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Mis à jour le 12/12/2019

Exploitez une source d’énergie supérieure au besoin

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Découvrez des solutions pour réduire la tension

Toujours dans le contexte d’objets nomades de l’IoT, on se place ici dans le cas où la tension à créer pour la carte est inférieure à la fem de la source d'énergie embarquée. Au niveau du convertisseur DC/DC, cela se traduit par Vin>Vout, avec différentes configurations et ordres de grandeur pour des objets nomades de l’IoT :

  •   Vin[ 3.5V; 12V],

  •   Vout[1.8V; 3.3V], tension compatible Low Power des composants de la carte électronique,

  •  IL[0.1A; 1A], habituellement la centaine de mA, mais pour un GSM de pics dépassant l’ampère.

On souhaite « abaisser » cette tension Vin pour créer une tension régulée Vout selon le principe d’une conversion « continue continue ».

Symbole d’un convertisseur source de tension continue, charge tension continue

Les fabricants développent des composants qui sont répertoriés dans la catégorie « Power Management ».

Page Web du constructeur Analog Device qui référence le catalogue des composants dédiés à la gestion de l’énergie.  https://www.analog.com, choisir rubrique « Power Management »
Page web du constructeur Analog Device, qui référence le catalogue des composants dédiés à la gestion de l’énergie. https://www.analog.com, choisir rubrique « Power Management »

Comment et pourquoi ces appellations ?

C’est la « technique » avec laquelle on va abaisser la tension Vin qui détermine la dénomination des convertisseurs DC/DC, qui sont de type « LDO » ou « BUCK » :

  •  Vout est obtenue à partir de Vin ou de son asservissement en régime continu :

    • on utilise une diode Zéner en inverse ; ce montage va être très peu utilisé au vu des pertes rédhibitoires définies par (VinVz) [IL+Iz] dans la résistance de polarisation,

    • on utilise un LDO (Low Drop Out) de la famille des Linear Voltage Regulator pour « abaisser la tension Vin ».

  •  Vout  est obtenue en « hachant » Vin par l’association d’un interrupteur de puissance (transistor bipolaire, MOSFET, ou thyristor pour des fortes puissances), diode, self, condensateur :

    • on utilise un « BUCK » ou « Step Down » de la famille des « Switching Regulators » pour « abaisser la tension Vin ».

 Comment choisir entre LDO et BUCK ?

La réponse diffère selon les critères de choix.

  • Si l'on considère uniquement le rapport signal sur bruit (ou SNR du terme anglais signal-to-noise ratio) :    Vout étant donné, de par son fonctionnement intrinsèque (avec une séquence de hachage) le BUCK va générer des harmoniques dans la tension Vout  et donc du bruit. Ainsi, si le critère de choix est de minimiser le bruit spectral dans  Vout, on privilégiera la solution de type LDO à celle du BUCK.

  • Mais si le critère de choix est le rendement électrique alors on pourrait se risquer à classer le choix ainsi :

    • si la différence de tension ΔVDC/DC= VinVout  est  faible (1V à 2V maximum) alors le LDO aura la préférence sachant que : Min(Vin)=Vout+Vdropout du LDO.

    • si  ΔVDC/DCest important, la solution LDO générant des pertes importantes et donc un rendement faible, on lui préférera la solution BUCK qui offrira le meilleur rendement.

Les fabricants définissent Iq , "quiescent current ", qui est le courant consommé par le convertisseur pour réaliser la fonction.

On peut calculer, pour un LDO, son rendement η  défini selon :

   η=PoutPin=PoutPout+Ppertes=(1+PpertesPout)1  

avec :  Ppertes=(VinVout)(IL)+IqVin et  Pout=ILVout 

Parce que les « verrous » ne prennent forme qu’avec des calculs, illustrons ainsi les pertes d’un LDO avec IL=100mA et comparons à un BUCK.

Calcul de rendement fonction de Vin
Calcul de rendement fonction de Vin

Calcul de rendement fonction de Vin

Sur cet exemple on quantifie, par le calcul, de combien chute le rendement du LDO pour un ΔVDC/DC plus grand, en comparant les 27.5% aux 80% d’un BUCK, comme l’illustre la figure suivante.

Rendement du Buck LTC3621 pour Vin=12V
Rendement du Buck LTC3621 pour Vin=12V  - Source : https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3621fc.pdf

Apprenez à choisir un composant de type LDO et à l'utiliser

Le principe d’un régulateur linéaire de tension est schématisé par la figure suivante, où l'on identifie le principe de régulation continue avec un comparateur, une tension de référence et un PMOS, qui absorbe la différence de potentiel (tension de déchet ou dropout, d’où le qualificatif LDO) entre la tension d’entrée et la tension de sortie : ce transistor joue le rôle d'un ballast.

Architecture d’un régulateur de tension linéaire LDO
Architecture d’un régulateur de tension linéaire LDO

Prenons comme exemple de LDO le LT1965, pour lequel une première lecture du datasheet (voir partie 5) permet d’identifier les paramètres de choix pour le concepteur :

ILmax=1.1A, Iq=500μA, Vin[ 1.8V; 20V], Vout[1.5V; 3.3V], Min(Vin)=Vout+Vdropout=Vout+0.31V

Description générale d’un régulateur LDO de référence LT1965
Description générale d’un régulateur LDO de référence LT1965

Poursuivons l’analyse du datasheet en identifiant le schéma d’application, où trois éléments doivent « attirer » l’attention :

  • ce LDO n’est pas réglable par un pont diviseur de résistances et c’est sa référence qui définit la valeur de la tension de sortie ;

  • le Dropout n’est pas fixe mais augmente avec  IL ;

  • il faut ajouter systématiquement des condensateurs amont et aval.

Schéma d’application typique et courbe soulignant la corrélation tension de dropout-courant de sortie
Schéma d’application typique et courbe soulignant la corrélation tension de dropout-courant de sortie

En observant les déclinaisons de références, on comprend que la dénomination inclue la valeur de la tension Vout.

Tableau de références constructeur
Tableau de références constructeur

On note aussi qu’il existe des références telles que « AJUSTABLES » LT1965EDD ou LT1965IDD,  qui sont ajustables par pont de résistances.

Dimensionnement de la tension de sortie au moyen de résistances externes au régulateur
Dimensionnement de la tension de sortie au moyen de résistances externes au régulateur

Simulons le comportement transitoire en charge du LDO en utilisant le logiciel LTSPICE, avec :

  •  Vin=4.5V  (3 piles 1.5V en série),

  • un transitoire de Power-on d’une durée de  1ms,

  •  Vout=3.3V avec IL=1A, d’où la charge de 33Ω et le couple de résistances dans la série E96.

Schéma d'application du LT1965
Schéma d'application du LT1965
Evolution du régime transitoire du LT1965 en charge consécutif à un « Power On »
Évolution du régime transitoire du LT1965 en charge, consécutif à un « Power On »

Et si on voulait quand même utiliser un LDO, à la place d’un BUCK, lorsqu’une « grande » différence de tension existe entre la tension d’entrée et de sortie, en se posant la question de la puissance à dissiper ?

La fausse première bonne idée serait de cascader plusieurs LDO utilisés avec un  ΔVDC/DC proche de Vout+Vdropout+ Vmarge.

Illustrons sur l’exemple ci-après, avec une problématique de 1×6=6W  à dissiper par le régulateur, qui imposerait des exigences sur le choix du composant et un radiateur…

Une solution pour abaisser une tension d’entrée élevée
Une solution pour abaisser une tension d’entrée élevée

Il est donc nécessaire de diminuer la tension en amont du régulateur, jusqu’au maximum possible pour un LDO, qui est donné par Vout+ Vdropout.

Si l'on prend une autre référence de LDO, par exemple chez Texas Instrument :

  • le TLV767 n’est pas vraiment un LDO (mais un régulateur linéaire standard) avec son « dropout » de l’ordre de 1.5V,

  • le LD39100 a un dropout de 200mV  à 1A avec un  Iq=200µA .

