Pourquoi et comment utiliser des convertisseurs CC/CC abaisseurs synchrones pour optimiser la conversion descendante

La nécessité d'abaisser les hautes tensions de bus à des tensions inférieures pour alimenter les circuits intégrés et d'autres charges augmente dans une variété de systèmes, y compris l'automobile, l'automatisation industrielle, les télécommunications, l'informatique, les produits blancs et l'électronique grand public. Le défi pour les concepteurs est d'exécuter cette conversion descendante avec un rendement maximal et une charge thermique minimale, à un faible coût et dans la solution la plus compacte possible.

Les convertisseurs abaisseurs asynchrones conventionnels offrent une solution potentiellement peu coûteuse, mais avec des rendements de conversion plus faibles qui ne répondent pas aux besoins de nombreux systèmes électroniques. Les concepteurs peuvent se tourner vers les convertisseurs CC/CC synchrones et les contrôleurs CC/CC synchrones pour développer des solutions compactes offrant un haut rendement.

Cet article décrit brièvement les exigences de performances des systèmes électroniques pour la conversion CC/CC haut rendement et examine les différences entre les convertisseurs CC/CC asynchrones et synchrones. Il présente ensuite plusieurs options de conceptions de convertisseurs CC/CC synchrones de Diodes, Inc, STMicroelectronics et ON Semiconductor, ainsi que des cartes d'évaluation et des conseils de conception qui peuvent dynamiser le développement de solutions haut rendement.

Pourquoi les convertisseurs CC/CC synchrones sont-ils nécessaires

Les exigences croissantes en matière de plus haut rendement dans tous les types de systèmes électroniques, combinées à la complexité grandissante des systèmes, entraînent une évolution correspondante des architectures des systèmes d'alimentation et des topologies de conversion de puissance. Avec un nombre accru de domaines de tension indépendants pour prendre en charge des fonctionnalités croissantes, les architectures de puissance distribuée (DPA) sont utilisées dans de plus en plus de systèmes électroniques.

Au lieu d'avoir plusieurs alimentations isolées pour commander les différentes charges, une architecture de puissance distribuée présente une seule alimentation CA/CC isolée qui produit une tension de distribution relativement élevée, et plusieurs convertisseurs abaisseurs plus petits qui convertissent la tension de distribution en une tension plus basse selon les besoins de chaque charge individuelle (Figure 1). L'utilisation de plusieurs convertisseurs abaisseurs offre les avantages d'un format plus compact, d'un rendement plus élevé et de performances supérieures.

Figure 1 : Architecture de puissance distribuée montrant l'alimentation CA/CC isolée principale (frontale) et les multiples convertisseurs CC/CC non isolés alimentant les charges basse tension. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le processus de sélection entre des convertisseurs abaisseurs asynchrones et synchrones repose sur des compromis entre coût et rendement. Si le coût de la solution doit être le plus faible possible et qu'un rendement moindre et une charge thermique plus élevée sont acceptables, une solution de type abaisseur asynchrone peut être préférée. En revanche, si le rendement est la priorité et qu'une solution à fonctionnement plus froid est privilégiée, un convertisseur abaisseur synchrone plus coûteux constitue généralement le meilleur choix.

Comparaison des convertisseurs abaisseurs synchrones et asynchrones

La Figure 2 illustre une application typique de convertisseur abaisseur asynchrone. Le LM2595 d'ON Semiconductor est un circuit intégré monolithique qui inclut le commutateur principal et le circuit de commande. Il est compensé en interne pour minimiser le nombre de composants externes et simplifier la conception de l'alimentation. Il fournit un rendement de conversion typique de 81 % et dissipe 19 % de l'énergie sous forme de chaleur, tandis qu'un dispositif abaisseur synchrone aura un rendement de conversion typique d'environ 90 %, ne dissipant que 10 % de l'énergie sous forme de chaleur. Cela signifie que les pertes thermiques dans un convertisseur abaisseur asynchrone sont presque deux fois plus importantes que les pertes thermiques dans un convertisseur abaisseur synchrone. Par conséquent, l'utilisation d'un convertisseur abaisseur synchrone simplifie considérablement les défis de gestion thermique en réduisant la quantité de chaleur générée.

Figure 2 : Application typique d'un convertisseur abaisseur asynchrone montrant le redresseur de sortie (D1), le filtre de sortie (L1 et Cout), et le réseau de rétroaction (Cff, R1 et R2). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Dans un convertisseur abaisseur synchrone, tel que le ST1PS01 de STMicroelectronics, le redresseur de sortie est remplacé par un redressement MOSFET synchrone (Figure 3). La résistance à l'état passant plus faible du MOSFET synchrone par rapport au redresseur de sortie dans un convertisseur abaisseur asynchrone réduit les pertes et se traduit par des rendements de conversion nettement plus élevés. Le MOSFET synchrone est interne au circuit intégré, ce qui élimine le recours à une diode de redressement externe.

Figure 3 : Circuit d'application abaisseur synchrone montrant l'élimination de la diode de redressement de sortie externe. Le filtrage de sortie et les composants de rétroaction sont toujours requis. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le rendement supérieur et la charge thermique inférieure rendus possibles par un convertisseur abaisseur synchrone ont un coût. Avec un seul MOSFET de commutation de puissance et une diode pour le redressement, les contrôleurs de convertisseurs abaisseurs asynchrones sont beaucoup plus simples (et plus petits) car ils n'ont pas à gérer la possibilité d'interconduction ou de shoot-through, et il n'y a pas de FET synchrone à contrôler. Une topologie de type abaisseur synchrone nécessite un circuit d'attaque et des circuits anti-interconduction plus complexes pour contrôler les deux commutateurs (Figure 4). S'assurer que les deux MOSFET ne s'activent pas en même temps et ne créent un court-circuit direct exige une plus grande complexité et se traduit par des circuits intégrés plus grands et plus chers.

Figure 4 : Schéma fonctionnel du circuit intégré de convertisseur abaisseur synchrone montrant les deux MOSFET intégrés (à côté de la broche marquée « SW ») et les circuits d'attaque et anti-interconduction ajoutés. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Bien que les convertisseurs abaisseurs synchrones contrôlés par modulation de largeur d'impulsion soient plus efficaces en conditions de charge modérée ou pleine charge, les convertisseurs abaisseurs asynchrones offrent souvent des rendements de conversion plus élevés dans des conditions de faible charge. Cependant, c'est de moins en moins le cas, car les dernières implémentations de convertisseurs abaisseurs synchrones incluent plusieurs modes de fonctionnement qui permettent aux concepteurs d'optimiser les rendements à faible charge.

Convertisseurs abaisseurs synchrones pour la distribution d'alimentation 5 et 12 volts

Pour les concepteurs qui utilisent la distribution d'alimentation 5 volts (V) et 12 V dans les produits grand public et les produits blancs, Diodes, Inc. propose l'AP62600, un convertisseur abaisseur synchrone de 6 ampères (A) avec une vaste plage d'entrée de 4,5 V à 18 V. Le dispositif intègre un MOSFET de puissance haut potentiel de 36 milliohms (mΩ) et un MOSFET de puissance bas potentiel de 14 mΩ pour fournir une conversion CC/CC de type abaisseur haut rendement.

L'AP62600 ne requiert qu'un nombre minimum de composants externes en raison de son contrôle à temps constant (COT). Il fournit également une réponse transitoire rapide, une stabilisation de boucle facile et une faible ondulation de la tension de sortie. La conception de l'AP62600 est optimisée pour la réduction des interférences électromagnétiques (EMI). Le dispositif présente un schéma de circuit d'attaque de grille propriétaire afin de résister à l'oscillation des nœuds de commutation sans sacrifier les temps d'activation et de désactivation des MOSFET, ce qui réduit le bruit EMI rayonné haute fréquence causé par la commutation des MOSFET. Le dispositif est disponible en boîtier V-QFN2030-12 (Type A).

Un indicateur Power-Good alerte les utilisateurs de toute condition de défaut pouvant survenir. Un mode de démarrage progressif programmable contrôle le courant d'appel à la mise sous tension, permettant aux concepteurs de mettre en œuvre le séquençage de l'alimentation lorsqu'ils utilisent plusieurs dispositifs AP62600 pour alimenter de grands dispositifs intégrés, tels que les réseaux de portes programmables (FPGA), les circuits intégrés à application spécifique (ASIC), les processeurs de signaux numériques (DSP) et les microprocesseurs (MPU).

L'AP62600 offre aux concepteurs un choix de trois modes de fonctionnement pour répondre aux besoins spécifiques de chaque application (Figure 5). Un rendement élevé peut être obtenu pour toutes les charges grâce au fonctionnement à modulation d'impulsions en fréquence (PFM). Les autres modes disponibles incluent la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour les meilleures performances d'ondulation, et un mode ultrasonique (USM) qui évite le bruit audible à faibles charges.

Figure 5 : L'AP62600 offre aux concepteurs un choix de trois modes de fonctionnement pour répondre aux besoins des différentes applications : PFM, USM et PWM. (Source de l'image : Diodes, Inc.)

Pour aider les concepteurs à démarrer avec l'AP62600, Diodes, Inc. propose la carte d'évaluation AP62600SJ-EVM (Figure 6). L'AP62600SJ-EVM a une disposition simple et permet d'accéder aux signaux appropriés via des points de test.

Figure 6 : La carte d'évaluation AP62600SJ-EVM fournit un environnement d'évaluation simple et pratique pour l'AP62600. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Convertisseurs abaisseurs synchrones pour bus 24 V

Le L6983CQTR de STMicroelectronics affiche une plage d'entrée de 3,5 V à 38 V et délivre jusqu'à 3 A de courant de sortie. Les concepteurs peuvent utiliser le L6983 dans un large éventail d'applications, notamment les systèmes d'alimentation industriels de 24 V, les équipements alimentés par batteries de 24 V, les nœuds intelligents décentralisés, les capteurs et les applications toujours actives et à faible bruit.

