Utiliser des modules d'alimentation programmables pour accélérer la conception des régulateurs CC/CC

Les régulateurs de tension CC/CC à découpage apporte un haut rendement aux alimentations. Bien qu'il existe une grande variété de régulateurs monolithiques de bonne qualité, chaque dispositif est conçu pour répondre aux besoins d'une gamme d'applications plutôt qu'aux spécifications uniques d'une conception propre à un ingénieur. Par ailleurs, l'optimisation de l'alimentation pour une application particulière exige des itérations de conception fastidieuses et coûteuses.

Ce dont les concepteurs ont besoin, c'est d'une interface Web avec un fournisseur d'alimentations, qui leur permet de configurer la conception de leur alimentation avec les paramètres de performances requis, puis de faire livrer cette alimentation une fois la conception approuvée.

Cet article décrit l'un de ces processus de conception lors de l'utilisation de modules d'alimentation configurables. Plus précisément, l'article décrit comment le kit d'évaluation (EK) et le logiciel basé Web de MPS peuvent être utilisés pour accélérer le processus de conception d'un convertisseur CC/CC simple ou plus avancé.

Commencer la conception d'un convertisseur CC/CC

Il est tout à fait possible de concevoir un régulateur de tension à découpage abaisseur (dévolteur) à partir de zéro et avec relativement peu de composants. Par exemple, une conception de base comprend un transistor — qui est essentiellement utilisé en tant que commutateur — une diode, une inductance, un condensateur à la sortie et un autre à l'entrée. Toutefois, pour une solution pratique, plusieurs éléments supplémentaires seront probablement nécessaires, notamment une référence de tension, un amplificateur d'erreur, un comparateur, un oscillateur et un circuit d'attaque de commutateur. Mais peu d'ingénieurs choisissent de concevoir à partir de composants discrets, car un vaste choix de régulateurs de tension CC/CC monolithiques hautement intégrés, éprouvés et peu coûteux est disponible.

Il est souvent plus facile de sélectionner un régulateur d'un fournisseur établi en fonction des exigences de spécifications telles que la tension d'entrée et de sortie, le courant de charge maximum et l'ondulation de tension maximum, avec des facteurs tels que le rendement, la réponse transitoire et la réponse en fréquence entrant en jeu pour les conceptions avancées. Si les fabricants de puces proposent une gamme impressionnante de solutions satisfaisant la plupart des spécifications, il leur est toutefois impossible de fournir un dispositif parfaitement adapté à chaque éventualité. Cela laisse au concepteur un peu de travail à faire.

La quantité de travail dépend du degré d'intégration de la solution monolithique, mais un point de départ typique pour une conception à faible courant (moins de 10 ampères (A)) est une puce qui intègre le contrôleur de modulation de largeur d'impulsion (PWM), des éléments de commutation (transistors de puissance MOSFET) et une ou plusieurs diodes de dérivation, laissant au concepteur le soin de spécifier l'inductance externe, les condensateurs de découplage et les autres composants passifs requis pour les circuits de filtrage d'entrée et de sortie.

Bien qu'il existe de nombreuses informations sur la manière de concevoir une alimentation basée sur un régulateur monolithique provenant de fabricants et d'autres sources (y compris la liste des lectures recommandées ci-dessous), il s'agit toujours d'un processus délicat et fastidieux qui implique des calculs et plusieurs cycles de prototypage matériel pour voir comment le circuit théorique se comporte en pratique, puis son ajustement pour qu'il réponde précisément aux spécifications.

Grâce à ses modules d'alimentation configurables, MPS offre une alternative à ce processus de conception d'alimentation fastidieux.

Présentation des modules d'alimentation configurables

Au cœur du module d'alimentation configurable mEZDPD3603A de MPS se trouve un convertisseur abaisseur synchrone redressé haute fréquence, avec une interface de commande I²C, une mémoire ROM multipage programmable une seule fois (OTP) et une tenue en courant de sortie continu de 3 A. Le convertisseur intègre des MOSFET de puissance haut potentiel et bas potentiel, des réseaux de compensation et un diviseur de rétroaction. Le niveau de tension de sortie, la vitesse de balayage de la tension, la fréquence de commutation, l'activation et les modes d'économie d'énergie sont programmables via une interface I²C, ce qui permet au concepteur d'optimiser chaque sortie pour sa conception spécifique.

Le fonctionnement en mode courant offre une réponse transitoire rapide et simplifie la stabilisation de boucle. Les fonctionnalités de protection complètes incluent le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), la protection contre les surtensions (OVP), la protection contre les surintensités (OCP) et la protection contre la surchauffe (OTP).

Le module mEZDPD3603A ajoute à ce convertisseur abaisseur presque tous les composants périphériques nécessaires à une conception fonctionnelle (Figure 1).

Figure 1 : Schéma interne du module mEZDPD3603A de MPS. Il ne reste plus au concepteur qu'à spécifier les valeurs des condensateurs d'entrée (C_IN) et de sortie (C_OUT). (Source de l'image : MPS)

Pour terminer la conception d'une alimentation à régulateur abaisseur CC/CC pleinement fonctionnelle, le concepteur doit simplement ajouter les condensateurs d'entrée (C_IN) et de sortie (C_OUT). Lors de la conception à partir de zéro, le calcul de la valeur de ces condensateurs est complexe et est influencé par la tension de sortie, la charge, le rapport cyclique et l'ondulation de tension (voir l'article technique de DigiKey « Capacitor Selection is Key to Good Voltage Regulator Design »). Mais dans le cas du module de MPS, le fabricant a calculé les valeurs pour le concepteur. La sélection finale n'est influencée que par la tension de sortie (Figure 2 et Tableau 1).

Figure 2 : Dans un circuit d'application mEZDPD3603A typique de MPS, R2 est utilisé pour définir l'adresse I²C afin de permettre l'identification de plusieurs modules dans un système. (Source de l'image : MPS)

Tableau 1 : Les valeurs recommandées des condensateurs sont indiquées pour le circuit d'application de la Figure 2 pour différentes tensions de sortie. (Source de l'image : MPS)

Si l'alimentation doit être utilisée dans un produit couvert par des réglementations strictes en matière d'interférences électromagnétiques (EMI), le condensateur d'entrée peut être remplacé par un circuit de filtrage L-C comprenant trois condensateurs et une inductance. (Pour en savoir plus sur la conception des circuits de filtrage d'entrée et de sortie, reportez-vous à l'article technique de DigiKey « Utiliser des régulateurs à découpage à faibles EMI pour optimiser les conceptions d'alimentation haut rendement ».) La valeur de ces composants dépend à nouveau de la tension de sortie, et une fois de plus, le fabricant a fourni les réponses. (Figure 3 et Tableau 2.)

Figure 3 : Circuit d'application mEZDPD3603A de MPS avec filtrage EMI pour la norme EN55022 Classe B. (Source de l'image : MPS)

Tableau 2 : Valeurs des composants recommandées pour le circuit d'application ci-dessus pour différentes tensions de sortie. (Source de l'image : MPS)

Le module offre une plage de tensions d'entrée de 4,5 volts (V) à 36 V avec une sortie de 0,6 V à 12 V. La précision de tension est de ±1 % et la régulation de ligne et de charge (V_IN = 24 V, V_OUT = 5 V) est de ±1 %. Le courant maximum est de 3 A et l'ondulation de tension de sortie (V_IN = 24 V, V_OUT = 5 V, pleine charge) est de 30 millivolts (mV). Le Tableau 3 résume les chiffres de performances et de rendement du module, tandis que la Figure 4 illustre V_OUT pour diverses valeurs de rendement et de courant de charge.

Tableau 3 : Paramètres de performances du mEZDPD3603A de MPS. (Source de l'image : MPS)

Figure 4 : Chiffres de rendement du mEZDPD3603A de MPS pour V_IN = 24 V et V_OUT = 3,3 V, 5 V et 12 V. (Source de l'image : MPS)

Kit d'évaluation des modules d'alimentation configurables

Comme le module MPS inclut un circuit logique numérique, ses performances opérationnelles peuvent être modifiées en changeant les paramètres du logiciel. Les paramètres sont accessibles via l'interface I²C du module, à partir de laquelle il est possible d'interroger et de modifier les paramètres dans la mémoire RAM du dispositif. Une fois le paramètre optimal souhaité atteint, la mémoire ROM OTP permet de stocker les réglages de façon permanente.

MPS fournit des outils matériels et logiciels pour prendre en charge la conception avec des modules d'alimentation configurables. L'outil principal est le kit d'évaluation (EK) matériel PKT-MEZDPD3603A. Ce kit mesure 64 millimètres (mm) par 64 mm et inclut des condensateurs d'entrée et de sortie (et un filtre EMI en option si nécessaire), ainsi qu'un connecteur auquel est branché le module d'alimentation configurable. Une fois le module connecté, une charge appropriée et une alimentation fournissant la tension d'entrée souhaitée (entre 4,5 V et 36 V) doivent être connectées au kit d'évaluation (Figure 5).

Figure 5 : Le kit d'évaluation du module d'alimentation configurable inclut un connecteur pour le module et requiert une alimentation et une charge externes. (Source de l'image : MPS)

Le kit d'évaluation exige également une connexion à un PC pour permettre la configuration à partir du logiciel Virtual Bench V3.0 de MPS. L'entreprise fournit à cet effet un dongle USB (côté PC) à I²C (côté kit). Un câble USB connecte le dongle au PC et un câble plat à 10 broches le relie au kit à l'autre extrémité. L'interface I²C du kit d'évaluation se connecte directement aux broches I²C du module et permet la configuration depuis le PC (Figure 6).

Figure 6 : Le kit d'évaluation du module d'alimentation configurable requiert une alimentation, une charge et une connexion à un PC via un dongle USB à I²C. (Source de l'image : MPS)

Programmation du module d'alimentation

Une fois le matériel connecté au PC (fonctionnant sous Windows XP, 7 ou versions ultérieures) et Virtual Bench V3.0 installé sur l'ordinateur et démarré, deux options s'offrent au développeur : « Simulation & Program » (qui permet à la configuration du développeur de fonctionner sur un simulateur logiciel plutôt que sur le matériel du kit d'évaluation) et « Direct Programming Mode ». La discussion qui suit cible l'option de programmation directe car elle permet au développeur de configurer directement le module au cœur du matériel du kit d'évaluation.

Il existe deux types de configurations disponibles à partir de Virtual Bench V3.0 : « Basic » et « Advanced ». Dans la configuration de base, le développeur peut lire les réglages existants pour la tension de sortie (V), la valeur d'inductance (en microhenry (µH)), la fréquence de commutation (en kilohertz (kHz)) et le mode de fonctionnement (par exemple, mode de courant de crête). Le développeur peut alors apporter des modifications à ces paramètres, programmer la RAM du module avec les valeurs révisées et mettre le module sous tension pour vérifier l'impact des changements sur ses performances.

De même, sous l'onglet Advanced, le développeur peut interroger et modifier les paramètres pour des performances plus détaillées dans les groupes suivants :

