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Mis à jour le 12/12/2019

Exploitez une source d’énergie inférieure au besoin

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Découvrez le fonctionnement d’un circuit de type BOOST

Si l'on choisit d'utiliser une pile de 1,5V, par exemple, comme source d'alimentation, alors que les composants du circuit nécessitent des tensions égales ou supérieures à 3,3V, nous devons avoir recours à un circuit élévateur de tension que l'on appelle "BOOST" et dont le schéma de principe est donné par la figure suivante :

Schéma de principe du circuit BOOST
Schéma de principe du circuit BOOST

Il s'agit d'un convertisseur DC/DC de type hacheur. Son fonctionnement est basé sur la transmission d'énergie d'une source de courant vers une source de tension à l'aide de la commutation de deux composants, qui sont ici le MOSFET K et la diode D. Ceci forme ce que l'on appelle "une cellule de commutation". L'énergie va :

  • d'une source de tension continue Vbat, qui, grâce à une inductance en série, forme une source de courant,

  • vers le circuit, qui verra une tension moyenne E supérieure à U dont le rapport E/  Vbat est défini par le rapport cyclique α de la tension  UG qui pilote le fonctionnement du MOSFET K.

Forme de la tension pour piloter le MOSFET
Forme de la tension pour piloter le MOSFET K

Le rapport cyclique est défini comme :

  α=TONT  

et la relation entre Vbat et E est donnée par :

EVbat=11α

La fréquence de découpage qui permet au MOSFET de commuter d'un état fermé à un état ouvert et vice versa doit correspondre à une période très inférieure à la constante de temps du circuit donnée par L/ Rcircuit , L étant la valeur de l'inductance et Rcircuit la valeur de la résistance totale, qui peut être représentée en série avec L.

Tous les circuits de puissance basés sur la commutation doivent satisfaire cette condition. De ce fait, le courant dans l'inductance est de forme triangulaire. Il "ondule" entre une valeur   ILmin et une valeur  ILmax .

Forme du courant dans l'inductance
Forme du courant dans l'inductance

Le courant moyen qui traverse l'inductance est donné par :

  ILmoy=ILmin+ILmax2 

L'ondulation du courant dans l'inductance est donnée par :

  ΔIL=α(1α).VBatf.L 

f est la fréquence de découpage f=1/T

Avec un maximum lorsque le rapport cyclique atteint 0,5 :

ΔILmax=VBat4.f.L

Ceci montre bien la fonction de "lissage" du courant introduit par l'inductance L à une fréquence de découpage donnée.

Et on peut montrer que le courant moyen qui va dans le circuit de charge est donné par :

  ICHmoy=(ILmin+12.VBatL.αT).(1α)  

Mode de fonctionnement discontinu :
Dans le cas d'une faible charge, c’est-à-dire si le circuit ne demande pas beaucoup de courant, la tension E ne sera plus liée à Vbat par l'intermédiaire de α.

Problème spécifique à ce convertisseur de puissance :
Dans le cas d'une faible charge, c’est-à-dire si le circuit ne demande pas beaucoup de courant, la capacité C se charge à chaque envoi d'énergie de la source d'alimentation, mais ne peut pas se décharger dans le circuit… ce qui fera monter indéfiniment la tension E, qui ne sera plus pilotée par l'intermédiaire de α : il y a alors risque de destruction de la capacité et/ou d'endommagement du circuit alimenté.

Dimensionnez le circuit de type BOOST

Nous pouvons trouver dans le commerce des circuits intégrés qui réalisent la fonction BOOST. Cependant, chez les fabricants, étant donné la faible puissance visée et la faible différence entre les tensions d'entrée et de sortie, ce composant s'appelle aussi "Step-Up".

Plusieurs constructeurs offrent sur leur site internet des moteurs de recherche élaborés, afin de rechercher finement le composant qui répond au cahier des charges que l'on se donne. Nous pouvons montrer, par exemple, une recherche d'un circuit "BOOST" chez Analog Devices :

Page présentant les produits
Page présentant les produits "Power Management" chez Analog Devices

Après avoir listé les produits et sélectionné "Power Management", nous avons le choix entre deux types de configuration de Step-Up (BOOST). Soit l'interrupteur MOSFET est intégré dans le circuit, soit il faut le rajouter à l'extérieur du circuit. Nous choisissons la première configuration et une fenêtre apparaît pour spécifier les principales caractéristiques recherchées :

Page de dialogue pour spécifier les caractéristiques du composant chez Analog Devices
Page de dialogue pour spécifier les caractéristiques du composant chez Analog Devices

Une liste de composants avec les caractéristiques souhaitées est proposée et nous sélectionnons celui qui consomme le moins de courant. Nous avons accès aux "datasheets" de chaque composant. Nous choisissons le LT1308A. Le fabricant donne un circuit typique d'utilisation de son composant (en version B) :

Circuit type pour utiliser le LT1308B fourni par le fabricant
Circuit type pour utiliser le LT1308B fourni par le fabricant

Nous adaptons ce circuit à nos besoins : entrée à 1,5V et sortie à 3,3V.