Le L6983 est basé sur une architecture en mode courant de crête avec compensation interne, et il est fourni en boîtier QFN16 de 3 mm x 3 mm, réduisant la complexité et la taille de la conception. Le L6983 est disponible en modes basse consommation (LCM) et à faible bruit (LNM). Le mode basse consommation optimise le rendement à faibles charges avec une ondulation de tension de sortie contrôlée, ce qui rend le dispositif adapté aux applications alimentées par batterie. Le mode à faible bruit rend la fréquence de commutation constante et minimise l'ondulation de tension de sortie pour les opérations à faibles charges, répondant ainsi aux spécifications des applications sensibles au bruit. Le L6983 permet de sélectionner la fréquence de commutation dans la plage de 200 kilohertz (kHz) à 2,3 mégahertz (MHz), avec étalement du spectre en option pour une meilleure compatibilité électromagnétique.

STMicroelectronics propose la carte d'évaluation STEVAL-ISA209V1, qui permet aux concepteurs d'explorer les capacités du régulateur abaisseur monolithique synchrone L6983 et de dynamiser leurs conceptions.

Contrôleur abaisseur synchrone pour conceptions informatiques et de télécommunications

Le NCP1034DR2G d'ON Semiconductor est un contrôleur PWM haute tension destiné aux applications CC/CC de type abaisseur synchrone hautes performances avec des tensions d'entrée jusqu'à 100 V. Ce dispositif est conçu pour être utilisé dans la conversion de puissance non isolée de 48 V dans les applications informatiques, de réseaux et de télécommunications embarquées. Le NCP1034 commande deux MOSFET externes à canal N, comme illustré à la Figure 7.

Figure 7 : Circuit d'application typique pour le circuit intégré de contrôleur abaisseur synchrone NCP1036 montrant les MOSFET haut potentiel et bas potentiel (Q1 et Q2, respectivement). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le NCP1036 présente une fréquence de commutation programmable de 25 kHz à 500 kHz et une broche de synchronisation qui permet de contrôler la fréquence de commutation de manière externe. Ces deux contrôles de fréquence permettent aux concepteurs de sélectionner la valeur optimale pour chaque application spécifique et de synchroniser le fonctionnement de plusieurs contrôleurs NCP1034. Le dispositif inclut également une fonction de verrouillage en cas de sous-tension programmable par l'utilisateur et une protection de limite de courant hiccup. Pour les conceptions basse tension, une tension de référence de 1,25 V ajustée en interne peut être utilisée pour une régulation de la tension de sortie plus précise.

Quatre circuits de verrouillage en cas de sous-tension sont inclus pour protéger à la fois le dispositif et le système. Trois sont dédiés à des fonctions spécifiques ; deux protègent les circuits d'attaque haut potentiel et bas potentiel externes, et un protège le circuit intégré contre un démarrage prématuré avant que la valeur VCC ne soit en dessous d'un seuil défini. Le quatrième circuit de verrouillage en cas sous-tension peut être programmé par le concepteur à l'aide d'un diviseur de résistance externe : tant que la valeur VCC est inférieure à la valeur de seuil définie par l'utilisateur, le contrôleur reste désactivé.

Pour aider les concepteurs à utiliser le NCP1034, ON Semiconductor propose la carte d'évaluation NCP1034BCK5VGEVB (Figure 8). Cette carte d'évaluation a été conçue avec plusieurs options pour répondre à une variété d'exigences systèmes. Un régulateur linéaire alimente le circuit intégré, et pour ce faire, le concepteur peut choisir d'utiliser une diode Zener ou un transistor haute tension en sélectionnant la résistance appropriée. Les concepteurs ont également le choix entre une compensation de deuxième type (mode tension) ou une compensation de troisième type (mode courant), des condensateurs de sortie en céramique ou électrolytiques sélectionnables, et diverses valeurs de capacité d'entrée. Il y a deux broches d'embase : l'une pour la connexion aisée à une source d'impulsion de synchronisation externe pour permettre à la carte de se connecter directement à l'autre carte de démonstration NCP1034 ; l'autre pour la connexion à la broche SS/SD qui peut être utilisée pour arrêter le contrôleur via une connexion à la terre.

Figure 8 : La carte d'évaluation NCP1034BCK5VGEVB inclut de multiples options pour aider les concepteurs à démarrer rapidement de nouvelles conceptions. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Conclusion

La nécessité d'abaisser les hautes tensions de bus à des tensions inférieures pour alimenter des circuits intégrés et d'autres charges est de plus en plus essentielle dans de nombreux systèmes, y compris l'automobile, l'automatisation industrielle, les télécommunications, l'informatique, les produits blancs et l'électronique grand public.

Comme illustré, les concepteurs peuvent se tourner vers des convertisseurs de puissance abaisseurs synchrones pour mettre en œuvre cette conversion descendante avec un rendement maximal et une charge thermique minimale, à faible coût et avec la solution la plus compacte possible.

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