Minimiser les parasites dans les alimentations à découpage

Les alimentations à découpage sont appréciées pour leur rendement et leur flexibilité. Elles posent également des défis car elles s'étendent à de nouvelles applications. Leur commutation haute fréquence, en particulier, peut induire des interférences électromagnétiques (EMI) dans le reste du système. De plus, les mêmes facteurs susceptibles d'entraîner des interférences électromagnétiques réduisent également le rendement, compromettant l'un des avantages clés des alimentations à découpage.

Pour éviter ces problèmes, les concepteurs doivent faire particulièrement attention lors de la configuration de la « boucle active », la partie du circuit d'alimentation où se produit la commutation rapide. Il est essentiel de minimiser les pertes parasitiques de la boucle active dues à la résistance série équivalente (ESR) et à l'inductance série équivalente (ESL). Cela peut être accompli en choisissant des composants d'alimentation hautement intégrés et en configurant avec soin les circuits imprimés.

Cet article présente les boucles actives et les sources de pertes parasitiques, notamment les condensateurs de liaison, les transistors à effet de champ (FET) de puissance et les traversées de circuits imprimés. Il présente ensuite un exemple de convertisseur de puissance hautement intégré d'Analog Devices ainsi que différentes dispositions de circuits imprimés et leurs effets sur les paramètres parasitiques. Il se termine par des conseils pratiques pour réduire l'ESR et l'ESL.

Principes de base des boucles actives des alimentations à découpage

Toute conception d'alimentation qui implique une commutation rapide des courants, comme les convertisseurs élévateurs, abaisseurs-élévateurs et indirects (flyback), aura des boucles actives avec des courants commutant à hautes fréquences. Ce concept est illustré par un convertisseur abaisseur simplifié, également appelé convertisseur dévolteur (Figure 1). La boucle de gauche (rouge) contient tous les éléments de commutation ; les courants haute fréquence générés par le circuit sont contenus à l'intérieur, formant la boucle active.

Figure 1 : Convertisseur abaisseur simplifié illustrant le principe de boucle active, en rouge. (Source de l'image : Analog Devices)

L'aspect « actif » provient de l'importance des activités de conversion d'énergie et de commutation qui se produisent dans cette zone du circuit, souvent accompagnées d'une génération de chaleur. La disposition et la conception correctes de ces boucles actives sont essentielles pour minimiser les interférences électromagnétiques et garantir un fonctionnement efficace de l'alimentation.

Le circuit plus réaliste de la Figure 2 montre un convertisseur abaisseur synchrone CC/CC. Pour cette boucle active, les composants physiques (identifiés en noir) sont le condensateur d'entrée (C_IN) et les MOSFET, M1 et M2.

Figure 2 : Les boucles actives réalistes incluent inévitablement des paramètres parasites, représentés en rouge. (Source de l'image : Analog Devices)

Les paramètres parasites dans la boucle active sont identifiés en rouge. L'ESL est généralement de l'ordre du nanohenry (nH), tandis que l'ESR est de l'ordre du milliohm (mΩ). La commutation haute fréquence provoque une oscillation dans les ESL, entraînant des EMI. L'énergie stockée dans les ESL est ensuite dissipée par les ESR, entraînant une perte de puissance.

Minimiser les paramètres parasites avec des composants intégrés

Ces impédances parasites (ESR, ESL) se produisent dans les composants et le long des pistes de circuit imprimé de boucle active. Pour minimiser ces paramètres, les concepteurs doivent choisir avec soin les composants et optimiser la disposition du circuit imprimé.

Une manière d'atteindre ces deux objectifs consiste à utiliser des composants intégrés. Ceux-ci éliminent les pistes de circuit imprimé requises pour connecter des composants discrets tout en réduisant la surface globale de la boucle active. Cela contribue à réduire l'impédance parasite.

Un excellent exemple de composant hautement intégré est le régulateur abaisseur µModule LTM4638 d'Analog Devices. Comme illustré à la Figure 3, ce régulateur à découpage de 15 ampères (A) intègre le contrôleur de commutation, les FET de puissance, l'inductance et les composants de support, et ce, dans un boîtier miniature de 6,25 millimètres (mm) × 6,25 mm × 5,02 mm.

Figure 3 : Le régulateur µModule LTM4638 intègre un grand nombre des composants nécessaires à un convertisseur abaisseur. (Source de l'image : Analog Devices)

Le LTM4638 intègre plusieurs autres fonctionnalités qui réduisent les pertes parasitiques, notamment :

• Réponse transitoire rapide : Cela permet au régulateur d'ajuster rapidement la tension de sortie en réponse aux changements de charge ou d'entrée, minimisant ainsi la durée et l'impact des pertes parasitiques en passant rapidement par des états de fonctionnement sous-optimaux.
• Fonctionnement en mode discontinu : Cela permet au courant d'inductance de tomber à zéro avant le début du cycle de commutation suivant. Généralement utilisé en conditions de charge légère, ce mode réduit les pertes de commutation et de noyau dans l'inductance en ne l'alimentant pas pendant une partie du cycle.
• Suivi de la tension de sortie : Cela permet à la sortie du convertisseur de suivre une tension d'entrée de référence. En contrôlant avec précision la montée et la descente de la tension de sortie, cette fonctionnalité réduit la probabilité de dépassements excessifs ou négatifs susceptibles d'exacerber les pertes parasitiques.

Minimiser les paramètres parasites grâce au placement des composants

La construction d'un convertisseur abaisseur synchrone avec le LTM4638 requiert l'ajout de condensateurs d'entrée et de sortie de masse, C_IN et C_OUT, respectivement. Le positionnement de ces condensateurs peut avoir un impact important sur les paramètres parasites.

Les tests d'Analog Devices avec la carte d'évaluation DC2665A-B pour le LTM4638 illustrent l'impact du positionnement de C_IN. Le DC2665B-B a depuis remplacé cette carte, mais les mêmes principes s'appliquent. Les Figures 4 à 6 illustrent trois dispositions différentes pour C_IN et les boucles actives correspondantes. Les boucles actives verticales 1 (Figure 4) et 2 (Figure 5) placent C_IN sur la couche inférieure, directement sous le régulateur ou sur le côté, respectivement. La boucle active horizontale (Figure 6) place le condensateur sur la couche supérieure.

Figure 4 : Vues inférieure et latérale de la boucle active verticale 1. C_IN se trouve directement sous le régulateur, connecté par des traversées. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 5 : Vues inférieure et latérale de la boucle active verticale 2. C_IN est placé sous et à côté du régulateur, nécessitant des pistes de circuit imprimé et des traversées. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 6 : Vues supérieure et latérale de la boucle active horizontale. C_IN se trouve sur la couche supérieure, se connectant au régulateur via des pistes. (Source de l'image : Analog Devices)

La boucle active verticale 1 a le trajet le plus court et évite l'utilisation de pistes de circuit imprimé. On s'attend donc à ce qu'elle présente les paramètres parasites les plus faibles. L'analyse de chaque boucle active avec FastHenry à 600 kilohertz (kHz) et 200 mégahertz (MHz) révèle que c'est le cas (Figure 7).

Figure 7 : Comme attendu, le trajet le plus court présente l'impédance parasite la plus faible. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par l'auteur)

Bien que ces paramètres parasites ne puissent pas être mesurés directement, il est possible de prévoir et de tester leurs effets. Plus précisément, une ESR plus faible devrait conduire à un rendement plus élevé, tandis qu'une ESL plus faible devrait résulter en une ondulation plus faible. La vérification expérimentale a confirmé ces prévisions, la boucle active verticale 1 démontrant de meilleures performances sur les deux mesures (Figure 8).

