Contrôle en mode courant et en mode tension pour la génération de signaux PWM dans les régulateurs à découpage CC/CC

Les convertisseurs de tension à découpage CC/CC (régulateurs) sont constitués de deux éléments : un contrôleur et un étage de puissance. L'étage de puissance inclut les éléments de commutation et convertit la tension d'entrée dans la sortie désirée. Le contrôleur supervise l'opération de commutation pour réguler la tension de sortie. Les deux sont liés par une boucle de rétroaction qui compare la tension de sortie réelle avec la sortie souhaitée pour dériver la tension d'erreur.

Le contrôleur est crucial pour la stabilité et la précision de l'alimentation, et pratiquement chaque conception utilise une technique de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour la régulation. Il existe deux méthodes principales pour générer un signal PWM : le contrôle en mode tension et le contrôle en mode courant. Le contrôle en mode tension est apparu en premier, mais ses inconvénients, tels qu'une réponse lente aux variations de charge et le gain de charge variant avec la tension d'entrée, a encouragé les ingénieurs à développer une méthode alternative basée sur le courant.

De nos jours, les ingénieurs ont le choix parmi de nombreux modules de puissance utilisant l'une ou l'autre technique. Ces produits intègrent une technologie permettant de surmonter les faiblesses majeures des générations précédentes.

Cet article décrit les techniques de contrôle en mode tension et en mode courant pour la génération de signaux PWM dans les régulateurs à découpage, et l'utilisation la plus appropriée de chaque application.

Contrôle en mode tension

Les concepteurs chargés de concevoir une alimentation peuvent construire une unité avec des composants discrets (voir l'article TechZone relatif au choix entre une conception modulaire et une conception discrète pour les régulateurs de tension CC/CC), des composants de puissance et un contrôleur séparé, ou des modules d'alimentation intégrant les deux éléments dans une seule puce.

Mais quelle que soit la technique employée, il existe une forte probabilité que la régulation utilise une technique PWM de fréquence fixe (généralement). (Une fréquence de commutation constante est souhaitable car elle limite les interférences électromagnétiques (EMI) générées par l'alimentation.)

Dans un régulateur contrôlé en mode tension, le signal PWM est généré en appliquant une tension de commande (V_C) à une entrée de comparateur, et une tension en dents de scie (V_ramp) (ou rampe PWM) de fréquence fixe, générée par l'horloge, à l'autre (Figure 1).


Figure 1 : Générateur PWM pour régulateur à découpage (avec l'autorisation de Texas Instruments)

Le rapport cyclique du signal PWM est proportionnel à la tension de commande et détermine le pourcentage de temps que l'élément de commutation conduit et donc, à son tour, la tension de sortie (voir l'article TechZone relatif à l'utilisation de PFM pour améliorer le rendement des régulateurs à découpage CC/CC à faibles charges). La tension de commande est dérivée de la différence entre la tension de sortie réelle et la tension de sortie désirée (ou tension de référence).

Le gain de modulateur Fm est défini comme changement de tension de commande causant l'augmentation du rapport cyclique de 0 à 100 % (F_m = d/V_C = 1/V_ramp).¹

La Figure 2 montre les éléments d'un régulateur à découpage typique. L'étage de puissance inclut un commutateur, une diode, une inductance, un transformateur (pour les conceptions isolées), et des condensateurs d'entrée/de sortie. Cet étage convertit la tension d'entrée (VIN) dans la tension de sortie (VO). La section de contrôle du régulateur de tension inclut un amplificateur d'erreur avec la tension de référence (égale à la sortie souhaitée) sur une entrée et la sortie depuis un diviseur de tension sur l'autre. Le diviseur de tension est alimenté depuis une trace de contre-réaction de la sortie. La sortie de l'amplificateur d'erreur fournit la tension de commande (V_C ou tension d'erreur) qui forme une entrée au comparateur PWM.²


Figure 2 : Étage de puissance et section de contrôle d'un régulateur à découpage à contrôle en mode tension (avec l'autorisation de Microsemi)

Les avantages du contrôle en mode tension incluent : une boucle de rétroaction simple simplifiant la conception et l'analyse du circuit, l'utilisation d'une forme d'onde de rampe à grande amplitude offrant une marge de bruit correcte pour un processus de modulation stable, et une sortie de puissance à faible impédance offrant une meilleure inter-régulation pour les alimentations à plusieurs sorties.

Mais la technique présente des inconvénients notables. Par exemple, les variations de charge doivent d'abord être détectées en tant que changement de sortie, puis corrigées par la boucle de rétroaction, résultant en une réponse lente. Le filtre de sortie complique la compensation de circuit, qui peut être compliquée davantage en raison de la variation du gain de boucle avec la tension d'entrée.

Contrôle en mode courant

Au début des années 1980, les ingénieurs ont développé une technique de régulateur à découpage alternative pour corriger les faiblesses de la méthode de contrôle en mode tension. Appelée contrôle en mode courant, cette technique dérive la rampe PWM en ajoutant une deuxième boucle pour alimenter le courant d'inductance. Ce signal de rétroaction comprend deux parties : le courant ondulé CA, et la valeur moyenne ou CC du courant d'inductance. Une forme amplifiée du signal est routée vers une entrée du comparateur PWM tandis que la tension d'erreur forme l'autre entrée. Comme avec la méthode de contrôle en mode tension, l'horloge système détermine la fréquence du signal PWM (Figure 3).


Figure 3 : Régulateur à découpage à contrôle en mode courant. Ici la rampe PWM est générée à partir d'un signal dérivé du courant d'inductance de sortie. (Avec l'autorisation de Texas Instruments)

Le contrôle en mode courant résout le problème de réponse lente du contrôle en mode tension, car le courant d'inductance augmente avec une pente déterminée par la différence entre les tensions d'entrée et de sortie, et par conséquent répond immédiatement aux changements de tensions de charge ou de ligne. Un autre avantage est que le contrôle en mode courant élimine la variation de gain de boucle avec le défaut de tension d'entrée de la méthode de contrôle en mode tension.

De plus, dans la mesure où, dans un circuit de contrôle en mode courant, l'amplificateur d'erreur commande un courant de sortie plutôt qu'une tension, l'effet de l'inductance de sortie sur la réponse du circuit est réduit et la compensation est facilitée. Le circuit affiche également une bande passante à gain plus élevé par rapport à un dispositif à contrôle en mode tension.

Les avantages supplémentaires du contrôle en mode courant incluent une limitation de courant impulsion-à-impulsion inhérente en bloquant la commande de l'amplificateur d'erreur et permettant le partage de charge simplifié lorsque plusieurs blocs d'alimentation sont utilisés en parallèle.

Durant un temps, le contrôle en mode courant a semblé reléguer le contrôle en mode tension aux oubliettes. Cependant, même si cela a pris un peu de temps, les ingénieurs ont découvert que les régulateurs à contrôle en mode courant apportaient leurs propres défis.

L'un des inconvénients majeurs est que l'analyse des circuits est difficile car la topologie du régulateur inclut deux boucles de rétroaction. Une deuxième complication est l'instabilité de la boucle de commande intérieure (transportant le signal de courant d'inductance) à des rapports cycliques supérieurs à 50 %. Un défi additionnel est dû au fait que, parce que la boucle de commande est dérivée du courant de sortie d'inductance, les résonances de l'étage de puissance peuvent introduire du bruit dans la boucle de commande intérieure.³

La limitation d'un régulateur à contrôle en mode courant à des rapports cycliques inférieurs à 50 % impose de sérieuses limitations sur la tension d'entrée du dispositif. Heureusement, le problème d'instabilité peut être résolu en « injectant » une petite quantité de compensation de pente dans la boucle intérieure. Cette technique garantit le fonctionnement stable pour toutes les valeurs du rapport cyclique PWM.

La compensation de pente est réalisée en soustrayant une forme d'onde de tension en dents de scie (s'exécutant à la fréquence d'horloge) de la sortie de l'amplificateur d'erreur. Alternativement, la tension de pente de compensation peut être ajoutée directement au signal de courant d'inductance (Figure 4).


Figure 4 : Régulateur à contrôle en mode courant avec compensation de pente (avec l'autorisation de Texas Instruments)

L'analyse mathématique montre que pour garantir la stabilité de la boucle de courant, la pente de la rampe de compensation doit être supérieure à la moitié de la pente descendante de la forme d'onde de courant.⁴

De nombreux régulateurs à contrôle en mode courant sont disponibles. Microsemi, par exemple, propose le régulateur abaisseur (dévolteur) synchrone NX7102 avec contrôle en mode courant. La puce accepte une plage de tensions d'entrée de 4,75 V à 18 V et offre une sortie ajustable de seulement 0,925 V. Le courant de sortie maximal est de 3 A et le rendement de crête se situe entre 90 et 95 % selon la tension d'entrée.

Pour sa part, Texas Instruments offre un vaste choix de régulateurs à contrôle en mode courant. Un exemple est le TPS63060, un régulateur abaisseur-élévateur (dévolteur/survolteur) synchrone de 2,4 MHz fournissant une sortie de 2,5 V à 8 V (à jusqu'à 1 A) depuis une alimentation de 2,5 V à 12 V. Le dispositif offre un rendement atteignant 93 %, et il est destiné aux applications mobiles, telles que les ordinateurs portables et l'équipement de mesure industrielle.

