d'ondulation crête-à-crête. Ce faisant, la contrainte exercée sur les condensateurs de filtrage due à la dissipation de puissance peut être réduite, permettant ainsi l'utilisation de dispositifs plus compacts et moins chers.

Une technique pour réduire l'ondulation de la tension et du courant consiste à utiliser un schéma de contrôle en mode tension. Dans ce schéma, le signal PWM est généré en appliquant une tension de commande à une entrée de comparateur et une tension en dents de scie générée par horloge (ou « rampe PWM ») à fréquence fixe à l'autre. Cette technique est plus efficace pour réduire les EMI que le schéma de contrôle en mode courant alternatif, qui est susceptible de renforcer les EMI étant donné que le bruit de l'étage de puissance parvient généralement à se frayer un chemin dans la boucle de rétroaction de contrôle. (Voir Contrôle en mode courant et en mode tension pour la génération de signaux PWM dans les régulateurs à découpage CC/CC dans la bibliothèque d'articles de DigiKey.)

En plus d'envisager le contrôle en mode tension, plusieurs fournisseurs de composants au silicium proposent un certain nombre d'approches pour aider à réduire en interne l'amplitude de l'ondulation de la tension et du courant. Le convertisseur abaisseur synchrone A8660 d'Allegro Microsystems en est un exemple. Il s'agit d'un dispositif haut de gamme avec qualification automobile AEC-Q100. Le régulateur fonctionne à partir d'une entrée (V_IN) de 0,3 V à 50 V et offre une plage de tensions de sortie ajustable de 3 V à 45 V. Le dispositif présente une fréquence de base programmable (f_OSC) de 200 kilohertz (kHz) à 2,2 mégahertz (MHz). L'A8660 offre également une gamme de fonctionnalités de protection, notamment une récupération progressive après chute de tension pour éliminer tout dépassement de V_OUT et toute pointe de tension indésirable.

La clé de la capacité du régulateur à réduire les EMI repose dans une technique appelée « activation de fréquence de base PWM ». Lorsque cette technique est utilisée, un « balayage d'activation » réglé en interne modifie systématiquement la fréquence f_OSC de ±10 %, répartissant ainsi l'énergie autour de la fréquence de commutation. La fréquence de modulation d'activation (f_MOD) balaie un schéma triangulaire fonctionnant à 12 kHz.

Une comparaison des émissions conduites et rayonnées de l'A8660 avec la technique d'activation utilisée et non utilisée est illustrée à la Figure 2. La disposition des composants externes et de la carte à circuit imprimé des deux configurations de test est identique.

Figure 2 : Comparaison des émissions rayonnées d'un régulateur à découpage utilisant une fréquence de base fixe (rouge) par rapport à un régulateur utilisant l'activation de fréquence (bleu). Paramètres opérationnels : f_OSC = 2,2 MHz, V_IN = 12 V, V_OUT = 3,3 V, charge = 3 A. (Source de l'image : Allegro Microsystems)

Pour les conceptions qui utilisent une fréquence de fonctionnement inférieure à la bande radio AM (f_OSC < 520 kHz), l'entrée de synchronisation de l'A8660 peut être utilisée pour décaler la fréquence f_OSC et ses harmoniques afin de réduire davantage les EMI. Pour ce faire, il convient de connecter une horloge externe à la broche SYNC_IN et d'augmenter la fréquence de base de l'A8660 de 1,2 à 1,5 × f_OSC.

Le contrôleur abaisseur/élévateur synchrone LT8210IFE d'Analog Devices présente également un schéma de modulation de fréquence triangulaire. Dans ce cas, le LT8210IFE répartit lentement f_SW entre la fréquence nominale réglée et 112,5 % de cette valeur, avant de revenir à la valeur nominale.

En outre, le dispositif offre une fonction « Pass-Thru » qui suspend la commutation, ce qui contribue à réduire les EMI et à augmenter le rendement en éliminant les pertes de commutation. Le régulateur a une plage d'entrée de 2,8 V à 100 V avec une sortie de 1 V à 100 V. La précision de la tension de sortie est de ±1,25 % et il existe une protection contre les entrées inversées jusqu'à -40 V.

Lorsque le mode Pass-Thru est activé, les boucles de régulation abaisseur-élévateur du régulateur fonctionnent indépendamment. Des amplificateurs d'erreur distincts sont utilisés pour créer la fenêtre Pass-Thru en définissant la tension de sortie programmée pour la régulation de type abaisseur, V_OUT(BUCK), plus élevée que la tension de sortie programmée pour le type élévateur, V_OUT(BOOST). L'impact du mode Pass-Thru sur l'ondulation de la tension de sortie est illustré (Figure 3).

Figure 3 : En mode Pass-Thru, le régulateur LT8210 offre une ondulation de tension de sortie réduite (tracé bleu) à partir d'une source d'entrée bruyante (tracé rouge). (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsque V_IN se situe entre V_OUT(BOOST) et V_OUT(BUCK), la tension de sortie suit l'entrée. Une fois que V_OUT atteint un niveau proche de V_IN, le LT8210 entre dans un état basse consommation (Pass-Thru) où les commutateurs A et D sont activés en continu, et les commutateurs B et C sont désactivés. Si V_OUT dépasse V_IN d'un pourcentage défini, les commutateurs A, C et D sont désactivés, et la sortie n'est reconnectée qu'après s'être déchargée pour revenir à un niveau presque égal à V_IN. Si un transitoire de ligne positif se produit dans la fenêtre Pass-Thru (sans commutation), suite auquel V_IN dépasse V_OUT d'un pourcentage défini, la commutation recommence pour éviter des oscillations de grande amplitude du courant d'inductance. La sortie est amenée au niveau de la tension d'entrée d'une manière similaire à un démarrage progressif, et les commutateurs A et D sont réactivés en continu une fois que V_OUT atteint un niveau proche de V_IN. La Figure 4 montre la topologie de commutation.

Figure 4 : Commutateurs du régulateur LT8210. En mode Pass-Thru, les commutateurs A et D sont activés en continu, et les commutateurs B et C sont désactivés. (Source de l'image : Analog Devices)

De son côté, Maxim Integrated propose le régulateur à découpage abaisseur MAX15021ATI+T à faible EMI. Il fonctionne à partir d'une entrée de 2,5 V à 5,5 V et possède deux sorties, chacune pouvant être ajustée de 0,6 V jusqu'à l'ordre de grandeur de l'alimentation d'entrée. La fréquence de base du régulateur peut être réglée de 500 kHz à 4 MHz à l'aide d'une seule résistance.

En plus de prendre en charge un schéma de contrôle en mode tension pour aider à limiter l'ondulation de la tension, le MAX15021 permet le fonctionnement des régulateurs en utilisant un cadencement à 180° hors phase (Figure 5). Associée à l'option de commutation à des fréquences allant jusqu'à 4 MHz, cette capacité réduit considérablement le courant ondulé d'entrée efficace. La réduction du courant d'entrée de crête qui en découle (et l'augmentation de la fréquence d'ondulation) réduit la quantité requise de capacité de dérivation d'entrée et donc la taille du condensateur.

Figure 5 : Les doubles régulateurs du MAX15021 fonctionnent à 180° hors phase pour limiter les EMI. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Conclusion

Les régulateurs à découpage modulaires constituent une bonne option pour la régulation de tension lorsqu'un rendement élevé est primordial. Cependant, les compromis par rapport aux solutions alternatives comme les LDO incluent l'ondulation de la tension et du courant, ainsi que des pointes de tension transitoires générées par les éléments de commutation du régulateur. Non filtré, ce bruit peut entraîner des EMI qui peuvent perturber les puces sensibles à proximité du régulateur.

Des techniques de conception établies (comme l'utilisation de circuits de filtrage d'entrée et de sortie) peuvent atténuer les EMI, mais nécessitent des condensateurs volumineux pour faire face aux pointes transitoires et aux ondulations importantes. Ces condensateurs peuvent également dissiper énormément de puissance, ce qui peut entraîner une surchauffe des composants.

À la place, les ingénieurs ont désormais accès à une nouvelle génération de régulateurs à découpage modulaires avec des capacités intégrées pour réduire l'ondulation de la tension et du courant ainsi que les pointes transitoires, afin de contribuer à limiter les EMI avant même l'ajout de circuits de filtrage. L'utilisation de ces régulateurs dans leurs conceptions permet aux ingénieurs de réduire les dimensions des condensateurs d'entrée et de sortie, et de réduire la taille et le coût des circuits de filtrage.