Avec le LD39100, on définit une tension minimale en entrée du LDO égale à 3.3V, pour se donner « une légère marge ».

Dès lors comment abaisser la tension depuis le 9V  vers un 3.3V ?

  • La vraie fausse bonne idée pourrait être d’associer en série des diodes qui vont abaisser la tension (via leur tension  Vf ) et dissiper de l’énergie. Si le delta, ici presque 6V, est grand, alors cette solution n’est pas « industriellement » raisonnable du point de vue encombrement et coût.

  • Une autre approche consiste à faire dissiper par le VCE d’un transistor, comme illustré dans le montage proposé. Le dimensionnement de la diode Zener s’effectue selon :

     VZ VBE, transistor= 3.3V , soit VZ=4V  (en considérant VBE=0.7V  pour IC=1A )

Ainsi, la référence ACZRM5229B-HF convient avec un Vz=4.3V, donc une tension en amont du LDO égale à 3.6V, ce qui ramène à 5.4W à dissiper par le transistor, contre 600mW par le LDO qui est dans une plage de fonctionnement nominale sans élévation thermique.

Apprenez à choisir un composant de type BUCK et à l'utiliser

Ce convertisseur va abaisser la tension Vin et créer la tension Vout, via une cellule de commutation dont le principe « de base » repose sur la transmission d'énergie d’une source de tension vers une source de courant par commutation du MOSFET et de la diode. Plus précisément, on identifie deux phases :

  • Le MOS commute avec un rapport cyclique α=TonT et est passant pendant la phase Ton : le courant traverse L et charge le condensateur C, la diode DR est bloquée.

  • Le MOS est ouvert dans la phase (1α)T et déconnecte l’entrée  Vin. Ici, c’est la conduction de la diode qui permet la circulation du courant  pour éviter toute discontinuité. 

On définit la tension de sortie par la relation  Vout=αVin qui, sur les composants, est définie par un couple de résistances.

Principe de la conversion du convertisseur DC/DC de type Buck
Principe de la conversion du convertisseur DC/DC de type Buck

Le concepteur devra choisir les éléments à placer « autour » du BUCK :

  • la diode,

  • les composants passifs L et C, pour lisser respectivement le courant et la tension,

  • deux résistances qui vont définir la valeur de  Vout.

Architecture interne du LTC3621
Architecture interne du LTC3621

Prenons l’exemple du LTC3621 dont la première page du datasheet est ci-après.

Description générale d’un régulateur LDO de référence LTC3621
Description générale d’un régulateur LDO de référence LTC3621

On identifie les paramètres du composant :

  • la plage d’entrée, ici Vin[2.7V; 17V]  

  • le courant max de sortie ILmax=1A 

  • un faible Iq=3.5µA ,

  • les fréquences du « switcher », qui hache à 1MHz  et  2.25MHz 

  •  Vout[0.6V; Vin] ]

Avec les préconisations constructeur pour la schématique et les deux résistances 604k  et 191k .

Schéma d’application typique
Schéma d’application typique

Simulons le comportement transitoire en charge du BUCK, en utilisant le logiciel LTSPICE avec Vin=4.5V  (3 piles 1.5V en série).

Schéma d'application du LTC3621
Schéma d'application du LTC3621

Observation du régime transitoire du LT3621 en charge consécutif à un « Power On »
Observation du régime transitoire du LT3621 en charge, consécutif à un « Power On »

La tension de sortie Vout est régulée après un « soft start » de 889µs (contre 800µs dans le datasheet).

LDO, BUCK, dropout, puissance à dissiper… vous voilà prêt à adapter « à la baisse » une source d’énergie de fem supérieure à celle définie par la carte électronique. Au bilan, c’est toujours une question de rendement qui orientera le choix du type de convertisseur sans omettre de prendre en compte la consommation intrinsèque du convertisseur.

La question qui se pose à présent est : comment recharger une batterie Lipo avec ou sans contacts externes ? Le chapitre suivant détaille les solutions de recharge filaire ou par induction.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite