Et si l'on oubliait les LDO au profit de petits régulateurs à découpage ?

Je dois l'avouer : malgré toute l'attention portée aux régulateurs à découpage, mon cœur (et peut-être également ma tête) a encore un « petit faible » pour les régulateurs à faible chute de tension (LDO). Parmi toutes les raisons, il y a le fait que les LDO ont une fonction unique, qu'ils accomplissent bien et facilement, sans causer de maux de tête ni de mauvaises surprises. De plus, les premiers dispositifs de régulation de puissance que j'ai utilisés étaient les LDO et ils m'ont été très utiles lorsque j'essayais de construire de vrais circuits. Aujourd'hui encore, quand j'ai besoin d'un rail de quelques volts et d'un courant d'environ un ampère, je pense directement au LDO basique à trois bornes plutôt qu'au régulateur à découpage (alias l'alimentation à découpage).

Il est reconnu que les LDO ont généralement un rendement inférieur à celui des alimentations à découpage, mais à des niveaux de courant inférieur (environ un ampère), la différence est faible et peut être négligeable dans une conception spécifique. Au-dessus de quelques ampères, la différence est habituellement assez importante pour que le LDO ne soit pas une bonne solution, sauf si vous avez besoin d'un rail à très faible bruit, et encore : même certaines alimentations à découpage sont plutôt efficaces et ont un bruit très faible. En outre, bien qu'il soit possible de mettre en parallèle certains types de LDO avec des résistances « stabilisatrices » à faible valeur ohmique pour égaliser la consommation de courant, la démarche peut s'avérer compliquée en termes de configuration, d'empreinte, de nomenclature et de quantification des performances.

Pourtant, les LDO sont des composants essentiels de la nomenclature pour les ingénieurs. Ils sont si faciles à utiliser que de nombreux concepteurs en disséminent à tout va dans leur carte à circuit imprimé, dès qu'ils ont besoin d'une bonne régulation près du circuit intégré ou du sous-circuit. Ainsi, ils réduisent la chute IR du rail d'alimentation et la captation du bruit, ainsi que d'autres soucis qui apparaissent lorsqu'une source d'alimentation est placée loin de sa charge.

Les temps changent

Néanmoins, je commence à me demander si même ces possibilités de conceptions basiques pour les LDO ne touchent pas à leur fin. Les régulateurs à découpage encapsulés à plus faible courant présentent aujourd'hui des caractéristiques comparables à celles des LDO en matière de simplicité, de taille, de besoins (ou non) en composants passifs externes et de simplicité générale de conception. Si vous observez une vue « à l'aveugle » de ces alimentations à découpage encapsulées, comparées aux LDO dans un circuit, vous aurez du mal à différencier un LDO d'un ampère d'une alimentation encapsulée multi-ampère.

En outre, tandis qu'un LDO peut uniquement réguler à la baisse (abaisseur), il existe des alimentations à découpage de types abaisseur, élévateur, et même abaisseur-élévateur avec transition transparente entre les deux modes. Il s'agit d'une capacité importante, car de nombreux circuits fonctionnent à partir d'une cellule lithium-ion unique et ont besoin d'un mode abaisseur-élévateur pour réguler la batterie, de l'état de charge complète à la décharge.

Parlons peu, parlons (argent) bien

Prenez le LTM8074 (LTM8074EY#PBF), un régulateur à découpage µModule Silent Switcher d'Analog Devices (Figure 1). Il affiche une vaste plage de tensions d'entrée (3,2 V à 40 V) et une vaste plage de tensions de sortie (0,8 V à 12 V), fournit 1,2 A continu (à 24 V en entrée et 5 V en sortie) et atteint un courant de sortie de crête de 1,75 A à une sortie de 3,3 V. Pourtant, c'est sa petite taille qui a réellement attiré mon attention. En tant que dispositif BGA, il ne mesure que 4 mm x 4 mm et 1,82 mm de hauteur.

Figure 1 : Le LTM8074 est un régulateur à découpage facile à utiliser avec une petite empreinte pour le module et le circuit global. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour fonctionner, il n'a besoin que de deux condensateurs (1 µF et 10 µF) et de deux résistances, ce qui le rend aussi facile à installer et à utiliser qu'un LDO comparable, mais avec plus de puissance et une empreinte plus petite. L'inductance, qu'on associe généralement à une alimentation à découpage, est intégrée dans le boîtier, de sorte que, du point de vue du concepteur, elle ne fait pas partie de la nomenclature et ne prend pas d'espace supplémentaire. De plus, ses émissions EMI sont plutôt faibles et rivalisent avec celles du LDO (Figure 2).

Figure 2 : Émissions CISPR22 de classe B pour le LTM8074 sur sa carte de démonstration DC2753A, avec VOUT = 3,3 V, charge de 1,2 A et aucun filtre EMI. (Source de l'image : Analog Devices)

Texas Instruments propose également des modules à découpage miniatures semblables au LDO, notamment le LMZ10501 (LMZ10501SILR), un NanoModule de 1 A avec une plage de tensions d'entrée de 2,7 V à 5,5 V et une plage de tensions de sortie de 0,6 V à 3,6 V (Figure 3).

Figure 3 : Le LMZ10501 de Texas Instruments est disponible dans un boîtier de 3,00 mm × 2,60 mm, inductance comprise. En externe, il a seulement besoin de trois condensateurs céramique et de deux résistances pour fonctionner. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le LMZ20501 a seulement besoin de trois condensateurs céramique et de deux résistances, et l'inductance est intégrée dans son boîtier microSiP à 8 broches, mesurant seulement 3,00 mm x 2,60 m (Figure 4). Une chose est sûre : il ne ressemble pas à un circuit intégré classique.

Figure 4 : L'inductance du LMZ10501 de Texas Instruments fait partie intégrante de la conception physique du NanoModule, ce qui permet des gains d'espace et de nomenclature. (Source de l'image : Texas Instruments)

Ces alimentations à découpage miniatures concurrencent même les LDO pour les plages de courants les plus faibles, où les LDO ont l'avantage de la taille et de la facilité d'utilisation. Par exemple, le MAXM15462 de Maxim Integrated est un module CC/CC abaisseur synchrone haut rendement, avec un contrôleur, des MOSFET, des composants de compensation et une inductance intégrés fonctionnant sur une vaste plage de tensions d'entrée (Figure 5). Il accepte une entrée de 4,5 V à 42 V et fournit un courant de sortie jusqu'à 300 mA sur une tension de sortie programmable de 0,9 V à 5 V. Il a besoin de trois condensateurs (deux à 1 µF et un à 10 µF) et de deux résistances en plus de son petit boîtier uSLIC™ de 2,6 mm x 3 mm x 1,5 mm.

Figure 5 : La taille du régulateur à découpage MAXM15462 à sortie de 300 mA de Maxim Integrated rivalise avec celle des LDO à faible courant. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Les avantages de ces alimentations à découpage miniatures ne se limitent pas à offrir un format plus compact et un rendement plus élevé par rapport aux LDO comparables. Selon le dispositif choisi, elles incluent des fonctionnalités pratiques (et parfois nécessaires), comme un démarrage progressif pour réduire le courant d'appel, une broche de sortie « Power Good » et un seuil de verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) programmable.

Et si l'on tournait la page ?

Parfois, il faut oublier ses vieilles habitudes pour pouvoir bénéficier des avancées technologiques. Je vois des ingénieurs qui spécifient des amplificateurs opérationnels vieux de vingt ans dans leurs nouvelles conceptions de produit, essentiellement parce qu'ils sont à l'aise avec leurs petites manies. Bien qu'il s'agisse là d'une stratégie sensée à certains égards, elle peut priver la conception finale de sa capacité à faire plus, à moindre coût et avec un format plus petit.

Pour les régulateurs de puissance comme les LDO, ils peuvent encore être utilisés par des millions et des milliards de personnes chaque année pour de nouvelles conceptions. Cependant, les régulateurs à plus faible commutation de puissance offrent beaucoup plus en termes de performances améliorées, de bon comportement, de facilité d'utilisation et de rendement, et ce dans un petit boîtier. Ce serait presque de la négligence professionnelle de ne pas au moins envisager leur utilisation, plutôt que de céder par réflexe au familier LDO pour la nomenclature.

Donc, pendant que vous vous penchez sur la question, je vais vérifier le carburateur de ma voiture : je crois que le pointeau a besoin d'un petit nettoyage et que le flotteur est mal ajusté.