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Mis à jour le 16/05/2019

Convertissez une tension continue

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Régulateur linéaire et rendement, notion de bruit

Pour produire une tension faible à partir d’une tension élevée, sans toucher au courant, le moyen le plus simple est d’utiliser un composant qui supportera la différence de tension, entre entrée et sortie, comme un transistor bipolaire, par exemple.

Principe fonctionnel d'un régulateur linéaire de tension
Principe fonctionnel d'un régulateur linéaire de tension.

Le transistor bipolaire en régime linéaire de polarisation est avant tout une source de courant. Un régulateur de tension consiste donc à piloter la source de courant pour obtenir une tension fixe en sortie, quelle que soit la valeur de la charge, donc du courant de sortie. Une protection contre les valeurs trop grandes du courant de sortie est souvent incluse. Des condensateurs de découplage sont nécessaires en entrée comme en sortie, pour lisser les variations de tension vis-à-vis des perturbations du circuit.

La figure ci-dessus montre un cas pratique qui implémente une cascade de transistors bipolaires comme source de courant pilotée :

  • une résistance shunt déclenchera la conduction du transistor Q5 si le courant de sortie est trop grand. Q5 privera le groupe de transistors bipolaires amont de son pilotage ; [s51

  • enfin, la tension de sortie est divisée avant d’être comparée à la tension de référence. L’erreur est amplifiée pour piloter la source de courant ;

  • un modèle simple du régulateur de tension est présenté à droite, hors la protection en courant. Le condensateur de découplage en sortie est présenté avec ses éléments parasites.

Ce critère s'appelle le taux de réjection d’alimentation ou PSSR, power supply rejection ratio. Le critère  s’apprécie par une fonction de transfert, un gain en tension, entre la variation de la tension de sortie par rapport à celle d’entrée.

Taux de réjection de l'alimentation
Taux de réjection de l'alimentation.

Exprimée en régime harmonique, cette fonction de transfert est liée surtout à l’idéalité du condensateur de sortie. La simulation harmonique donne directement l’évaluation de ce PSSR.

Dans l'exemple ci-dessous, le critère chute dès 10 kHz ; autrement dit, les perturbations à haute fréquence ne seront pas rejetées par ce régulateur linéaire.

Simulation du PSRR sur un circuit typique de régulateur linéaire de tension
Simulation du PSRR sur un circuit typique de régulateur linéaire de tension.

L’autre métrique du régulateur linéaire de tension est son facteur de bruit, c’est-à-dire le bruit interne ajouté sur la tension de sortie. Ceci est important pour certains consommateurs sensibles comme les radios.

Le simulateur évalue une source de tension équivalente de bruit sur la sortie, avec une densité de puissance de bruit dont l’unité est le nV/racine(Hz) en pratique.

Simulation du facteur de bruit du régulateur linéaire de tension
Simulation du facteur de bruit du régulateur linéaire de tension.

Convertisseur statique à découpage, principes magnétique et capacitif

Vous allez explorer rapidement les principes de la conversion statique de tension, soit par stockage magnétique, soit par stockage capacitif.

Le convertisseur à découpage magnétique le plus simple est le hacheur série ou buck en anglais. Le mode de fonctionnement cyclique le plus simple comporte deux phases par période de découpage :

  • à partir d’une source de tension amont, un interrupteur va imposer une tension aux bornes d’une inductance, ici Vin-Vout. Cette phase dure une partie de la période de fonctionnement cyclique du convertisseur, qui caractérise la notion de découpage ;

  • quand l’interrupteur du haut est ouvert, celui du bas doit être fermé car le courant circulant dans l’inductance ne peut être interrompu. L’énergie magnétique emmagasinée est alors déchargée dans le condensateur de sortie et dans le consommateur. L’inductance est soumise à la tension « -Vout » ;

  • si l’énergie magnétique n’est jamais annulée au cours du temps, on parlera de conduction continue (sous-entendu du courant dans l’inductance), et le fonctionnement du convertisseur se résume alors à ces deux phases, comme l'illustre la figure suivante :

Principe fonctionnel du hacheur série
Principe fonctionnel du hacheur série.

La conversion à capacités commutées permet quant à elle de remplacer le rôle d’une inductance dans certains cas. Les convertisseurs à capacités commutées sont également appelés pompes de charge, sous l’angle électronique analogique.

Le convertisseur de rapport ½ fonctionne sur 2 phases par période de découpage. Il utilise une horloge à deux phases, il n’est pas a priori question de rapport cyclique :

  • une phase Φ1  est appliquée aux transistors T1 et T4, avec la bonne polarité ;

  • les transistors T2 et T3 sont commandés à l’opposé des précédents, avec une phase d’horloge Φ2  non recouvrante ;

  • le condensateur Cfly est chargé en série avec le condensateur de sortie durant une partie du temps, puis les deux condensateurs sont mis en parallèle, déconnectés de l’alimentation. On obtient un rapport de conversion de ½.

Principe fonctionnel du convertisseur à capacités commutées, 2:1
Principe fonctionnel du convertisseur à capacités commutées, 2:1.

L’impédance interne en sortie du convertisseur à capacités commutées varie en fonction de la fréquence de découpage, puisque la charge des condensateurs est facilitée. Ainsi, le rendement est maximal pour une condition de charge particulière. En dehors de la condition optimale, il faut altérer le rapport de conversion, ce qui rend la pompe de charges plus complexe.
 

Impédance de sortie du convertisseur à capacités commutées et impact sur le rendement énergétique
Impédance de sortie du convertisseur à capacités commutées, et impact sur le rendement énergétique.

Il vous reste à marier convertisseurs de tension et microcontrôleur. En effet, la consommation électrique est en partie liée au bon usage du bon niveau de tension au bon moment.

Mise en œuvre d’un convertisseur abaisseur de tension. Simulation. Principe du pilotage par le code

Un microcontrôleur a en général plusieurs pattes d’alimentation pour séparer les besoins de certains de ses périphériques, et le besoin du cœur numérique.

Considérez que vous disposez d’une tension amont de 5 V pour alimenter un microcontrôleur avec une tension de service de 3,3 V et une tension d’alimentation du cœur pouvant aller de 1,2 V à 2 V.

Exemple typique de convertisseurs statiques de tension associés à un microcontrôleur pour garantir divers points de fonctionnement
Exemple typique de convertisseurs statiques de tension associés à un microcontrôleur pour garantir divers points de fonctionnement.

Pour créer la tension 3,3 V, il faut un rapport de conversion de 2/3, ce qui est possible avec une pompe de charge, mais délicat compte tenu de la large gamme de courant consommé. Un convertisseur à découpage à dispositif magnétique sera préférable.

La consommation du cœur accompagne sa fréquence de travail, par exemple 1,2 V à 32 kHz et jusqu’à 2 V à 4 MHz. Même en partant de 3,3 V, le grand écart de rapport de tension plaide en faveur d’un hacheur série, plus simple qu’une pompe de charge à rapports multiples de tension.

Outre le rendement énergétique, les performances dynamiques du convertisseur abaisseur sont essentielles pour implémenter une solution de pilotage de la consommation.

Dans cette solution industrielle ci-dessous, vous reconnaissez un hacheur série autour du transistor MOSFET M1 et de la diode Shottky D2 :

  • l’alimentation est faite sous 5 V et doit fournir 3,3 V pour une large variation du courant consommé en sortie ;

  • le circuit possède en interne une référence de tension (typiquement 1,2 V). C’est la tension que le circuit cherche à imposer à partir de la tension d’erreur sur la patte FB (feed-back) ;

  • pour obtenir une tension de sortie différente de 1,2 V, il suffit de leurrer en quelque sorte le circuit, en connectant la patte FB à une fraction de la tension de sortie voulue, par un pont diviseur ;

  • vous voyez qu’en modifiant la valeur de la résistance R4, le circuit fournira une tension de sortie différente. Vous pourrez le simuler sans grand problème.

Solutions industrielle de hacheur série
Solutions industrielles de hacheur série.

Pour que le processeur modifie lui-même sa tension d’alimentation, il doit modifier la valeur de la résistance R4 précédente. Le principe simple est qu’un port du microcontrôleur est dédié à la commande d’un transistor M1, qui connecte ou non une seconde résistance en parallèle.

Principe du mariage d'un convertisseur statique avec un microcontrôleur
Principe du mariage d'un convertisseur statique avec un microcontrôleur.

Vous savez que la résistance totale est alors plus faible que la précédente. La tension de sortie du convertisseur sera donc plus élevée.

Le code embarqué pour mettre en œuvre le contrôle de la tension d’alimentation et de la fréquence de travail dépend du microcontrôleur. Il y a plusieurs types. Dans le type le plus courant, il faut tout faire à l’aide d’instructions séparées.

Imaginez que le microcontrôleur travaille sous tension réduite de 1,2 V, et que son horloge interne soit réglée à 32 kHz. Une instruction prendra 125 µs pour s’exécuter.

L’instruction a) sélectionne une banque de registre au sein du microcontrôleur, et l’instruction b) va modifier la vitesse de l’horloge interne, pour la passer à 1 MHz. Ce n’est pas fini, car des instructions devront commander le changement d’une résistance quelque part pour ajuster la tension d’alimentation du processeur à 1,5 V. Sous 1 MHz, une instruction s’exécutera en 4 µs, c’est tout de même plus rapide. De même, une instruction c) va changer la fréquence à 4 MHz, et la tension devra être réglée à 2 V. En contrepartie, une instruction s’exécutera alors toutes les microsecondes.

Instructions et gestion de la tension et de la fréquence de travail
Instructions et gestion de la tension et de la fréquence de travail. 

Mise en œuvre d’un convertisseur élévateur de tension. Simulation

Les LED sont maintenant les composants phares pour l’éclairage ou le rétroéclairage. Or, la tension d’alimentation peut dépasser 2 volts pour certaines d’entre elles. La tension issue d’une batterie ne suffit pas. Il faut insérer un convertisseur élévateur de tension, ou boost en anglais.
 
Le convertisseur fonctionne le plus simplement de manière récurrente – on parle de fréquence de découpage - et selon deux phases par période :

  • les transistors ont des comportements mutuellement exclusifs ;

  • quand T1 est conducteur, le courant dans l’inductance augmente. La durée de conduction de T1 définit le rapport cyclique, α.Tsw ;

  • un temps mort est introduit entre les conductions de T1 et T2 pour éviter le risque de conduction simultanée. C’est la diode D2 qui assure la continuité du courant dans l’inductance ;

  • quand T2 conduit, le courant dans l’inductance diminue. Le courant charge le condensateur à une tension supérieure à la tension d’entrée Vin.

Principe fonctionnel d'un hacheur parallèle, ou élévateur de tension
Principe fonctionnel d'un hacheur parallèle, ou élévateur de tension.

Des circuits intégrés commerciaux encapsulent les éléments de commande et de régulation du convertisseur. Un convertisseur du commerce, ici chez Linear Technology, peut être simulé conformément au schéma typique de la note d’application. La simulation permet de vérifier le bon fonctionnement du circuit, et par exemple ici, vous voyez le courant de forme triangulaire dans l’inductance.

Simulation d'une solution commerciale de hacheur parallèle
Simulation d'une solution commerciale de hacheur parallèle.

La patte « run » du circuit  de contrôle du convertisseur va permettre d’arrêter ou mettre en œuvre le convertisseur. Cette patte est reliée à une patte GPIO du microcontrôleur pour autoriser la commande en tout ou rien de l’alimentation boost.

Une instruction pour écrire par exemple une valeur logique positive sur la patte RB7 y pourvoit. C’est ainsi qu’est commandé le rétroéclairage des écrans.
 

Mariage d'un convertisseur élévateur de tension avec un microcontrôleur
Mariage d'un convertisseur élévateur de tension avec un microcontrôleur.

Voilà, la gestion énergétique n’a plus de secret pour vous ; n’est-il pas temps de passer à des applications concrètes ? 

Dans cette deuxième partie, vous avez découvert comment alimenter et gérer la consommation électrique d'un système embarqué. L'étape suivante est de créer un lien radiofréquence avec les capteurs de service. Ce sera l'objet de la partie suivante. À tout de suite !

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite