- Types de régulateurs de commutation
- Facteurs à prendre en compte lors du choix d'un régulateur de commutation
La puissance est une partie importante de tout projet / appareil électronique. Indépendamment de la source, il est généralement nécessaire d'effectuer des tâches de gestion de l'alimentation telles que la transformation / mise à l'échelle de la tension et la conversion (AC-DC / DC-DC), entre autres. Le choix de la bonne solution pour chacune de ces tâches peut être la clé du succès (ou de l'échec) du produit. L'une des tâches de gestion de l'alimentation les plus courantes dans presque tous les types d'appareils est la régulation / mise à l'échelle de la tension CC-CC.. Cela implique de changer la valeur de la tension continue à l'entrée à une valeur supérieure ou inférieure à la sortie. Les composants / modules utilisés pour réaliser ces tâches sont généralement appelés régulateurs de tension. Ils ont généralement la capacité de fournir une tension de sortie constante qui est supérieure ou inférieure à la tension d'entrée et ils sont couramment utilisés pour alimenter des composants dans des conceptions où vous avez des sections à différentes tensions. Ils sont également utilisés dans les alimentations électriques traditionnelles.
Il existe deux principaux types de régulateurs de tension;
- Régulateurs linéaires
- Régulateurs de commutation
Les régulateurs de tension linéaires sont généralement des régulateurs abaisseur et ils utilisent un contrôle d'impédance pour créer une réduction linéaire de la tension d'entrée à la sortie. Ils sont généralement très bon marché mais inefficaces car beaucoup d'énergie est perdue en chaleur pendant la régulation. Les régulateurs de commutation, quant à eux, sont capables d'augmenter ou de diminuer la tension appliquée à l'entrée en fonction de l'architecture. Ils réalisent une régulation de tension en utilisant un processus de commutation marche / arrêt d'un transistor qui contrôle la tension disponible à la sortie des régulateurs. Par rapport aux régulateurs linéaires, les régulateurs de commutation sont généralement plus chers et beaucoup plus efficaces.
Pour l'article d'aujourd'hui, nous nous concentrerons sur les régulateurs de commutation et, comme le titre l'a indiqué, nous examinerons les facteurs à prendre en compte lors du choix d'un régulateur de commutation pour un projet.
En raison de la complexité des autres parties du projet (les fonctionnalités de base, RF, etc.), le choix des régulateurs pour l'alimentation électrique est généralement l'une des actions laissées jusqu'à la fin du processus de conception. L'article d'aujourd'hui tentera de fournir au concepteur limité dans le temps, des conseils sur ce qu'il faut rechercher dans les spécifications d'un régulateur de commutation, pour déterminer s'il correspond à votre cas d'utilisation particulier. Des détails seront également fournis sur l'interprétation des différentes façons dont les différents fabricants présentent des informations sur des paramètres tels que la température, la charge, etc.
Types de régulateurs de commutation
Il existe essentiellement trois types de régulateurs de commutation et les facteurs à prendre en compte dépendent du type à utiliser pour votre application. Les trois types sont;
- Régulateurs Buck
- Régulateurs Boost
- Régulateurs Buck Boost
1. Régulateurs Buck
Les régulateurs Buck, également appelés régulateurs abaisseur ou convertisseurs buck sont sans doute les régulateurs de commutation les plus populaires. Ils ont la capacité d'abaisser la tension appliquée à l'entrée à une tension moindre à la sortie. Ainsi, leur tension d'entrée nominale est généralement supérieure à leur tension de sortie nominale. Un schéma de base pour un convertisseur abaisseur est présenté ci-dessous.
La sortie du régulateur est due à la commutation marche / arrêt du transistor et la valeur de la tension est généralement fonction du cycle de service du transistor (combien de temps le transistor était passant à chaque cycle complet). La tension de sortie est donnée par l'équation ci-dessous à partir de laquelle nous pouvons déduire que le rapport cyclique ne peut jamais être égal à un et donc la tension de sortie sera toujours inférieure à la tension d'entrée. Les régulateurs Buck sont donc utilisés lorsqu'une réduction de la tension d'alimentation est nécessaire entre un étage d'une conception et l'autre. Vous pouvez en savoir plus sur les principes de base de la conception et l'efficacité du régulateur Buck ici, ainsi que sur la construction d'un circuit convertisseur Buck.
2. Régulateurs Boost
Les régulateurs boost ou les convertisseurs boost fonctionnent de manière directement opposée aux régulateurs buck. Ils délivrent une tension supérieure à la tension d'entrée, à leur sortie. Comme les régulateurs buck, ils utilisent l'action du transistor de commutation pour augmenter la tension à la sortie et sont généralement constitués des mêmes composants que ceux utilisés dans les régulateurs buck, la seule différence étant la disposition des composants. Un schéma simple du régulateur de suralimentation est présenté ci-dessous.
Vous pouvez en savoir plus sur les bases de la conception et l'efficacité du régulateur Boost ici, vous pouvez construire un convertisseur Boost en suivant ce circuit de convertisseur Boost.
3. Régulateurs Buck-Boost
Le dernier mais non le moindre sont les régulateurs Buck Boost. De leur nom, il est facile de déduire qu'ils fournissent à la fois l'effet d'amplification et l'effet abaisseur de la tension d'entrée. Le convertisseur abaisseur-élévateur produit une tension de sortie inversée (négative) qui peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée en fonction du rapport cyclique. Le circuit d'alimentation de base du mode de commutation Buck-Boost est indiqué ci-dessous.
Le convertisseur abaisseur-élévateur est une variante du circuit convertisseur élévateur dans lequel le convertisseur inverseur ne délivre que l'énergie stockée par l'inducteur, L1, dans la charge.
La sélection de l'un de ces trois types de régulateurs de commutation dépend uniquement de ce qui est requis par le système en cours de conception. Quel que soit le type de régulateur à utiliser, il est important de s'assurer que les spécifications des régulateurs répondent aux exigences de la conception.
Facteurs à prendre en compte lors du choix d'un régulateur de commutation
La conception d'un régulateur à découpage dépend dans une large mesure du circuit intégré de puissance utilisé, la plupart des facteurs à considérer seront donc les spécifications du circuit intégré de puissance utilisé. Il est important de comprendre les spécifications de Power IC et ce qu'elles signifient afin de vous assurer de sélectionner le bon pour votre application.
Quelle que soit votre application, une vérification des facteurs suivants vous aidera à réduire le temps passé à la sélection.
1. Plage de tension d'entrée
Cela fait référence à la plage tolérable de tensions d'entrée prises en charge par l'IC. Il est généralement spécifié dans la fiche technique et en tant que concepteur, il est important de s'assurer que la tension d'entrée de votre application se situe dans la plage de tension d'entrée spécifiée pour le CI. Bien que certaines fiches techniques ne spécifient que la tension d'entrée maximale, il est préférable de vérifier la fiche technique pour s'assurer qu'il n'y a aucune mention de la plage d'entrée minimale avant de faire des hypothèses. Lorsque des tensions supérieures à la tension d'entrée maximale sont appliquées, le circuit intégré est généralement grillé, mais il cesse généralement de fonctionner ou de fonctionner anormalement lorsque des tensions inférieures à la tension d'entrée minimale sont appliquées, le tout en fonction des mesures de protection en place. L'une des mesures de protection généralement appliquées pour éviter d'endommager les circuits intégrés lorsque des tensions hors plage sont fournies à l'entrée est le verrouillage de sous-tension (UVLO),vérifier si cela est disponible peut également vous aider dans vos décisions de conception.
2. Plage de tension de sortie
Les régulateurs de commutation ont généralement des sorties variables. La plage de tension de sortie représente la plage de tensions à laquelle la tension de sortie requise peut être réglée. Dans les circuits intégrés sans option de sortie variable, il s'agit généralement d'une valeur unique. Il est important de vous assurer que votre tension de sortie requise est dans la plage spécifiée pour le circuit intégré et avec un bon facteur de sécurité comme différence entre la plage de tension de sortie maximale et la tension de sortie dont vous avez besoin. en règle générale, la tension de sortie minimale ne peut pas être réglée à un niveau de tension inférieur à la tension de référence interne. En fonction de votre application (buck ou boost), la plage de sortie minimale peut être supérieure à la tension d'entrée (boost) ou bien inférieure à la tension d'entrée (buck).
3. Courant de sortie
Ce terme fait référence à la classification actuelle pour laquelle le CI a été conçu. C'est essentiellement une indication de la quantité de courant que le circuit intégré peut fournir à sa sortie. Pour certains circuits intégrés, seul le courant de sortie maximal est spécifié comme mesure de sécurité et pour aider le concepteur à s'assurer que le régulateur sera en mesure de fournir le courant requis pour l'application. Pour les autres circuits intégrés, les valeurs minimales et maximales sont fournies. Cela peut être très utile pour planifier les techniques de gestion de l'alimentation pour votre application.
Lors de la sélection d'un régulateur en fonction du courant de sortie du CI, il est important de s'assurer qu'une marge de sécurité existe entre le courant maximum requis par votre application et le courant de sortie maximum du régulateur. Il est important de s'assurer que le courant de sortie maximum du régulateur est supérieur à votre courant de sortie requis d'au moins 10 à 20%, car le CI peut générer une grande quantité de chaleur lorsqu'il fonctionne à des niveaux maximum en continu et pourrait être endommagé par la chaleur.. De plus, l'efficacité du circuit intégré diminue lorsqu'il fonctionne au maximum.
4. Plage de température de fonctionnement
Ce terme fait référence à la plage de température dans laquelle le régulateur fonctionne correctement. Elle est définie en termes de température ambiante (Ta) ou de température de jonction (Tj). La température TJ fait référence à la température de fonctionnement la plus élevée du transistor, tandis que la température ambiante fait référence à la température de l'environnement autour de l'appareil.
Si la plage de température de fonctionnement est définie en termes de température ambiante, cela ne signifie pas nécessairement que le régulateur peut être utilisé sur toute la plage de température. Il est important de prendre en compte le facteur de sécurité, ainsi que le courant de charge prévu et la chaleur qui l'accompagne, car la combinaison de celui-ci et de la température ambiante constitue la température de jonction qui ne doit pas non plus être dépassée. Rester dans la plage de températures de fonctionnement est essentiel pour le bon fonctionnement continu du régulateur car une chaleur excessive pourrait entraîner un fonctionnement anormal et une panne catastrophique du régulateur.Il est donc important de faire attention à la chaleur ambiante dans l'environnement dans lequel l'appareil sera utilisé et de déterminer également la quantité de chaleur possible qui sera générée par l'appareil en raison du courant de charge avant de déterminer si la plage de température de fonctionnement spécifiée du régulateur travaille pour vous. Il est important de noter que certains régulateurs peuvent également tomber en panne dans des conditions extrêmement froides et il convient de prêter attention aux valeurs de température minimales si l'application est déployée dans un environnement froid.
5. Fréquence de commutation
La fréquence de commutation fait référence à la vitesse à laquelle le transistor de commande est activé et désactivé dans un régulateur de commutation. Dans les régulateurs basés sur la modulation de largeur d'impulsion, la fréquence est généralement fixe en modulation de fréquence d'impulsion.
La fréquence de commutation affecte les paramètres du régulateur tels que l'ondulation, le courant de sortie, l'efficacité maximale et la vitesse de réponse. La conception de la fréquence de commutation implique toujours l'utilisation de valeurs d'inductance correspondantes, de sorte que les performances de deux régulateurs similaires avec une fréquence de commutation différente seront différentes. Si l'on considère deux régulateurs similaires à des fréquences différentes, on découvrira que, le courant maximum par exemple sera faible pour le régulateur fonctionnant à une fréquence inférieure par rapport à celle du régulateur à haute fréquence. En outre, des paramètres tels que l'ondulation seront élevés et la vitesse de réponse du régulateur sera faible à basse fréquence, tandis que l'ondulation sera faible et la vitesse de réponse, élevée à haute fréquence.
6. Bruit
L'action de commutation associée aux régulateurs de commutation génère du bruit et des harmoniques connexes qui pourraient affecter les performances de l'ensemble du système, en particulier dans les systèmes avec des composants RF et des signaux audio. Alors que le bruit peut être réduit au moyen d'un filtre, etc., il peut vraiment réduire le rapport signal sur bruit (SNR) dans les circuits qui sont sensibles au bruit. Il est donc important de s'assurer que la quantité de bruit générée par le régulateur n'affectera pas les performances globales du système.
7. Efficacité
L'efficacité est un facteur important à considérer dans la conception de toute solution d'alimentation aujourd'hui. C'est essentiellement le rapport de la tension de sortie à la tension d'entrée. Théoriquement, l'efficacité d'un régulateur à découpage est de cent pour cent, mais ce n'est généralement pas vrai en pratique car la résistance du commutateur FET, la chute de tension de la diode et l'ESR de l'inductance et du condensateur de sortie réduisent l'efficacité globale du régulateur. Alors que la plupart des régulateurs modernes offrent une stabilité sur une large plage de fonctionnement, l'efficacité varie avec l'utilisation et par exemple est considérablement réduite à mesure que le courant tiré de la sortie augmente.
8. Régulation de charge
La régulation de charge est une mesure de la capacité d'un régulateur de tension à maintenir une tension constante à la sortie indépendamment des changements dans l'exigence de charge.
9. Emballage et taille
L'un des objectifs habituels lors de la conception de toute solution matérielle de nos jours est de réduire la taille autant que possible. Cela comprend essentiellement la réduction de la taille du composant électronique et la réduction invariablement du nombre de composants qui composent chaque section du dispositif. Un système d'alimentation de petite taille permet non seulement de réduire la taille globale du projet, mais il permet également de créer un espace dans lequel les fonctionnalités supplémentaires du produit peuvent être restreintes. s'intégrera dans votre budget d'espace. Lors des sélections basées sur ce facteur, il est également important de prendre en compte la taille des composants périphériques requis par le régulateur pour fonctionner. Par exemple, l'utilisation de circuits intégrés haute fréquence permet l'utilisation de condensateurs de sortie à faible capacité et inductances, ce qui entraîne une taille de composant réduite et vice versa.
Identifier tout cela et comparer avec vos exigences de conception vous aidera rapidement à déterminer quel régulateur doit être croisé et lequel doit figurer dans votre conception.
Partagez le facteur que vous pensez avoir manqué et tous les autres commentaires via la section des commentaires.
Jusqu'à la prochaine fois.