Figure 8 : Les résultats expérimentaux confirment que la boucle active verticale 1 permet d'obtenir un meilleur rendement et une meilleure ondulation. (Source de l'image : Analog Devices)

Minimiser les paramètres parasites pour les composants discrets

Bien que les dispositifs intégrés offrent de nombreux avantages, certaines alimentations à découpage requièrent des composants discrets. Par exemple, une application haute puissance peut dépasser les capacités des dispositifs intégrés. Dans de tels cas, le placement et la taille des boîtiers des FET de puissance discrets peuvent avoir un impact significatif sur les ESR et ESL de la boucle active. Ces impacts peuvent être constatés en testant deux cartes d'évaluation, toutes les deux dotées de contrôleurs abaisseurs-élévateurs synchrones à 4 commutateurs, haut rendement, comme illustré à la Figure 9 :

• La carte d'évaluation DC2825A est basée sur le régulateur abaisseur-élévateur LT8390. Ses MOSFET sont placés en parallèle, c'est-à-dire dans la même orientation.
• La carte d'évaluation DC2626A est basée sur le régulateur abaisseur-élévateur LT8392. Elle est dotée de deux paires de MOSFET placées à des angles de 90°.

Figure 9 : Le DC2825A (à gauche) place ses MOSFET en parallèle, tandis que le DC2626A (à droite) les place à des angles de 90°. (Source de l'image : Analog Devices)

Les deux cartes ont été testées en utilisant des MOSFET et des condensateurs identiques dans un fonctionnement abaisseur de 36 volts (V) à 12 V, à 10 A et 300 kHz. Les résultats ont montré que le placement à 90° présentait une ondulation de tension inférieure et une fréquence de résonance supérieure, ce qui indique une ESL de circuit imprimé inférieure en raison d'un trajet de boucle active plus court (Figure 10).

Figure 10 : Le DC2626A, avec sa configuration MOSFET à 90°, présente une ondulation plus faible et une fréquence de résonance plus élevée. (Source de l'image : Analog Devices)

Autres considérations de configuration

Le placement des traversées dans la boucle active a également un impact sur l'ESR et l'ESL de la boucle. En général, l'ajout de traversées supplémentaires réduit l'impédance parasite du circuit imprimé. Cependant, la réduction n'est pas linéairement proportionnelle au nombre de traversées. Les traversées plus proches des plots de connexion réduisent considérablement l'ESR et l'ESL. Par conséquent, plusieurs traversées doivent être placées à proximité des plots de connexion des composants critiques (C_IN et µModule ou MOSFET) pour minimiser l'impédance de la boucle active.

Il existe de nombreux autres moyens d'avoir un impact positif sur les performances électriques et thermiques. Pour optimiser la boucle active, les bonnes pratiques incluent les suivantes :

• Utiliser de grandes zones de cuivre sur le circuit imprimé pour les trajets de fort courant, y compris V_IN, V_OUT et masse pour minimiser les pertes par conduction et les contraintes thermiques du circuit imprimé.
• Placer une couche de masse d'alimentation dédiée sous l'unité.
• Utiliser plusieurs traversées pour l'interconnexion entre la couche supérieure et les autres couches d'alimentation afin de minimiser les pertes par conduction et de réduire la contrainte thermique du module.
• Ne pas placer de traversées directement sur le plot à moins qu'elles ne soient recouvertes ou plaquées.
• Utiliser une surface de cuivre de terre de signalisation séparée pour les composants connectés aux broches de signaux, en reliant la terre de signalisation à la broche de terre principale située sous l'unité.
• Prévoir des points de test sur les broches de signaux pour la surveillance.
• Maintenir la séparation entre le signal d'horloge et les pistes d'entrée de fréquence pour minimiser la possibilité de bruit dû à la diaphonie.

Conclusion

Les paramètres parasites dans la boucle active influencent considérablement les performances d'une alimentation à découpage. Il est crucial de minimiser ces paramètres pour atteindre un haut rendement et de faibles EMI.

L'un des moyens les plus simples d'atteindre ces objectifs consiste à utiliser des modules régulateurs intégrés. Cependant, les alimentations à découpage nécessitent généralement l'utilisation de composants volumineux tels que des condensateurs. Il est donc essentiel de comprendre les implications de la configuration des boucles actives.