• Light-Load mode : Les modes disponibles sont Advanced Asynchronous Modulation (AAM) et Forced Continuous Current Mode (CCM). Le mode AAM optimise le rendement du convertisseur en conditions de faible charge ou à vide, tandis que le mode CCM forcé maintient la fréquence de commutation constante avec une ondulation de sortie plus faible (mais il est moins efficace que le mode AAM en conditions de faible charge).
• Compensation : Ces paramètres modifient la réponse en fréquence du régulateur qui détermine la réponse transitoire, la précision et la stabilité du dispositif et, par conséquent, sa capacité à maintenir une tension de sortie définie en cas de variations de la tension d'entrée, de la charge et du rapport cyclique. Une bonne compensation conduit à une alimentation qui est stable sur une vaste plage de fréquences mais qui n'est pas surcompensée, de sorte que sa réponse dynamique est médiocre.
• Switching : Ces paramètres modifient la vitesse de balayage de tension de montée et de descente lors de la commutation du régulateur, ainsi que le temps et l'amplitude de dithering de fréquence. La vitesse de balayage et le dithering sont deux facteurs importants pour réduire les interférences électromagnétiques.
• VIN/EN threshold : Ces paramètres déterminent les seuils (et l'hystérésis) du fonctionnement EN et UVLO de tension d'entrée.
• Power Good : Ces paramètres déterminent les seuils de montée supérieurs et inférieurs et l'hystérésis de « Power Good ».
• SS Time : Paramètre de démarrage progressif. Le démarrage progressif empêche le régulateur de surcharger l'entrée lorsque la sortie est activée.
• Protection : Ces paramètres permettent au concepteur d'implémenter des seuils et des modes de protection tels que le courant de crête, la protection contre les surtensions et la protection contre la surchauffe (Figure 7).

Figure 7 : L'interface graphique de Virtual Bench de MPS inclut la programmation avancée du module configurable afin d'optimiser ses performances pour répondre aux spécifications du concepteur. (Source de l'image : MPS)

Une fois que le concepteur a sélectionné les meilleurs paramètres pour son application, les informations sont écrites dans la mémoire RAM intégrée du module. Le développeur peut alors exécuter le kit d'évaluation sous différentes charges pour vérifier ses performances. Il suffit de modifier les paramètres et de les réécrire dans la RAM pour optimiser les performances de l'alimentation.

Comme la mémoire RAM est volatile, une fois le module hors tension, les paramètres sont perdus. Au redémarrage, le module démarre avec les paramètres d'usine par défaut. Il est possible d'exporter les informations de la RAM vers Virtual Bench avant la mise hors tension pour référence ultérieure.

Une fois les paramètres optimaux déterminés, le concepteur peut alors les programmer dans la ROM OTP de manière à ce qu'ils soient conservés à la mise hors tension et utilisés au prochain démarrage du module. Le kit d'évaluation permet d'expérimenter davantage les paramètres via l'interface I²C et la RAM, mais après la première utilisation de la ROM, aucun autre paramètre ne peut être enregistré.

Conclusion

Bien qu'un vaste choix d'excellents régulateurs de tension monolithiques soit disponible, le concepteur a encore beaucoup de travail à faire pour concevoir et tester les circuits périphériques qui optimisent les performances de la conception pour une application particulière. En combinant une conception matérielle complète dans un module avec une logique numérique programmable, les modules programmables configurables de MPS simplifient et accélèrent cette boucle de conception.

Comme illustré, un kit d'évaluation combiné à une interface graphique basée sur PC simplifie la configuration. Le concepteur peut choisir des paramètres de base tels que la tension ou le courant de sortie et conserver les autres valeurs d'usine par défaut, ou il peut s'engager dans une conception de convertisseur à découpage plus avancée pour minimiser les interférences électromagnétiques et la réponse transitoire tout en optimisant la stabilité et le rendement.

Une fois la conception finale gelée, les quantités de production du module peuvent être fournies sans programmation pour que le client puisse les configurer à partir des données du prototype, ou, si les informations de configuration sont fournies à MPS, les modules peuvent être programmés en usine et fournis prêts à l'emploi.

Lecture recommandée

1. Capacitor Selection is Key to Good Voltage Regulator Design.
2. Utiliser des régulateurs à découpage à faibles EMI pour optimiser les conceptions d'alimentation haut rendement.
3. Understanding Switching Regulator Control Loop Response.
4. Designing Compensator Networks to Improve Switching Regulator Frequency Response.
5. The Difference Between Switching Regulator Continuous and Discontinuous Modes and Why It's Important.