Gestion des variations de tension dans les conceptions IIoT

Les équipements électroniques de nombreux systèmes de contrôle industriel ont été traditionnellement intégrés à des armoires utilisant le système de montage sur rail DIN pour simplifier la conception, l'intégration et la maintenance. De nombreux produits standard, alimentations et boîtiers sont compatibles avec le format sur rail DIN. Cette disponibilité réduit le temps requis pour sélectionner, qualifier et concevoir le système final.

L'évolution vers l'Internet industriel des objets (IIoT) requiert des niveaux plus élevés de contrôle distribué. L'intelligence est déléguée aux processeurs qui, pour des raisons de réactivité et de flexibilité, peuvent être montés très près des actionneurs et des capteurs. Les processeurs communiquent par le biais de différents réseaux câblés et sans fil, réduisant la coexistence de processeurs associés dans un seul boîtier, là où ils auraient auparavant et traditionnellement partagé des données via un bus de fond de panier ou une carte à circuit imprimé.

Bien que le système cible soit conçu pour s'adapter à un rail DIN pour un montage simplifié, chaque unité est plus petite et nécessite une alimentation individuelle, au lieu d'un rail d'alimentation partagé dans une plus grande armoire. Étant donné qu'il fournit un niveau de tension sécurisé pour de nombreux environnements et reste compatible avec les environnements existants, le rail 24 V_CC continuera probablement d'être utilisé pour alimenter les contrôleurs électroniques des équipements discrets et ceux intégrés aux armoires.

La nature de l'environnement industriel implique que les alimentations des contrôleurs seront toujours confrontées à d'importantes variations des plages de tensions d'entrée causées par les tensions et le bruit induits par les équipements à proximité ou les charges élevées intermittentes avec de nombreux éléments capacitifs et inductifs. Une alimentation compacte et capable de fournir une énergie fiable face aux fluctuations de tension d'entrée et aux importants changements de consommation en charge est donc nécessaire. Bon nombre de contrôleurs électroniques pourront passer en mode veille en cas d'inactivité pour conserver l'énergie. L'alimentation doit également être en mesure de réagir efficacement à ces situations.

Un régulateur comme le LM43603 de Texas Instruments ou le LTM8025 de Linear Technology permet de basculer entre le mode de conduction continue (CCM) et le mode de conduction discontinue (DCM) pour faire face aux changements de consommation énergétique et prendre en charge les variations de tension d'entrée. Avec le mode CCM, le courant dans l'inductance, utilisée pour faciliter l'envoi de courant vers la charge, reste toujours supérieur à zéro tout au long du cycle de commutation. Avec le mode DCM, le courant dans l'inductance est autorisé à tomber à zéro. La quantité de courant fourni à l'inductance par deux commutateurs FET dans le convertisseur pendant chaque cycle est déterminée à l'aide de la modulation de largeur d'impulsion (PWM).

Figure 1 : Courant d'inductance en mode de conduction continue pour un régulateur à découpage contrôlé par PWM.

À chaque cycle, le convertisseur fournit une tension de sortie régulée en activant d'abord le commutateur FET haut potentiel pendant un certain temps. Pendant cette période d'activation, la tension de sortie varie vers la tension d'entrée et le courant circulant dans l'inductance commence à monter en suivant une pente linéaire déterminée par la formule (Vin - Vout)/L.

Lorsque la logique de commande décide de désactiver le commutateur haut potentiel afin de réguler la tension et d'éviter l'augmentation vers le niveau d'entrée, le commutateur bas potentiel reste désactivé pour empêcher les courants « shoot-through » pendant un court instant, puis est autorisé à s'activer. Le courant d'inductance commence alors à descendre avec une pente de -Vout/L.

Le contrôleur PWM du convertisseur échantillonne la tension de sortie et la compare avec une tension de référence pour générer un signal d'erreur, qui est utilisé pour calculer le rapport cyclique des deux phases. Dans une conception de convertisseur idéale, le rapport cyclique est proportionnel à la tension de sortie. Un amplificateur d'erreur permet de garantir que le convertisseur CC/CC ajuste le rapport cyclique pour préserver une tension de sortie régulée.

Le signal d'erreur généré par l'amplificateur est généralement très proche de zéro, quel que soit le moment, étant donné que les variations de tension d'entrée et de demande en sortie sont généralement inférieures à la vitesse de commutation du contrôleur d'alimentation. La fonctionnalité d'adaptation fournie par la modulation PWM laisse la stratégie compenser les variations sur le rail d'entrée, sans affecter l'alimentation en énergie vers la charge.

L'utilisation de la commutation haute fréquence permet au LM43603 de fonctionner à partir d'une tension d'alimentation de 3,5 V à 36 V_CC et permet de fournir un courant de charge pouvant atteindre 3 A_CC, tout en offrant un haut rendement et de bonnes performances thermiques dans une solution compacte. La fréquence de commutation est programmable de 200 kHz à 2,2 MHz en utilisant une résistance programmable connectée au signal RT qui alimente le module d'oscillateur dans le contrôleur LM43603. Sa fréquence standard sans l'utilisation d'une résistance externe est de 500 kHz. Le dispositif LTM8025 fonctionne sur une plage de fréquences de 200 kHz à 2,4 MHz et il est programmé de façon similaire à l'aide d'une résistance avec une borne connectée à la broche RT et l'autre à la terre.

