Quand plus, c'est moins : économisez un espace précieux en utilisant un plus grand nombre de régulateurs

Par Bill Schweber

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

La conception du réseau de distribution d'énergie ou de l'arborescence d'alimentation d'un système ou d'une carte est souvent une question de centralisation ou de décentralisation. Ce choix repose sur les avancées des technologies et des composants, ainsi que sur les exigences de conception. Lorsqu'il faut économiser de l'espace pour le réserver à d'autres fonctions, les concepteurs peuvent se tourner vers des convertisseurs CC/CC miniatures qui présentent d'autres avantages.

Les avantages supplémentaires de ces unités CC/CC miniatures incluent la possibilité pour les concepteurs de réévaluer leur topologie d'arborescence d'alimentation, son impact sur la disposition de la carte avec moins de contraintes, des performances améliorées et un rendement accru, ainsi que des gains d'espace en général.

Cet article explique le rôle des convertisseurs CC/CC ultracompacts avant de présenter des exemples de dispositifs et la meilleure façon de les utiliser.

Pourquoi passer aux convertisseurs ultracompacts ?

L'émergence des convertisseurs de puissance CC/CC abaisseurs miniatures reflète l'abandon des convertisseurs de bus intermédiaires (IBC) plus volumineux pour alimenter des convertisseurs de point de charge (PoL) relativement grands, qui alimentent ensuite un sous-système relativement volumineux comprenant plusieurs circuits intégrés.

Au lieu de cela, les concepteurs ont désormais la possibilité d'utiliser des convertisseurs miniatures et hautement distribués, qui peuvent être placés juste à côté de leur charge (il peut s'agir par exemple d'un circuit intégré et de ses composants associés).

Il existe deux raisons d'utiliser ces convertisseurs CC/CC hautement distribués. Premièrement, de nouveaux microcomposants, des fréquences de fonctionnement plus élevées (dans la plage des mégahertz (MHz)), des techniques de fabrication avancées et des améliorations en termes de boîtier permettent de concevoir des unités CC/CC faciles à utiliser et aux performances impressionnantes. Deuxièmement, la fourniture de rails d'alimentation de cette manière apporte également de nombreux avantages primaires et secondaires à la conception du circuit, la configuration générale de la carte et le produit final.

En outre, et bien que cela puisse sembler contre-intuitif, l'utilisation de nombreux convertisseurs plus compacts permet de réduire l'empreinte totale du sous-système d'alimentation, d'économiser de l'espace sur le circuit imprimé et d'offrir des possibilités d'ajout de fonctionnalités et de fonctions.

Détails

Il est intéressant d'examiner les spécifications de performances et de taille associées à ces convertisseurs. Par exemple, le module « nano » LMZ10501 de Texas Instruments est un convertisseur abaisseur CC/CC capable de générer une charge pouvant atteindre 1 A (Figure 1).

Schéma du convertisseur CC/CC LMZ10501 de Texas Instruments

Figure 1 : Le convertisseur CC/CC LMZ10501 de Texas Instruments peut fournir jusqu'à 1 A avec un rendement pouvant atteindre 95 %. (Source de l'image : Texas Instruments)

Malgré cette classe de sortie, il est conforme à sa désignation « nano », car il est livré dans un boîtier µSIP à 8 broches de 3,00 mm × 2,60 mm, inductance incluse (Figure 2).

Image du régulateur CC/CC LMZ10501 de Texas Instruments

Figure 2 : Le régulateur CC/CC LMZ10501 est livré dans un boîtier µSIP de 3,00 mm × 2,60 mm, inductance incluse. La vue inférieure illustre ses contacts (à gauche) et la vue supérieure montre principalement l'inductance (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

Le LMZ10501 n'est pas un dispositif simple, car il inclut une fonction de démarrage progressif basée sur une limite de courant interne, ainsi qu'une protection contre les surcharges de courant et un blocage thermique. Dans une application typique avec un fonctionnement de base, il ne nécessite qu'un condensateur d'entrée, un condensateur de sortie, un petit condensateur de filtrage VCON et deux résistances (Figure 3). L'inductance intégrale présente un courant nominal CC de 1,2 ACC, soutenue par un profil de saturation « progressif » pouvant atteindre 2 A.

