Pour les topologies de distribution de puissance des circuits imprimés, la solution « optimale » se résume souvent à l'expérience

On attend habituellement des ingénieurs qu'ils analysent, créent et fournissent la solution « optimale » à un problème donné. Mais cela n'est possible que dans certaines situations de conception. La raison est simple : sur quels paramètres et valeurs associées se baser pour déterminer ce qui est le mieux ? Y a-t-il un seul facteur important critique ou existe-t-il un équilibre subtil optimisé comme par magie entre plusieurs facteurs différents ?

Avouons-le : la conception technique n'est pas qu'une question d'expertise dans l'exécution de la conception elle-même, c'est aussi accepter les nombreux compromis qu'elle suppose. Cela peut être frustrant quand des personnes non impliquées dans la conception critiquent nonchalamment les décisions déjà prises en demandant pourquoi ne pas avoir fait ceci ou cela. Ou pourquoi ne pas avoir tout simplement ajouté tel ou tel élément. Ces questions sont faciles à poser quand on est extérieur aux compromis déjà faits.

Pour certaines applications, une ou deux exigences de performances peuvent bien sûr s'imposer sur la liste, comme la nécessité d'une basse consommation et d'une fiabilité à long terme pour une mission dans l'espace lointain. Pour d'autres cas, il est essentiel de répondre à certaines spécifications, mais il n'est pas nécessaire de les surpasser, car cela ne présentera pas d'avantages pour le produit final.

Toutefois, dans toutes les conceptions, les ingénieurs doivent naturellement essayer d'évaluer la nature et le degré des relations entre les différents objectifs d'un projet. Par exemple, si une légère dissipation de puissance supplémentaire augmente significativement la vitesse ou améliore la précision, cela peut être un très bon compromis. Mais comment quantifier le « coût » par rapport à l'« avantage » ? Dans bien des cas, il est impossible de le faire de manière fiable. Et même si c'était possible, la relation ne serait généralement valable que sur une petite plage. Les liens se complexifient encore et deviennent plus subtils et difficiles à définir lorsque le nombre de variables augmente.

Qu'en est-il de la topologie de distribution de puissance ?

Pour illustrer la complexité du défi lié à une solution optimisée, examinons une fonction système bien définie : la topologie de distribution de puissance (PDT). Chaque conception électronique possède un sous-système de puissance, mais nous nous concentrerons sur un système plus petit et limité à une carte à circuit imprimé simple. Généralement, cela implique plusieurs valeurs de rail de tension et différentes demandes de courant pour tout rail individuel, mais il est possible de commencer avec le cas simple de deux charges de 5 volts (V) identiques de 0,9 ampère (A) chacune.

Même pour cette situation très simple, il existe deux options distinctes (Figure 1) qui peuvent être implémentées au moyen de modules abaisseurs CC/CC comme ceux de la gamme uSLIC Himalaya de Maxim Integrated. La première option est d'utiliser deux unités 5 V/1 A MAXM17632 de Maxim (une pour chaque charge). La seconde option est d'utiliser un seul module 5 V/2 A MAXM17635 de Maxim pour les deux charges. D'autre part, que se passe-t-il si l'une des charges s'élève à seulement 75 milliampères (mA) au lieu de 900 mA ? Faut-il utiliser l'unité 2 A pour les deux charges, ou utiliser une unité 1 A MAXM17632 et une unité 5 V/100 mA MAXM17900 plus petite pour la seconde charge ? Comme d'habitude, la réponse est simple : « ça dépend ».

Figure 1 : Deux topologies peuvent alimenter deux charges indépendantes avec la même tension : utiliser deux modules CC/CC plus petits (en haut) ou utiliser un seul module plus grand commun aux deux charges (en bas). (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les deux approches devraient fonctionner, mais il convient de prendre en compte des facteurs comme l'emplacement des charges l'une par rapport à l'autre, le rendement global par rapport à la charge, la dissipation globale si les charges ont des périodes de repos, ainsi que les bruits parasites du routage de la piste de circuit imprimé. Même l'empreinte est un facteur : le module 2 A mesure 4 millimètres (mm) x 4 mm = 16 mm², tandis que les unités 1 A mesurent chacune 3 mm x 3 mm pour une empreinte totale de 9 + 9 = 18 mm². Ces 2 mm² supplémentaires peuvent sembler sans conséquence majeure, mais ils font une vraie différence dans une conception compacte. Analytiquement, cela représente une augmentation de l'empreinte de 12,5 %.

Et cela se complique

Pour un scénario A contre B aussi simple, il est probable qu'une option soit meilleure, même dans une moindre mesure. Cependant, pour les cas plus complexes avec de nombreuses charges, même à une tension nominale identique, il existe souvent de nombreux facteurs concrets et abstraits à prendre en compte, comme les suivants :

• Nombre de charges
• Courant typique, maximum et de repos pour chaque charge
• Emplacement des charges l'une par rapport à l'autre
• Dynamique de chaque charge
• Bruits parasites dus à des pistes plus longues entre le module d'alimentation et la charge
• Précision et régulation de la tension au niveau de la charge — Une charge peut nécessiter ±0,5 % alors qu'une autre nécessite 1 %
• Équilibrage des charges : si une charge nécessite 2 A et une autre seulement 50 mA, un régulateur à faible chute de tension (LDO) pour la charge de 50 mA constituerait-il une option plus intelligente ?
• Avantages de la conversion de puissance au point de charge (PoL) à courte distance et de la dérivation requise
• Surface de circuit imprimé nécessaire pour l'alimentation CC primaire non régulée ainsi que pour les multiples pistes d'alimentation CC régulées (et leur masse) ; impact sur la flexibilité de configuration
• Empreinte agrégée des modules d'alimentation et de leurs composants de support
• Flexibilité de positionnement sur le circuit imprimé
• Problèmes de fréquences d'horloge, d'interférences électromagnétiques et de « mesure » ; utilisation d'une horloge commune ou de plusieurs horloges CC/CC individuelles
• Rendement global des diverses configurations de régulateur
• Nombre et type de composants passifs nécessaires
• Chute courant-résistance (IR), largeur de piste et possible nécessité de mesure à distance à des niveaux de courant plus élevés
• Coûts des composants de nomenclature

Cette liste illustre les multiples facettes de la complexité du problème. Même dans le cas simple d'une seule tension, le nombre de possibilités et les degrés de liberté associés augmentent considérablement à mesure que le nombre de charges et leurs caractéristiques augmentent.

Résoudre le problème ne revient pas à étudier toutes les possibilités. Un logiciel EDA peut analyser une approche donnée et la noter selon les objectifs définis, et même envisager de modestes changements, mais il ne peut pas prendre en compte les diverses possibilités et évaluer les avantages par rapport au coût et aux compromis d'une topologie donnée (du moins, pas encore ; peut-être qu'il le pourra dans quelques années grâce à l'intelligence artificielle [IA] !). Si l'on ajoute à cela le besoin réel de tensions de rail multiples, le problème devient bien plus complexe, notamment parce qu'il est possible d'avoir différents étages de conversion de bus intermédiaires.

C'est pourquoi j'ai vu des ingénieurs utiliser des feuilles de calcul basiques plutôt que des outils EDA pour évaluer l'impact des différentes topologies. Au final, cependant, de nombreuses cellules de la feuille de calcul sont remplies d'évaluations qualitatives comme « médiocre », « bien » ou « très bien » avec des remarques annexées à chacune d'elles du genre « bien, mais seulement jusqu'à 2 A ».

Ce serait bien de pouvoir créer de solides équations reliant les nombreuses variables dans l'analyse des topologies de distribution de puissance. Cela n'est pas près d'arriver, étant donné les très nombreux degrés de liberté interdépendants, mais reliés par des corrélations non linéaires, des points d'inflexion, des points de saturation et d'autres corrélations complexes et généralement difficiles à quantifier.

C'est là que l'expertise, l'expérience, le jugement et même l'intuition des ingénieurs entrent en jeu au moment de décider des approches à privilégier en matière de topologie de distribution de puissance. Déterminer la « meilleure » topologie de puissance, même pour un circuit imprimé simple, est un véritable exemple de ce qu'est l'ingénierie et du fait qu'il ne s'agit pas seulement d'une analyse numérique objective.

Conclusion

Lorsque quelqu'un dit avoir trouvé la solution optimale à un problème de conception, la question logique à poser est simple et directe : optimale par rapport à quels paramètres et dans quelle mesure ? Même un élément aussi basique et tangible que votre topologie de distribution de puissance présente une longue liste de facteurs critiques, certains étant étroitement liés et d'autres plus vaguement.

Si vous soumettez votre solution de topologie de distribution de puissance à un examen de conception, d'autres ingénieurs vous demanderont immanquablement comment et pourquoi vous avez choisi la topologie proposée. Préparez-vous à présenter posément votre analyse, à expliquer votre réflexion et à indiquer les points pour lesquels vous avez préféré faire appel à votre expérience et à votre jugement plutôt que de vous fier uniquement à des chiffres. Ainsi, vous devriez pouvoir expliquer clairement pourquoi votre combinaison de modules d'alimentation CC/CC et de composants associés constitue une solution adaptée, même si ce n'est pas la seule possible.

Lectures recommandées :

Optimiser les gains avec des convertisseurs PoL miniaturisés

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Quand plus, c'est moins : économisez un espace précieux en utilisant un plus grand nombre de régulateurs

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Erreurs fréquentes à éviter lors de l'utilisation de modules de régulateurs de courant CC/CC milieu de gamme

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Avantages des convertisseurs CC/CC modulaires par rapport aux solutions discrètes

https://www.digikey.fr/fr/articles/advantages-modular-dc-dc-converters-over-discrete-solutions

Solutions d'alimentation et de topologie pour la commande de matrices LED

https://www.digikey.fr/fr/articles/power-supply-and-topology-solutions-for-driving-led-arrays