STMicroelectronics propose également une sélection de dispositifs à contrôle en mode courant, notamment le STBB2. Il s'agit d'un régulateur abaisseur-élévateur synchrone de 2,5 MHz fournissant une sortie de 2,9 V ou 3,4 V à partir d'une entrée de 2,4 V à 5,5 V. Le dispositif peut fournir jusqu'à 800 mA à un rendement de 90 %, et il est disponible en boîtier BGA.

Résurgence du mode tension

On constate en consultant les catalogues de certains fournisseurs que les régulateurs à contrôle en mode tension n'ont pas disparu. La raison à cela est que les principales faiblesses des dispositifs de la génération précédente ont été résolues en utilisant une technique appelée régulation de tension par anticipation.

La régulation de tension par anticipation est effectuée en modifiant la pente de la forme d'onde de rampe PWM avec une tension proportionnelle à la tension d'entrée. Cela permet une modulation du rapport cyclique correspondante et correctrice de la boucle de rétroaction.

La technique améliore la réponse du circuit aux transitoires de charge et de ligne tout en éliminant la sensibilité à la présence d'un filtre d'entrée. La régulation de tension par anticipation permet également de stabiliser le gain de boucle de manière à ce qu'il ne varie plus avec la tension d'entrée. La complexité accrue du circuit, avec l'ajout d'un capteur pour détecter la tension d'entrée, constitue un inconvénient mineur.

Les ingénieurs peuvent choisir parmi une variété de régulateurs à contrôle en mode tension des principaux fournisseurs. Par exemple, Maxim offre plusieurs dispositifs à contrôle en mode tension, notamment le MAX5073. Ce régulateur à découpage est un dispositif abaisseur-élévateur de 2,2 MHz fonctionnant à partir d'une alimentation de 5,5 V à 23 V, et il génère une sortie de 0,8 V à 28 V. En mode abaisseur, ce régulateur peut délivrer jusqu'à 2 A.

De même, Intersil propose le dispositif ISL9110A, un régulateur à découpage de 2,5 MHz avec contrôle en mode tension. Ce dispositif fonctionne depuis une plage de tensions d'entrée de 1,8 V à 5,5 V, et fournit une sortie de 3,3 V à 1,2 A et un rendement de 95 %.

De son côté, International Rectifier propose le dispositif IR3891, un régulateur abaisseur à contrôle en mode tension avec une vaste plage de tensions d'entrée de 1 V à 21 V, et une plage de tensions de sortie de 0,5 V à 18,06 V. La puce affiche une plage de fréquences de commutation de 300 KHz à 1,5 MHz et peut fournir jusqu'à 4 A. L'IR3891 est doté de deux sorties.

Choix de technologies

Presque tous les régulateurs à découpage utilisent le contrôle PWM pour les éléments de commutation. Le signal PWM est généré depuis une tension de commande (dérivée en soustrayant la tension de sortie de la tension de référence) combinée avec une forme d'onde en dents de scie s'exécutant à la fréquence d'horloge pour le régulateur en mode tension, ou en ajoutant une deuxième boucle alimentant le courant d'inductance pour le type en mode courant. Les dispositifs modernes ont permis de largement surmonter les inconvénients majeurs des anciennes conceptions en utilisant des techniques telles que la régulation de tension par anticipation pour les conceptions en mode tension, et la compensation de pente pour les unités en mode courant.

Grâce à ces innovations, les ingénieurs bénéficient d'un plus vaste choix pour les deux types de topologie. Les régulateurs à découpage à contrôle en mode tension sont recommandés lorsque de grandes variations de lignes d'entrée ou de charges de sortie sont possibles, en conditions de faibles charges (lorsqu'une pente de rampe de contrôle en mode courant est trop faible pour un fonctionnement PWM stable), dans les applications bruyantes (lorsque le bruit de l'étage de puissance passe dans la boucle de rétroaction de contrôle en mode courant), et lorsque plusieurs tensions de sortie sont requises pour une inter-régulation correcte.

Les dispositifs à contrôle en mode courant sont recommandés pour les applications dans lesquelles la sortie d'alimentation présente un fort courant ou une très haute tension, une réponse dynamique très rapide est requise à une fréquence particulière, les variations de tension d'entrée sont limitées, et dans les applications dans lesquelles les coûts et le nombre de composants doivent être réduits.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages d'informations produits sur le site Web de DigiKey.

Références :

1. Understanding and Applying Current-Mode Control Theory - Practical Design Guide for Fixed-Frequency, Continuous Conduction-Mode Operation, Robert Sheehan, National Semiconductor, octobre 2007.
2. Voltage-Mode, Current-Mode (and Hysteretic Control), Sanjaya Maniktala, Microsemi, TN-203, 2012.
3. Switching Power Supply Topology Voltage Mode vs. Current Mode, Robert Mammano, Unitrode, DN-62, juin 1994.
4. Modelling, Analysis and Compensation of the Current-Mode Converter, Texas Instruments, U-97, 1999.