Augmenter le rendement et réduire le bruit des circuits régulés CC

Pour fournir une tension d'entrée à un moteur à courant continu (CC) de 24 volts (V), on peut par exemple connecter une alimentation nominale de 24 V à ses bornes et l'activer. Le moteur fonctionnera ainsi à la perfection. Mais c'est précisément le problème avec une alimentation à tension nominale : elle peut par exemple monter jusqu'à 38 V ou descendre à 15 V. Même si une telle fluctuation de la tension n'endommagera pas forcément un dispositif relativement robuste comme un moteur CC, elle aura certainement un impact sur ses performances. On ne peut pas en dire autant pour les applications sensibles dans les secteurs de l'automobile, de l'avionique et des télécommunications. Dans ces produits, et dans bien d'autres, les sous-tensions ou les surtensions peuvent provoquer des dégâts irréversibles.

Un défi supplémentaire survient si l'alimentation d'entrée ne correspond pas à celle requise par le moteur CC. Par exemple, la valeur courante d'une tension d'alimentation CC est de 48 V. Le fait de connecter une telle tension directement à un moteur de 24 V peut mal finir.

Un régulateur de tension CC offre une solution simple. Comme son nom l'indique, ce dispositif peut maintenir une sortie parfaitement régulée à partir d'une entrée variable (dans certains seuils). Ainsi, même si l'entrée varie entre 38 V et 15 V, le régulateur fournira une sortie stable de 24 V, à quelques points près au-dessus ou en dessous. Les régulateurs de tension peuvent également fournir une sortie différente de la tension d'entrée, ce qui permet d'alimenter en toute sécurité notre moteur de 24 V à partir d'une alimentation de 48 V.

La puissance de la régulation de tension

Il existe de nombreuses options commerciales pour la régulation de tension. La plus simple est le régulateur linéaire à faible chute de tension (LDO). Un régulateur LDO est facile à intégrer et nécessite peu de composants externes. Il s'agit également d'une solution compacte et relativement peu coûteuse. Inconvénient notable : ce dispositif peut uniquement fournir une sortie inférieure à l'entrée. Il ne nous serait donc d'aucune aide si notre alimentation de 24 V chutait en dessous de sa valeur nominale.

Les régulateurs LDO présentent potentiellement un autre inconvénient : leur rendement médiocre. Le dispositif utilise essentiellement un réseau de diviseurs à résistances pour réguler la tension. Plus la différence entre l'entrée et la sortie est grande, plus la dissipation de puissance interne est donc importante et plus la température augmente. Par exemple, si nous utilisons un régulateur LDO pour réguler une alimentation de 48 V à 24 V, le régulateur fonctionnera à un rendement d'environ 50 %. À une époque où nous essayons d'économiser l'énergie dès que possible, un tel gaspillage de puissance n'est pas acceptable (Figure 1).

Figure 1 : Le rendement d'un régulateur LDO est proportionnel au rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée. (Source de l'image : Analog Devices)

Amélioration par rapport à un régulateur LDO

Les régulateurs à découpage permettent un meilleur rendement des tâches de régulation de tension. Les principes de fonctionnement sont complexes, mais la régulation se fait essentiellement grâce à la commutation haute fréquence de paires de transistors pour charger périodiquement une ou plusieurs inductances, qui dissipent ensuite leur énergie au niveau de la charge et se retrouvent ainsi prêtes à être de nouveau chargées lors du cycle suivant. Contrairement au régulateur LDO, la régulation de la tension ne se fait pas en divisant la tension d'entrée à l'aide d'un réseau de résistances. Cela élimine efficacement la plupart des inefficacités associées au dispositif linéaire.

Par conséquent, si nous utilisons un régulateur à découpage moderne pour fournir 24 V à partir d'une entrée de 48 V, nous pouvons raisonnablement nous attendre à un rendement bien supérieur à 90 % (conformément à certaines contraintes de conception). Mieux encore, les régulateurs à découpage peuvent augmenter (« élever ») et réduire (« abaisser ») les tensions d'entrée. De nombreux dispositifs peuvent faire les deux avec des changements transparents entre les deux modes. Même si la tension d'entrée oscille entre des niveaux faibles et élevés, le régulateur fournira ainsi efficacement une tension stable de 24 V afin que notre moteur CC reste opérationnel (Figure 2).

Figure 2 : La forme la plus simple d'un régulateur abaisseur/élévateur de tension à découpage inclut un transistor, deux diodes, une inductance et un condensateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Les régulateurs à découpage présentent quelques inconvénients. Ils sont complexes, onéreux et nécessitent de nombreux composants externes qui prennent non seulement de la place, mais demandent également des compétences assez poussées en conception afin de bien les choisir. Le défi majeur est peut-être lié à cette commutation haute fréquence. La commutation génère non seulement des interférences électromagnétiques (EMI), mais peut aussi entraîner une ondulation sensible de la tension de sortie. Ces deux effets peuvent être réduits, mais pas éliminés, grâce à des circuits de filtrage bien conçus.

Optimisation du rendement

Même si les régulateurs à découpage affichent un excellent rendement, ils ne sont pas parfaits. Les principales sources de drain de puissance sont les pertes CC lorsque les transistors sont conducteurs, et les pertes de commutation lorsqu'ils changent d'état. Les fabricants ont intégré des astuces intelligentes à leurs produits pour améliorer le rendement lors du fonctionnement dans certains modes. Par exemple, le mode de conduction discontinue (DCM) empêche le courant d'inductance du régulateur de changer de sens en cas de faible courant de sortie. Cela permet d'améliorer le rendement des charges faibles.

Les régulateurs de tension à découpage actuels régulent la tension même lorsque cela n'est pas vraiment nécessaire. Ce faisant, ils dépensent donc une énergie non productive. Mais il existe une astuce qui est jusqu'à présent sous-utilisée. Prenons l'exemple d'un moteur CC de 24 V alimenté par une source nominale de 24 V. Même si nous avons vu que l'alimentation pouvait varier considérablement, elle sera une grande partie du temps à 24 V ou à un niveau très proche. On pourrait dans ce cas arrêter de réguler la tension et ainsi améliorer le rendement en éliminant les pertes par conduction et de commutation, ainsi que d'autres pertes de puissance entraînées par le régulateur.

Il s'agit d'une technique commercialisée par Analog Devices avec son mode Pass-Thru. Celui-ci a été intégré dans des produits comme le régulateur abaisseur-élévateur LT8210EFE (Figure 3). Ce régulateur transforme une entrée de 2,8 V à 100 V en sortie de 1 V à 100 V et inclut deux paires de transistors haut potentiel et bas potentiel.

Figure 3 : En mode Pass-Thru, la tension d'entrée circule dans le LT8210 via les transistors haut potentiel activés en permanence. Le rendement est très élevé et aucun bruit n'est généré. (Source de l'image : Analog Devices)

En mode Pass-Thru mode, les deux commutateurs haut potentiel du dispositif sont activés en permanence, permettant ainsi à la tension non régulée de circuler directement dans le dispositif, tandis que les deux commutateurs bas potentiel sont désactivés en permanence. Selon les courants et les tensions qui passent dans le régulateur, il est possible d'atteindre des rendements proches de 100 %. Mieux encore, il n'y a aucune interférence électromagnétique ni ondulation de la tension de sortie en mode Pass-Thru.

Refroidissement

Il est possible de définir la plage Pass-Thru du LT8210 en programmant les seuils inférieur et supérieur de régulation. Par exemple, vous pouvez avoir besoin d'une sortie nominale de 12 V pour votre charge, tout en sachant qu'elle peut tolérer en toute sécurité une tension non régulée entre 8 V et 16 V. Vous pouvez donc configurer le mode Pass-Thru pour cette plage et bénéficier d'un très haut rendement. Lorsque la tension d'alimentation est inférieure à 8 V, le régulateur s'active pour augmenter la tension à 8 V, et lorsqu'elle est supérieure à 16 V, il s'active pour la réduire à 16 V (Figure 4).

Figure 4 : La plage Pass-Thru peut être programmée sur le LT8210. La régulation se fait alors uniquement en dehors de cette plage. Notez l'augmentation du rendement au cours du fonctionnement en mode Pass-Thru. (Source de l'image : Analog Devices)

Analog Devices propose également une carte de démonstration DC2814A-C pratique, basée sur le LT8210. La carte fonctionne à partir d'une entrée de 26 V à 80 V et fournit une sortie de 36 V à 56 V, jusqu'à un courant maximum de 2 ampères (A). Cette carte peut être utilisée pour présenter les avantages du mode Pass-Thru sur des paramètres comme la température des composants (Figure 5, a et b).

Figure 5 : Profil de température de la carte de démonstration DC2814A-C lors de la régulation d'une entrée de 60 V en sortie de 56 V avec un courant de charge de 2 A (a, en haut). Cette même carte de démonstration est représentée lors du fonctionnement en mode Pass-Thru avec une alimentation de 45 V et un courant de charge de 2 A (b, en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les régulateurs à découpage constituent un excellent choix pour la régulation de la tension lorsqu'il est important d'avoir un haut rendement. Toutefois, ils consomment un peu d'énergie et le bruit de commutation peut s'avérer être un défi. Des gains de rendement significatifs et un fonctionnement sans bruit sont possibles grâce à la fonctionnalité Pass-Thru d'Analog Devices. Plus la charge est tolérante aux fluctuations de la tension, plus les gains potentiels sont importants.