Regardons les inductances préconisées, données par le tableau suivant :

Liste des inductances préconisées par le fabricant
Liste des inductances préconisées par le fabricant

Nous pouvons rechercher l'une de ces inductances, en allant par exemple sur le site de Coilcraft, dans la série LPO. Nous obtenons les caractéristiques de l'inductance de 4,7µH. Ce qui nous donne sa résistance série, par exemple.

Caractéristiques détaillées de l'une des inductances préconisées
Caractéristiques détaillées de l'une des inductances préconisées

Concernant les condensateurs, le fabricant insiste sur leur qualité du point de vue ESR (faible). En se donnant une ondulation en sortie de 60mVP-P pour un courant de 2A, la valeur de ESR est donnée par 60mV/2A soit 0,03 Ohms.

Le fabricant donne aussi les références des condensateurs à utiliser :

Liste des condensateurs préconisés par le fabricant
Liste des condensateurs préconisés par le fabricant

Sur le site du constructeur AVX, nous pouvons obtenir les caractéristiques de leurs condensateurs dans la série TPS :

Caractéristiques détaillées de l'un des condensateurs préconisés
Caractéristiques détaillées de l'un des condensateurs préconisés

Pour chaque température les caractéristiques, dont l'ESR, sont ainsi données.

Le composant choisi permet de régler la tension de sortie à l'aide du couple de résistance R1 et R2.

La formule est donnée par :

Nous ajustons donc les résistances R1 et R2 pour avoir en sortie 3,3V. Comme il ne s'agit pour l'instant que de simulations, nous avons le loisir de choisir des valeurs qui n'existent pas dans la pratique. Lorsque l'on passera à la réalisation, il faudra les choisir dans la série des résistances existantes (E24, E48, E96). Par contre, nous avons utilisé pour la simulation les modèles de capacités et d'inductances conseillées. Le circuit de simulation est donné par :

Circuit de simulation du BOOST basé sur le LT1308A
Circuit de simulation du BOOST basé sur le LT1308A 

Expérimentez un montage de type BOOST

À l'aide de simulations, examinons le comportement transitoire du circuit BOOST. Nous commençons par voir si la tension de sortie souhaitée est obtenue. La simulation donne :

Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée
Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée

On peut voir que la tension de 3,3V est bien obtenue, mais après un transitoire qui dure environ 3,5ms.

Nous pouvons également observer la forme du courant qui traverse l'inductance :

Courant dans l'inductance L, mise en évidence des conséquences de la faible charge
Courant dans l'inductance L, mise en évidence des conséquences de la faible charge

Pour cette charge et pour ce taux d'ondulation du courant, nous avons des inquiétudes car nous sommes à la limite du fonctionnement discontinu du BOOST, qui ne pourra plus être commandé par le rapport cyclique α. En effet, ce composant peut fournir 1A en sortie, or dans notre cas la charge lui demande 25mA.

Nous décidons donc d'augmenter la valeur de l'inductance afin de voir son effet :

Courant dans l'inductance L après augmentation de sa valeur
Courant dans l'inductance L après augmentation de sa valeur

Avec L=15µH, le pic initial de courant est abaissé et le courant est parfaitement triangulaire.

Nous souhaitons aussi faire basculer la sortie de 3,3V à 5V à t=20ms. Pour cela, nous avons rajouté une résistance R2+ (calculée pour une tension de sortie de 5V), qui vient se mettre en parallèle avec R2 à t=20ms à l'aide de la mise en conduction du MOSFET M, comme le montre le circuit :

Circuit de simulation pour une tension de sortie 3,3V puis 5V
Circuit de simulation pour une tension de sortie 3,3V puis 5V

Vérifions que la tension de sortie bascule bien de 3,3V à 5V :

Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée (première phase)
Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée (première phase)
Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée (à partir de 18ms)
Vérification de l'obtention de la tension de sortie souhaitée (ici t=0 est à t= 18ms)

Nous remarquons que le temps d'établissement de la tension passe de 3ms pour 3,3V à 5ms pour celle de 5V.

À l'initialisation du circuit et lorsque les condensateurs sont déchargés, un appel de courant transitoire apparaît dès que l'on active le circuit.

Le fabricant a prévu un dispositif appelé "soft-start" décrit par le schéma  suivant :

Circuit additionnel
Circuit additionnel "soft-start" pour limiter l'appel en courant au démarrage

En analysant la structure interne du LT1308 donnée par le fabricant, on comprend que ce circuit additionnel joue sur l'asservissement du DC-DC. Au démarrage, la résistance R4 est mise en parallèle avec Rc et Cc grâce à la conduction du transistor bipolaire Q1 pendant le temps du régime transitoire défini par le couple R3, C4.

Ce chapitre vient de présenter les convertisseurs DC/DC capables de « booster » une source d’alimentation. L’architecture, décrite dans les notes d’applications ou les datasheet constructeurs, permet de définir la self et condensateurs et résistances pour définir une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée.

Le concepteur prêtera attention à la taille de la self et aux paramètres du rendement de conversion qui est fonction du courant de sortie et du courant consommé par le convertisseur (Iquiescent).

Le chapitre suivant présente le cas où la source d’alimentation est supérieure au niveau de tension des composants et répond à la question : peut-on alimenter une carte qui nécessite une tension de 3.3V avec une pile alcaline 9V ? La réponse triviale du pont diviseur est NON mais le choix va s’orienter entre LDO ou BUCK !

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite