Règlement sur l’alimentation électrique
Les convertisseurs de tension CC-CC sont souvent utilisés pour fournir une alimentation en tension régulée à partir d’une source de tension non régulée. Les sources de tension non régulées peuvent être des tensions de ligne rectifiées qui présentent des fluctuations dues à des changements d’amplitude. Les alimentations en tension régulée fournissent une tension de sortie CC moyenne au niveau souhaité (3,3 V, 2,5 V, etc.), malgré des sources de tension d’entrée fluctuantes et des charges de sortie variables. Les facteurs à prendre en compte lors du choix d’une solution d’alimentation en tension régulée sont les suivants :
- Tensions d’entrée source disponibles
- Amplitudes de tension de sortie d’alimentation souhaitées
- Possibilité d’augmenter ou d’augmenter les tensions de sortie, ou les deux
- Efficacité du convertisseur DC-DC (POUT / PIN)
- Ondulation de tension de sortie
- Réponse transitoire de charge de sortie
- Complexité de la solution (une solution IC, nombre de composants passifs, contrôleur et FET externes)
- Fréquence de commutation (pour les régulateurs à découpage)
Les sections suivantes décrivent plusieurs régulateurs de tension différents.
Régulateurs linéaires
Les régulateurs de tension linéaires sont couramment utilisés pour les applications abaisseurs (la tension d’alimentation de sortie est inférieure à la tension de la source d’entrée). Les régulateurs linéaires sont également disponibles avec une tension de sortie fixe ou une tension de sortie variable lors de l’utilisation de résistances de polarisation externes.
L’avantage des régulateurs linéaires est une mise en œuvre simple et des pièces minimales (juste le circuit intégré dans le cas d’une sortie fixe) et une faible ondulation de sortie. L’inconvénient majeur des régulateurs linéaires est leur faible efficacité. Une puissance importante est dissipée dans le circuit intégré du régulateur linéaire, car le convertisseur est constamment allumé et conduit le courant. Les régulateurs linéaires doivent être utilisés lorsque la différence entre la tension de la source d’entrée et la tension d’alimentation de sortie est minime et que l’efficacité du convertisseur n’est pas un problème.
Régulateurs à découpage
Les régulateurs de tension à découpage sont couramment utilisés pour les applications step-up et step-down, et diffèrent des régulateurs linéaires par la mise en œuvre de la modulation de largeur d’impulsion (PWM). Les régulateurs à découpage contrôlent la tension de sortie à l’aide d’un commutateur de courant (interne ou externe au régulateur IC) avec une fréquence constante et un rapport cyclique variable. Les fréquences de commutation vont généralement de quelques kHz à quelques centaines de kHz. Le rapport cyclique du commutateur détermine la quantité et la vitesse à laquelle la tension d’alimentation de sortie augmente ou diminue, en fonction de l’état de charge et de la tension de la source d’entrée. Certains régulateurs de commutation utilisent à la fois une fréquence de commutation variable et un rapport cyclique, mais ceux-ci ne sont pas couramment utilisés pour les applications FPGA/CPLD.
L’avantage évident des régulateurs à découpage est l’efficacité, car une puissance minimale est dissipée dans le chemin d’alimentation (commutateurs FET) lorsque la tension d’alimentation de sortie est suffisante pour l’état de charge. Essentiellement, le convertisseur de puissance « s’éteint » lorsque l’alimentation n’est pas nécessaire, en raison du cycle d’utilisation minimal du commutateur. L’inconvénient des régulateurs à découpage est la complexité, car plusieurs composants passifs externes sont nécessaires à bord. Dans le cas d’applications à courant élevé, des circuits intégrés FET externes sont nécessaires car le convertisseur IC agit uniquement comme logique de contrôle pour le commutateur FET externe. L’ondulation de tension de sortie est un autre inconvénient, qui est généralement géré avec une capacité de dérivation près de l’alimentation et à la charge.
Convertisseur Buck
Les convertisseurs de tension buck, ou abaisseur, produisent une tension de sortie moyenne inférieure à la tension de la source d’entrée. La figure 1 montre une topologie buck de base utilisant des composants idéaux. L’inductance sert de source de courant à l’impédance de charge de sortie. Lorsque l’interrupteur FET est allumé, le courant de l’inductance augmente, induisant une chute de tension positive à travers l’inductance et une tension d’alimentation de sortie inférieure par rapport à la tension de la source d’entrée. Lorsque l’interrupteur FET est éteint, le courant de l’inductance se décharge, induisant une chute de tension négative à travers l’inductance. Étant donné qu’un port de l’inductance est lié à la terre, l’autre port aura un niveau de tension plus élevé, qui est la tension d’alimentation de sortie cible. La capacité de sortie agit comme un filtre passe-bas, réduisant l’ondulation de la tension de sortie en raison de la fluctuation du courant à travers l’inductance. La diode fournit un chemin de courant pour l’inductance lorsque l’interrupteur FET est éteint.
Graphique 1. Convertisseur Buck.
Convertisseur Buck synchrone
Le convertisseur buck synchrone est essentiellement le même que le convertisseur buck step-down avec la substitution de la diode à un autre commutateur FET. L’interrupteur FET supérieur se comporte de la même manière que le convertisseur buck pour charger le courant de l’inductance. Lorsque la commande de l’interrupteur est désactivée, l’interrupteur FET inférieur s’allume pour fournir un chemin de courant pour l’inductance lors de la décharge. Bien qu’elle nécessite plus de composants et un séquençage logique de commutation supplémentaire, cette topologie améliore l’efficacité avec un temps d’allumage du commutateur plus rapide et une résistance série FET (rdson) inférieure à celle de la diode.
Graphique 2. Convertisseur Buck synchrone.
Convertisseur Boost
Les convertisseurs boost, ou step-up, produisent une tension de sortie moyenne supérieure à la tension de la source d’entrée. La figure 3 montre une variation de la topologie buck, avec la diode, le commutateur FET et l’inductance échangés. Lorsque l’interrupteur FET est allumé, la diode est inversée, isolant ainsi la charge de la tension de la source d’entrée et chargeant le courant de l’inductance. Lorsque l’interrupteur FET est éteint, la charge de sortie reçoit de l’énergie de l’inductance et de la tension d’alimentation d’entrée. Le courant de l’inductance commence à se décharger, induisant une chute de tension négative à travers l’inductance. Étant donné qu’un port de l’inductance est entraîné par la tension d’alimentation d’entrée, l’autre port aura un niveau de tension plus élevé, d’où la fonction boost ou step-up. Comme avec le convertisseur buck, le condensateur agit comme un filtre passe-bas, réduisant l’ondulation de la tension de sortie en raison de la fluctuation du courant à travers l’inductance.
Graphique 3. Convertisseur Boost.
Convertisseur Buck-Boost
Les convertisseurs Buck-boost peuvent produire une tension d’alimentation de sortie négative à partir d’une tension de source d’entrée positive (c’est-à-dire négative par rapport au port commun/de masse de la tension de la source d’entrée). Semblable à un convertisseur buck, la topologie ci-dessus a échangé la diode et l’inductance. Lorsque l’interrupteur FET est allumé, la diode est inversée, chargeant le courant de l’inductance en raison de la chute de tension positive à travers l’inductance. Lorsque l’interrupteur FET est éteint, l’inductance fournit de l’énergie à la charge de sortie à travers le nœud commun/terre, déchargeant le courant, ce qui induit une chute de tension négative à travers l’inductance. Étant donné qu’un port d’inductance est lié à commun/terre, l’autre port est à un niveau de tension inférieur à celui commun/terre, d’où les niveaux de tension d’alimentation de sortie négatifs sur la charge de sortie.
Graphique 4. Convertisseur Buck-Boost.
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