Techniques et topologies de convertisseurs CC/CC pour obtenir des rapports d'élévation importants

Qu'il s'agisse de polariser les photodiodes à avalanche (APD) que l'on trouve dans les récepteurs optiques, de commander des tubes-éclairs dans les appareils photos avec flash ou encore de charger des condensateurs haute tension, le besoin en sources haute tension ne cesse de croître. Par conséquent, dans les unités alimentées par batteries où la tension d'alimentation d'entrée est faible, des convertisseurs élévateurs CC/CC sont nécessaires pour générer des tensions pouvant atteindre plusieurs fois la tension d'entrée. Pour répondre à ces exigences, des fournisseurs tels que Analog Devices, Linear Technology, Maxim Integrated et Micrel Inc., pour ne citer que quelques exemples, ont produit des convertisseurs élévateurs avec des tensions de sortie de 70 V et au-delà.

Cet article étudie ces solutions et décrit les topologies et les techniques utilisées par chacune d'elles pour élever les tensions de sortie selon un rapport de 10 pour 1, ou plus performant encore, pour générer des tensions CC élevées à partir d'entrées CC très faibles.

Des rapports d'élévation performants

Selon la note d'application AN-1126¹ d'Analog Devices, plusieurs topologies de convertisseurs CC/CC permettent d'obtenir des rapports d'élévation relativement importants (> 10:1). Il s'agit notamment d'élévation simple, d'élévation multipliée de pompe à charge et d'élévation d'inductance à prises, comme illustré à la Figure 1. Si ces topologies présentent toutes de nombreux avantages, les techniques associées comportent néanmoins des inconvénients notables pour fournir une puissance significative à des rapports d'élévation importants.


Figure 1 : Traditionnellement, les topologies permettant d'obtenir des rapports d'élévation relativement importants (> 10:1) supposent une élévation simple (a), une élévation multipliée de pompe à charge (b) et une élévation d'inductance à prises (c) (avec l'autorisation d'Analog Devices).

Selon la note d'application d'ADI, en présence de rapports d'élévation importants, une élévation simple impose à la fois des contraintes de haute tension et de fort courant sur le transistor MOSFET Q1, ce qui se traduit par des pertes élevées de conduction et de commutation. Une haute tension sur le redresseur empêche également l'utilisation de diodes Schottky efficaces. De la même manière, dans le cadre d'une topologie d'élévation multipliée de pompe à charge, chaque étage du multiplicateur de pompe à charge nécessite l'ajout de deux diodes supplémentaires, ce qui contribue à une perte de la chute de tension directe. Par ailleurs, les condensateurs de pompe doivent présenter une valeur importante pour éviter de créer des courants de crête élevés et un affaiblissement cyclique important. Des courants de crête élevés sont également susceptibles d'augmenter le courant de commutation efficace, ce qui a tendance à altérer les formes d'ondes de contrôle de mode courant.

Avec la topologie d'élévation d'inductance à prises, les contraintes de tension sur le redresseur de sortie sont importantes. Et, toujours selon ADI, on assiste à une inductance de fuite du transformateur. Cette inductance de fuite entraîne des pics de tension et des oscillations, qui, à leur tour, provoquent des interférences électromagnétiques et augmentent les contraintes de tension à la fois sur le transistor MOSFET et sur le redresseur de sortie. Bien que ces effets négatifs puissent être contrôlés à l'aide d'amortisseurs, cela nuit à la puissance et se traduit par l'ajout de composants supplémentaires et un plus grand encombrement sur la carte.

Topologie améliorée

La note d'application AN-1126 d'ADI propose une nouvelle topologie de convertisseurs qui pallie les inconvénients des topologies traditionnelles dans le but de fournir une puissance significative à des rapports d'élévation importants avec des contraintes minimales de tension et de courant au niveau des commutateurs. Elle permet l'utilisation de redresseurs Schottky et de transistors MOSFET à valeur nominale modérée, tout en fonctionnant à des rapports cycliques modérés pour un contrôle CCM (mode de conduction continue) et PWM plus aisé. De plus, elle évite les pics de tension et les oscillations inhérents à l'inductance de fuite du transformateur.

Toujours selon la note d'application d'ADI, le convertisseur élévateur SEPIC multiplié (Figure 2) permet d'atteindre tous les objectifs cités précédemment en réduisant les contraintes de tension et de courant sur le commutateur principal et les redresseurs, et en réduisant les variations de tension crête à crête sur le nœud de commutation, ce qui contribue à faire baisser sensiblement les pertes de commutation, les interférences électromagnétiques et le bruit. En outre, il fonctionne selon un rapport cyclique modéré pour permettre un mode de conduction continue (CCM) avec un contrôle de mode courant simple. Il permet ainsi de sélectionner facilement les composants selon le meilleur compromis possible en termes de coûts et de performances.


