Génération d'une haute tension de sortie CC à partir d'une faible alimentation d'entrée

Stimulée par les applications portables et corporelles, la tendance dans de nombreuses conceptions évolue résolument vers des tensions d'alimentation de 3,6 V ou inférieures. Cependant, de nombreux dispositifs portables sont dotés de fonctions spécifiques qui requièrent de plus hautes tensions, obligeant les concepteurs à passer aux niveaux requis aussi efficacement que possible grâce à l'implémentation optimale de convertisseurs élévateurs CC/CC.

Cet article s'intéresse à l'objectif d'utilisation des régulateurs élévateurs CC/CC et en décrit la topologie. Il présente ensuite des exemples de dispositifs et traite des techniques de conception et des compromis nécessaires pour développer la conception optimale pour une application portable ou corporelle.

Le rôle des convertisseurs élévateurs CC/CC

Un dispositif portable ou corporel typique utilise une cellule Li-ion avec une sortie nominale de 3,6 VCC. La plupart des applications alimentées par batterie utilisent une ou plusieurs cellules Li-ion connectées en série comme tension d'alimentation principale. Bien que cela soit suffisant pour de nombreuses applications, les ordinateurs portables, tablettes et autres dispositifs mobiles intègrent des fonctions spécifiques qui nécessitent des tensions beaucoup plus élevées.

C'est le cas par exemple des circuits d'attaque pour les systèmes de rétroéclairage à diodes électroluminescentes (LED) blanches, des émetteurs-récepteurs RF, des circuits analogiques de précision et des circuits de polarisation pour les photodiodes à avalanche (APD) que l'on trouve dans les récepteurs optiques. Un régulateur élévateur CC/CC répond à ces exigences d'application en transformant une basse tension d'entrée en une tension de sortie plus élevée.

Topologie typique d'un convertisseur élévateur

Les composants clés d'un régulateur élévateur sont les suivants : une inductance, un commutateur à semi-conducteurs (le plus souvent un transistor MOSFET de puissance), une diode de redressement, un bloc de commande de circuit intégré et des condensateurs d'entrée et de sortie (Figure 1).

Figure 1 : Configuration de base d'un régulateur élévateur, illustrant la direction du flux de courant lorsque le commutateur est ouvert et fermé (source de l'image : DigiKey Electronics, d'après des supports de Texas Instruments)

Lorsque la tension d'entrée V_IN est appliquée et que le commutateur est fermé, le courant circule à travers l'inductance le long du trajet bleu vers la masse. L'inductance stocke l'énergie dans son champ magnétique. La diode est polarisée dans le sens inverse et la tension au niveau du condensateur de sortie chute lorsque son énergie stockée alimente la charge.

Inversement, lorsque le commutateur est ouvert, le courant circule le long du trajet rouge tandis que le champ magnétique s'effondrant génère une tension positive et transfère l'énergie de l'inductance à travers la diode polarisée directe pour charger le condensateur de sortie et alimenter la charge.

La variation du rapport cyclique du commutateur permet au bloc de commande de maintenir une tension de sortie constante en réponse aux variations de tension d'entrée et aux changements de charge. Un diviseur résistif au niveau de la sortie permet de fournir au bloc de commande une rétroaction de tension pour ajuster le rapport cyclique et maintenir la valeur de tension de sortie souhaitée.

En plus de ces fonctions de base, les conceptions intégrées incluent également une sélection de fonctionnalités de protection contre la surchauffe, les courts-circuits de sortie, les conditions de charges ouvertes, la surintensité d'entrée, et plus.

Une amélioration courante du circuit de base consiste à substituer un deuxième MOSFET pour la diode. Le deuxième MOSFET fonctionne comme un redresseur synchrone qui s'allume lorsque le commutateur s'éteint. Sa chute de tension plus faible réduit la dissipation de puissance, augmentant ainsi le rendement du régulateur.

Une conception synchrone est un avantage dans un dispositif alimenté par batterie, dans lequel un rendement plus élevé équivaut à une durée de vie plus étendue de la batterie. En outre, les dispositifs portables et corporels présentent généralement des contraintes d'espace. Les convertisseurs élévateurs destinés à ces applications offrent donc souvent un haut niveau d'intégration. L'inclusion de composants de puissance dans le boîtier limite le courant pouvant être fourni, mais cela reste acceptable dans une conception alimentée par batterie. Beaucoup de ces applications restent en mode d'arrêt pendant de longues périodes et une consommation de courant de repos ultrabasse est donc primordiale.

Le TPS610993YFFT de Texas Instruments est un exemple de régulateur élévateur basse consommation (Figure 2). Il s'agit d'un dispositif synchrone qui consomme seulement 1 microampère (μA) de courant de repos, mais qui peut fournir jusqu'à 800 milliampères (mA) et générer une tension de sortie de 3,0 V avec une tension d'entrée de seulement 0,7 V. Le dispositif est conçu pour optimiser le rendement de fonctionnement à faibles charges. Il peut fonctionner avec une pile alcaline ou de type rechargeable (par exemple NiMH ou Li-ion).

Figure 2 : La gamme TPS61099x peut fournir jusqu'à 5,5 V à partir d'une tension d'entrée de 0,7 V. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le TPS610993 intègre à la fois le commutateur et le redresseur synchrone dans un boîtier WCSP à 6 billes mesurant seulement 1,23 mm x 0,88 mm. Grâce à sa taille compacte, il est parfaitement adapté aux moniteurs de fréquence cardiaque optiques, aux circuits d'attaque de polarisation d'écrans à cristaux liquides (LCD) à mémoire, et à d'autres applications soumises à des contraintes d'espace. Le dispositif fait partie de la gamme de produits TPS61099x, avec des tensions de sortie s'étendant de 1,8 V à 5,5 V.

Pour produire une tension plus élevée pour les circuits de flash d'appareil photo de smartphone ou les lampes LED alimentées par batterie, le MCP1665 de Microchip Technology adopte une approche différente : il intègre un commutateur NMOS de 36 V et 100 mΩ, mais utilise une diode externe dans une topologie non synchrone.

Figure 3 : Le MCP1665 de Microchip peut produire jusqu'à 32 V à partir d'une batterie Li-ion, NiMH ou NiCd. (Source de l'image : Microchip Technology)

Ce dispositif peut fournir jusqu'à 1 000 mA à partir d'une alimentation de 5 V et il inclut des fonctionnalités telles que la tension de démarrage contrôlée, un choix de modes de fonctionnement et une fréquence de commutation de 500 kHz. L'architecture en mode courant de crête atteint un rendement élevé sur une plage de charges étendue.

Dans certaines applications d'élévation, le maintien de la tension de sortie à une valeur définie n'est pas l'objectif de conception principal. Dans un circuit d'attaque de rétroéclairage LED, la luminosité LED souhaitée est fonction du courant qui traverse la chaîne de LED. Le courant circulant à travers une résistance shunt forme donc la tension de rétroaction vers le contrôleur et détermine la tension d'élévation. L'AP3019AKTR-G1 de Diodes Incorporated est un exemple de convertisseur élévateur optimisé pour commander une chaîne composée de huit LED maximum pour les applications de rétroéclairage (Figure 4).

Figure 4 : Fonctionnant à une fréquence de commutation typique de 1,2 MHz, le circuit d'attaque AP3019A inclut des fonctionnalités spécialisées pour contrôler la luminosité d'une chaîne de rétroéclairage LED. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Optimisé pour les applications à contraintes d'espace, le dispositif comprend à la fois le commutateur et la diode en interne. En outre, une fréquence de commutation de 1,2 MHz permet l'utilisation de minuscules composants externes. L'AP3019A peut fournir jusqu'à 550 mA dans un boîtier SOT-23-6.

La broche CTRL est une entrée d'arrêt et de gradation spécialisée : le branchement de la broche à une tension supérieure ou égale à 1,8 V active le dispositif, et une tension inférieure ou égale à 0,5 V le désactive. En outre, l'application d'un signal PWM permet d'implémenter le contrôle de luminosité LED.

Conseils de conception pour optimiser le rendement

Dans certains des dispositifs déjà abordés, le fabricant a déjà défini certains paramètres en interne, mais un concepteur a généralement le choix entre plusieurs compromis pour optimiser le rendement de conversion. De plus, il faut veiller à choisir les composants externes corrects, conformément aux directives qui suivent.

Fréquence de commutation : bien que la fréquence de commutation n'affecte pas directement la tension de sortie, elle a un effet considérable sur la conception de l'alimentation. En général, une fréquence de commutation plus élevée permet au concepteur d'utiliser une inductance et des condensateurs plus petits pour une application donnée. La taille de l'inductance est principalement déterminée par la quantité de courant ondulé admissible. Pour une inductance donnée, le courant ondulé diminue à mesure que la fréquence de commutation augmente : plusieurs dispositifs étant proposés, un concepteur peut sacrifier une fréquence de commutation plus élevée au profit d'une inductance plus petite tout en conservant le même courant ondulé.

Un fonctionnement à plus haute fréquence donne au régulateur à découpage une bande passante plus importante, ce qui permet de raccourcir le temps de réponse transitoire. Une inductance plus petite réduit également la taille et le coût de l'alimentation.

Sélection de l'inductance : l'inductance est un composant clé du régulateur élévateur. Elle stocke l'énergie lorsque le commutateur est activé, et transfère cette énergie à la sortie via la diode de redressement de sortie lorsque le commutateur est désactivé.

Le concepteur doit faire un compromis en choisissant entre un faible courant ondulé de l'inductance et un rendement élevé. Une inductance à plus faible valeur présente un courant de saturation plus élevé et une résistance série inférieure pour une taille physique donnée, mais entraîne des courants de crête plus élevés pouvant réduire le rendement et augmenter l'ondulation et le bruit.

Lors de la sélection d'une inductance appropriée, le courant de saturation nominal de l'inductance doit être supérieur au courant de crête de l'inductance, et le courant nominal efficace de l'inductance doit être supérieur au courant d'entrée CC maximum du régulateur.

La plupart des fiches techniques des régulateurs élévateurs incluent des recommandations d'inductance pour différents courants de charge et différentes tensions. La fiche technique du MCP1665 de Microchip, abordé plus haut, recommande l'inductance 4,7 µH ELL-8TP4R7NB de Panasonic Electronic Components pour des tensions de sortie inférieures à 15 V, mais l'inductance 10 µH 7447714100 de Wurth Electronics pour des tensions de sortie plus élevées.

Sélection de la diode

Dans une conception non synchrone, il est recommandé d'utiliser une diode Schottky, qui présente une tension directe inférieure, pour réduire les pertes. Le courant nominal direct moyen de la diode doit être supérieur ou égal au courant de sortie maximum. Le courant nominal direct répétitif de crête de la diode doit être supérieur ou égal au courant de crête de l'inductance. Par ailleurs, la tension de claquage inverse de la diode doit être supérieure à la tension nominale du commutateur interne.

Le MCP1665, par exemple, présente un commutateur interne de 36 V et peut fournir jusqu'à 1 A. Microchip recommande donc d'utiliser la diode Schottky STPS2L40VU de STMicroelectronics, un dispositif avec une tension de claquage inverse de 40 V et un courant direct de 2 A.

À hautes températures, le courant de fuite de la diode peut également avoir un effet considérable sur le rendement opérationnel du convertisseur. Pour les forts courants et les hautes températures ambiantes, utilisez une diode présentant de bonnes caractéristiques thermiques.

Condensateurs d'entrée et de sortie : dans la topologie d'élévation, l'inductance atténue les demandes transitoires liées au circuit de puissance qui alimente le circuit du régulateur, réduisant ainsi le filtrage d'entrée requis. Un condensateur céramique avec caractéristique X5R est souvent suffisant pour une température de fonctionnement de +85°C, mais des condensateurs X7R à faible résistance série équivalente peuvent être nécessaires pour un fonctionnement à +125°C.

Si l'impédance de la source d'alimentation est trop élevée pour maintenir la tension d'entrée au-dessus du seuil de verrouillage en cas de sous-tension en conditions de charge élevée, un condensateur électrolytique ou tantale supplémentaire peut également être requis.

Du côté de la charge, le condensateur de sortie réduit l'ondulation de charge et contribue à fournir une tension de sortie stable pendant les transitoires de charge. Un condensateur céramique X7R est recommandé pour le condensateur de sortie : les autres types peuvent présenter une résistance série équivalente élevée qui réduit le rendement du convertisseur.

La valeur CC du condensateur doit être bien supérieure à la tension de sortie V_OUT maximum, car les condensateurs céramique perdent de leur efficacité lorsqu'ils fonctionnent à une tension proche de leur tension maximale. Consultez la fiche technique pour des recommandations sur la sélection du condensateur.

Points à prendre en compte pour la configuration du régulateur élévateur : en raison des caractéristiques de commutation haute vitesse, les performances du régulateur élévateur sont très sensibles à la configuration de la carte à circuit imprimé. L'inductance et la capacité parasites peuvent provoquer une ondulation de sortie élevée, une régulation de sortie médiocre, des interférences électromagnétiques (EMI) excessives et même une défaillance due à une pointe de tension élevée.

Le concepteur doit donc porter une attention particulière à la configuration de la carte à circuit imprimé en suivant les conseils ci-dessous :

1. Les condensateurs de sortie doivent être situés à proximité du dispositif et connectés via des pistes courtes et larges afin de réduire l'inductance parasite qui peut provoquer des oscillations et des pics de tension. Les traversées multiples aident à réduire la capacité parasite.
2. Après avoir placé le condensateur de sortie, placez l'inductance à proximité du circuit intégré pour réduire les interférences électromagnétiques rayonnées. Étant donné que le nœud SW (voir Figures 2, 3, 4) est électriquement bruyant, routez le signal de rétroaction (FB) et les autres pistes sensibles à l'écart de ce nœud.
3. Le nœud de masse du condensateur d'entrée doit également être proche de la broche de masse du circuit intégré pour réduire la zone de boucle.
4. Pour de meilleures performances thermiques, la configuration doit inclure des traversées thermiques depuis la pastille thermique du dispositif (le cas échéant) jusqu'au plan de masse ; celles-ci améliorent la dissipation thermique et réduisent le risque de blocage thermique.
5. La masse d'alimentation, la masse du signal et la pastille thermique doivent être reliées ensemble à un seul point de masse à faible impédance.

Outils de conception en ligne pour accélérer le processus de conception

Une conception d'alimentation efficace nécessite une expertise dans plusieurs domaines, notamment l'évaluation et la sélection des composants, la technologie magnétique, la conception d'un circuit de compensation, l'optimisation, l'analyse thermique, la configuration, et plus encore.

Conscients de la complexité de la tâche, plusieurs fournisseurs de semi-conducteurs de puissance proposent des outils de conception en ligne utiles qui guident les ingénieurs tout au long des étapes nécessaires à une conception réussie.

Texas Instruments propose plusieurs outils. Power Stage Designer™, par exemple, aide à la conception des alimentations à découpage les plus couramment utilisées. Pour les convertisseurs élévateurs, il existe un choix de topologies de types élévateur, abaisseur-élévateur et SEPIC. Après avoir sélectionné une topologie proposée, le programme aide le concepteur à comparer les performances de différents FET de puissance, à choisir un condensateur de découplage, à déterminer le réseau de compensation et à effectuer d'autres fonctions de conception.

ADI propose le jeu d'outils de conception ADIsimPower™, qui aide le concepteur à générer une nomenclature et un schéma complets, et à calculer les performances du circuit. ADIsimPower permet d'optimiser les conceptions en termes de coût, de surface, de rendement ou de nombre de composants, tout en tenant compte des conditions de fonctionnement et des limitations du circuit intégré et des composants externes.

Conclusion

En permettant l'utilisation de fonctions de circuit à plus haute tension, le régulateur élévateur joue un rôle important dans les conceptions de dispositifs portables et corporels alimentés par batterie. Cependant, les concepteurs doivent choisir un dispositif qui correspond à l'application d'élévation requise et prêter attention à un certain nombre de compromis et de bonnes pratiques en matière de conception.