Figure 2 : Schéma fonctionnel du LM43603.

À faibles charges, le rendement de régulation CCM à contrôle PWM baisse considérablement. Le mode DCM permet d'améliorer le rendement en déconnectant la charge de l'entrée pour des durées plus longues, pendant lesquelles le courant d'inductance est autorisé à descendre à zéro. Les condensateurs de sortie aident à réduire les effets d'ondulation avec ce mode.

Dans le cas du LM43603, le convertisseur passe en mode DCM lorsque le courant de charge est deux fois inférieur à l'ondulation de courant d'inductance crête-à-crête du mode CCM. Les pertes de commutation peuvent être réduites en désactivant le FET bas potentiel (courant à zéro). En mode DCM, la fréquence de commutation diminue. Le convertisseur active le FET haut potentiel lorsque la tension de sortie échantillonnée descend en dessous d'une certaine valeur.

Les dispositifs tels que le LM43603 et le LTM8025 offrent un fonctionnement stable avec la plupart des condensateurs sur l'entrée et la sortie. Grâce à leur format compact, les condensateurs céramique sont souvent privilégiés, car les exigences de capacité sont généralement en dessous de 100 µF pour un fonctionnement haute fréquence et des tensions de circuit à signaux mixtes typiques de 3 à 12 V_CC. Les condensateurs céramique sont compacts, robustes et présentent une résistance série équivalente très faible. Toutefois, les condensateurs céramique ne sont pas tous adaptés. Les modèles de type X5R et X7R sont stables sur la plage de températures et la tension appliquée, contrairement aux modèles Y5V et Z5U qui présentent un large éventail de coefficients de température et de tension de capacité. Lors de l'utilisation, il est possible qu'ils présentent seulement une petite partie de leur capacité nominale, entrainant une ondulation de tension de sortie plus élevée que prévu.

Figure 3 : Schéma fonctionnel du LTM8025. 

Les condensateurs céramique sont également piézoélectriques. En mode DCM ou rafale, la fréquence de commutation dépend du courant de charge et peut exciter un condensateur céramique dans la plage de fréquences audio, générant ainsi un bruit audible. Comme les courants générés en conditions DCM sont moins élevés, le bruit est généralement faible, mais si le bruit audible n'est pas acceptable, il se peut qu'un condensateur électrolytique hautes performances soit mieux adapté. Alternativement, la combinaison parallèle d'un condensateur céramique et d'un condensateur électrolytique économique peut être utilisée.

La capacité de démarrage progressif est un autre facteur important à prendre en considération. Le LM43603, par exemple, présente une broche de commande de démarrage progressif : SS/TRK. Une fois qu'une tension d'entrée a été appliquée, l'utilisation de la broche force le régulateur à accroitre progressivement la tension de sortie sur une certaine durée. Si la broche SS/TRK reste flottante, le LM43603 utilise son propre contrôleur de période de rampe pour laisser la tension de sortie atteindre son maximum en seulement 4 ms.

Pour les applications qui utilisent une grande quantité de capacité de sortie ou pour les systèmes qui utilisent des tensions relativement élevées, le délai de démarrage peut être étendu en connectant un condensateur externe entre la broche SS/TRK et la broche de référence de masse analogique (AGND) du dispositif. La valeur de capacité détermine la période de rampe. Le contrôleur de démarrage progressif peut également suivre un signal en dent de scie externe à l'aide d'une paire résistance-diviseur et d'une source de tension externe décrivant le profil de rampe souhaité.

Le démarrage progressif du LTM8025 est contrôlé par le biais d'un condensateur connecté à la broche RUN/SS et à la terre, et d'une connexion à une source de tension externe via une résistance. La constante de temps RC résultante détermine la temporisation du démarrage progressif.

Figure 4 : Connexions permettant à un signal en dent de scie externe de démarrer progressivement le LM43603.

Figure 5 : Connexions pour générer une rampe de démarrage progressif pour le LTM8025.

Étant donné que les contrôleurs de puissance IIoT doivent s'adapter à de petits espaces et être facilement intégrés aux équipements industriels, la compatibilité électromagnétique (CEM) est un facteur important à ne pas négliger. Pour contrôler les interférences électromagnétiques (EMI) générées par un régulateur de puissance à découpage, il est nécessaire de limiter le nombre de boucles di/dt. Cela est possible, dans une vaste mesure, grâce aux niveaux élevés d'intégration offerts par des dispositifs comme le LM43603 et le LTM8025.

Figure 6 : Boucle di/dt principale pour un convertisseur abaisseur à découpage.

Il convient également de prêter attention au placement des dispositifs externes, en particulier les nœuds de rétroaction. Les traces vers les résistances externes et les condensateurs de découplage doivent être réduites autant que possible. Les longues traces de carte à circuit imprimé menant aux résistances peuvent entrainer une génération trop importante d'interférences électromagnétiques. Le blindage est un autre élément important à prendre en considération. Il peut être réalisé à un degré élevé à l'aide de plans de masse supplémentaires sur le circuit imprimé.

Grâce à l'utilisation de régulateurs haute intégration tels que le LM43603 et le LTM8025, les concepteurs de contrôleurs industriels orientés IIoT peuvent garantir une alimentation CC fiable et en toute confiance quant à la compatibilité électromagnétique du produit final.

Figure 7 : Recommandations de configuration à faibles EMI pour le LM43603.