Schéma du LMZ10501 de Texas Instruments nécessitant seulement trois condensateurs compacts et deux résistances

Figure 3 : Le LMZ10501 nécessite seulement trois condensateurs compacts et deux résistances pour fonctionner. L'inductance relativement grande fait partie du circuit intégré en lui-même. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le choix des condensateurs externes nécessite un examen attentif. Pour assurer un équilibre optimal entre la taille, le coût, la fiabilité et les performances, les filtres d'entrée et de sortie doivent être des composants MLCC à faible ESR. Un seul condensateur de 10 μF (taille 0603 ou 0805) de 6,3 V ou 10 V est généralement suffisant pour découpler VIN. Il est également possible d'utiliser plusieurs condensateurs de 4,7 μF ou 2,2 μF.

Notez que le choix d'un condensateur avec une valeur trop petite peut entraîner une instabilité en raison d'une marge de phase de boucle plus faible. Au contraire, si le condensateur de sortie est trop grand, cela peut empêcher la tension de sortie d'atteindre le niveau de 0,375 V requis à la fin de la séquence de démarrage. L'utilisation de valeurs supérieures à celles recommandées ne présente aucun avantage significatif.

Points à prendre en compte par rapport à la taille

Avec une empreinte aussi réduite, les concepteurs peuvent redéfinir leur manière de pensée et rechercher de nouvelles façons d'alimenter les divers circuits intégrés et autres composants. Au lieu d'une alimentation plus volumineuse située à une certaine distance, comme le coin de la carte à circuit imprimé, ce boîtier µSIP permet d'implémenter la régulation finale au plus près de la charge. De plus, les dispositifs sont entièrement compatibles avec les machines automatisées et les stations de soudage standard.

Dans quelle mesure l'utilisation de cette multiplicité d'unités plus compactes permet-elle de gagner de la place ? Il existe des réponses évidentes et d'autres qui le sont moins :

  • Ces unités réduisent le besoin de condensateurs plus grands et de plus grande valeur pour l'alimentation en amont, car une grande partie de la régulation est désormais effectuée localement au niveau de la charge.
  • Elles permettent d'adapter le ou les rails CC finaux aux spécificités de la charge de l'unité d'alimentation CC/CC ou CA/CC en amont.
  • Étant donné que les rails CC se trouvent près de la charge, cela réduit le besoin de condensateurs de découplage sur les rails. En effet, le convertisseur CC/CC ultraminiature à la charge fournit non seulement la puissance nécessaire, mais peut également jouer le rôle de l'ensemble ou d'une partie des condensateurs de découplage.
  • La réponse transitoire est améliorée grâce à la proximité.
  • Les convertisseurs peuvent être dimensionnés individuellement pour fonctionner dans leur fenêtre de charge/rendement optimale. Cela augmente le rendement global, étend leur dissipation modeste sur une zone plus large et peut éliminer le besoin de ventilateur ou de dissipateur thermique.
  • Les dispositifs sont si minces qu'ils peuvent se placer au bas d'une carte à circuit imprimé, même lorsque celle-ci se trouve dans un rack à espacement restreint ou dans un boîtier fin. Encore une fois, cela améliore la disposition de manière flexible, ce qui peut conduire à une conception peu encombrante.
  • La diaphonie et le bruit entre un circuit intégré « bruyant » et des circuits intégrés sensibles sont considérablement réduits.
  • Bien que ces convertisseurs ne soient pas isolés électriquement, si un convertisseur compact isolé est nécessaire, sa taille dépend uniquement de sa fonction d'isolement.
  • Enfin, cette approche permet d'éviter les pistes de carte plus larges pour réduire les chutes et les parasites IR sur les rails CC, qui affectent les performances transitoires côté charge.