Figure 2 : Convertisseur élévateur SEPIC multiplié à deux étages.¹

La technique d'élévation SEPIC multipliée présente également certains inconvénients. Outre l'accroissement du nombre de redresseurs connectés en série, qui augmente la chute de tension directe du redresseur résultant en des pertes plus élevées, elle augmente la complexité du circuit et le nombre de composants. De plus, la technique d'élévation SEPIC multipliée n'est pas recommandée lorsque les tensions d'entrée et de sortie sont élevées.

Le recours au contrôleur élévateur en mode courant à fréquence fixe ADP1621 dans la configuration d'élévation SEPIC multipliée a permis aux ingénieurs d'ADI de créer et de tester un convertisseur élévateur de 12 V_CC en entrée/200 V_CC en sortie, à un courant de sortie de 250 mA (Figure 3). Dans cette conception, des redresseurs Schottky et des MOSFET de 60 V nominaux sont utilisés, tandis que le comparateur ADCMP354 (U2) assure le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) en entrée. Le convertisseur élévateur a démontré un rendement dépassant 91 %, selon ADI. La sélection des composants pour ce circuit est traitée en détail dans la note d'application d'ADI.


Figure 3 : Ce convertisseur élévateur CC/CC basé sur l'ADP1621 a recours à une configuration d'élévation SEPIC multipliée 5x pour offrir une sortie de 200 V_CC à 250 mA à partir d'une entrée de 12 V_CC.

Chargeur indirect

Pour les dispositifs d'échantillonnage ou de lampe-éclair qui fonctionnent en déchargeant un condensateur haute tension dans une ampoule, Micrel a mis au point un circuit de chargeur indirect élévateur faisant appel à un régulateur à découpage MIC3172. Comme illustré à la Figure 4, ce circuit simple génère de manière fiable 300 V_CC à partir d'une faible tension d'entrée comprise entre 3 et 10 V_CC, ce qui permet de charger un condensateur haute tension. Il assure sécurité et isolement grâce au transformateur indirect. Comme indiqué dans la note² d'application 20 de Micrel, la tension de sortie prédéfinie est déterminée par le diviseur résistif (R1, R2 et R3), ainsi que par la référence interne de 1,24 V du MIC3172. Elle est calculée comme suit :

V_OUT = V_REF[1 + (R1 + R2)/R3]

Le circuit utilise un nombre minimal de composants afin de réduire l'encombrement sur la carte et d'augmenter la fiabilité. Micrel indique que la tension dans le condensateur augmente à chaque cycle de commutation jusqu'à ce qu'elle atteigne la valeur prédéfinie ; une fois que cette tension est atteinte, le MIC3172 met fin à la commutation. Étant donné que la fuite d'énergie dans les composants de sortie entraîne le déchargement du condensateur au fil du temps, le MIC3172 fournit des impulsions d'énergie occasionnelles pour maintenir le condensateur entièrement chargé, selon Micrel. Lorsque le condensateur de sortie est déchargé dans l'ampoule, le processus de charge se répète.


Figure 4 : Circuit de chargeur indirect élévateur utilisant un régulateur à découpage MIC3172. Il produit une sortie de 300 V_CC à partir d'une entrée comprise entre 3 et 10 V_CC.

De la même manière, pour polariser les photodiodes à avalanche (APD) dans les récepteurs optiques, Linear Technology a mis au point un convertisseur élévateur CC/CC en mode courant, appelé LT3571 et capable de générer une tension de sortie atteignant 75 V_CC à partir d'une entrée de seulement 5 V_CC. Il présente un moniteur de courant d'APD à chute de tension fixe haut potentiel d'une précision relative supérieure à 10 % sur l'intégralité de la plage de températures. L'interrupteur intégré, la diode Schottky et le moniteur de courant d'APD offrent une solution à faible encombrement et à moindre coût. Cette solution associe une boucle de tension traditionnelle et une boucle de courant unique pour fonctionner en tant que source de courant ou de tension constante. Les détails de l'application sont traités de manière approfondie dans la fiche technique du produit. Pour des applications similaires qui requièrent une précision d'environ 2 % pour le moniteur de courant d'APD, Linear propose son modèle LT3905 avec une plage de tensions d'entrée réduite.

En conclusion, les ingénieurs peuvent faire appel à différents fournisseurs de convertisseurs élévateurs CC/CC proposant des rapports d'élévation relativement importants. Toutefois, chaque solution est unique et présente à la fois des avantages et des inconvénients. Par conséquent, le concepteur doit lire attentivement la fiche technique du produit pour s'assurer que ce dernier correspond à la solution attendue en fonction d'une application donnée.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages d'informations produits sur le site Web de DigiKey.

Références

1. Note d'application AN-1126, Analog Devices, Norwood, Mass.
2. Note d'application 20, « Photoflash High-Voltage Supply » par Steve Chenetz, Micrel Inc.