Notez que ces convertisseurs CC/CC miniatures ne sont pas limités aux charges inférieures à 1 A. Par exemple, le module d'alimentation MicroSiP™ TPS82130, également de Texas Instruments , fournit un courant de sortie de 3 A à partir d'une entrée de 3 V à 17 V, intégrant un convertisseur abaisseur synchrone et une inductance. Il délivre une tension de sortie ajustable entre 0,9 V et 6 V (Figure 4).

Schéma du module CC/CC TPS82130 de Texas Instruments

Figure 4 : Le module CC/CC TPS82130 de Texas Instruments ne nécessite que quelques composants passifs externes et peut fournir jusqu'à 3 A à une tension de 0,9 V à 6 V (ajustable par l'utilisateur) à partir d'une entrée CC comprise entre 3 V et 17 V. (Source de l'image : Texas Instruments)

Ne vous laissez pas induire en erreur par l'appellation « module » : ce dispositif mesure seulement 3,0 mm × 2,8 mm × 1,5 mm. Un examen des courbes de performances appropriées montre que son haut rendement global culmine à un peu plus de 1 A et reste élevé jusqu'à la valeur nominale de 3 A (Figure 5).

Graphique de rendement du convertisseur CC/CC TPS82130

Figure 5 : Le rendement du convertisseur CC/CC TPS82130 est d'environ 60 % ou plus lorsqu'il fonctionne à des charges plus élevées et à des pointes supérieures à 1 A, ce qui lui permet d'être dimensionné pour correspondre de manière optimale à la charge. (Source de l'image : Texas Instruments)

Résoudre les problèmes de temporisation relative

Lorsqu'un système comporte plusieurs rails, il y a souvent des problèmes liés à leur temporisation d'activation/de désactivation les uns par rapport aux autres. Il existe trois types de temporisation de base : séquentielle, ratiométrique et simultanée, avec des variations de chacun de ces types. Le type de temporisation peut être implémenté à l'aide de la broche EN (Enable) et de la broche SS/TR (Soft Start/Tracking) du TPS82130, avec quelques résistances et/ou condensateurs (pour simplifier, supposons qu'il y ait seulement deux rails).

En cas de temporisation séquentielle, le deuxième dispositif ne s'active que lorsque le

premier dispositif a atteint la régulation (Figure 6).

Schéma de plusieurs unités TPS82130 configurées pour la temporisation séquentielle

Figure 6 : Plusieurs unités TPS82130 peuvent être configurées pour une temporisation séquentielle, le régulateur de gauche s'activant avant le régulateur de droite. Remarque : les circuits intégrés dans la Figure sont étiquetés TPS62130. Le TPS82130 présente des spécifications améliorées, mais les mêmes fonctionnalités et le même brochage. (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour la temporisation ratiométrique, les deux tensions de sortie démarrent en même temps et atteignent la régulation en même temps (Figure 7). On l'appelle « ratiométrique », car les deux tensions sont généralement différentes, ce qui rend leurs pentes dV/dt différentes, mais elles sont liées par un facteur constant.

Schéma de configuration pour la temporisation ratiométrique, la deuxième hausse de tension commence et se termine en même temps que la première

Figure 7 : Dans la configuration pour la temporisation ratiométrique (à gauche), la deuxième hausse de tension commence et se termine en même temps que la première (à droite), avec un rapport fixe entre elles. (Source de l'image : Texas Instruments)

Enfin, lors du démarrage simultané, les pentes des deux tensions de sortie sont les mêmes, ce qui permet aux tensions d'être régulées à des moments différents (Figure 8).

Graphique du mode simultané, les deux tensions commencent leur montée en même temps

Figure 8 : En mode simultané, les deux tensions commencent leur montée en même temps, mais atteignent chacune la régulation à des moments différents. (Source de l'image : Texas Instruments)

Outre le séquençage de démarrage relatif, il peut également y avoir des problèmes avec le « démarrage progressif » (la vitesse à laquelle la tension augmente à la mise sous tension) et le suivi relatif des tensions de rail réelles les unes par rapport aux autres. Le TPS82130 résout également ces problèmes grâce à sa connexion SS/TR.

Que faire de cet espace nouvellement libéré ?

Il existe de nombreuses possibilités pour utiliser l'espace « maintenant disponible », mais le bon choix dépend des priorités de l'application. Pour de nombreuses conceptions, le premier point à considérer est l'amélioration de la robustesse électrique et mécanique, des domaines souvent négligés lorsque l'espace est restreint.

Cela peut impliquer l'ajout de systèmes de blocage de l'alimentation et de protecteurs à thyristor, de suppresseurs de tensions transitoires et d'une protection contre la polarité inverse sur les lignes E/S toujours vulnérables. Sur le plan mécanique, l'ajout au circuit imprimé de supports supplémentaires, de vis de fixation, de points de maintien, de dispositifs de fixation de la batterie ou d'autres améliorations structurelles peut constituer un bon usage de l'espace.

Vient ensuite le moment d'ajouter des fonctionnalités supplémentaires pouvant être utiles. Vous avez peut-être désormais assez de place pour une batterie légèrement plus volumineuse ou un circuit intégré d'affichage et de commande plus grand, davantage de voyants LED ou même des boutons-poussoirs supplémentaires pour les utilisateurs. Une mémoire plus importante est peut-être maintenant envisageable, même si elle nécessite un boîtier de circuit intégré plus volumineux. La quantité d'espace modeste gagnée par l'utilisation de ces convertisseurs CC/CC locaux miniatures peut suffire à en faire plus, en particulier grâce à la configuration de la carte qui offre maintenant plus de flexibilité.

Conclusion

Parfois, moins peut signifier plus, de façon inattendue. La disponibilité de convertisseurs abaisseurs CC/CC ultraminiatures permet de placer la régulation très près de la charge, ce qui a un impact sur les performances électriques, la disposition de la carte, la taille et le type d'unité d'alimentation en amont, et la cartographie thermique.

L'utilisation de convertisseurs ultraminiatures permet aussi de libérer plus d'espace carte disponible dans l'enveloppe fixe d'une conception, ce qui ouvre la voie à d'autres améliorations électriques et mécaniques, ainsi qu'à l'ajout de nouvelles fonctionnalités.

Référence

  1. Texas Instruments, SLVA470A, « Séquençage et suivi avec les gammes TPS621 et TPS821 »

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Bill Schweber

Bill Schweber est ingénieur en électronique. Il a écrit trois manuels sur les systèmes de communications électroniques, ainsi que des centaines d'articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Il a auparavant travaillé en tant que responsable technique de site Web pour plusieurs sites spécifiques pour EE Times et en tant que directeur de publication et rédacteur en chef des solutions analogiques chez EDN.

Chez Analog Devices, Inc. (l'un des principaux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et à signaux mixtes), Bill a œuvré dans le domaine des communications marketing (relations publiques). Par conséquent, il a occupé les deux côtés de la fonction RP technique : présentations des produits, des récits et des messages de la société aux médias, et destinataire de ces mêmes informations.

Avant d'occuper ce poste dans les communications marketing chez Analog, Bill a été rédacteur en chef adjoint de leur revue technique respectée et a également travaillé dans leurs groupes de marketing produit et d'ingénierie des applications. Avant d'occuper ces fonctions, Bill a travaillé chez Instron Corp., où il était chargé de la conception de circuits analogiques et de puissance, et de l'intégration de systèmes pour les commandes de machines de test de matériaux.

Il est titulaire d'un master en génie électrique (Université du Massachusetts) et d'un baccalauréat en génie électrique (Université Columbia). Il est ingénieur professionnel agréé, titulaire d'une licence de radioamateur de classe avancée. Bill a également organisé, rédigé et présenté des cours en ligne sur divers sujets d'ingénierie, notamment des notions de base sur les MOSFET, la sélection d'un CAN et la commande de LED.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key