Couverture ElectroniqueS n°127

Dans le milieu automobile, les problèmes liés aux perturbations électromagnétiques engendrées par les alimentations à découpage se posent avec acuité. En faisant appel à un régulateur comme le LT8614, il est possible de s'affranchir des filtres et du blindage. L e routage des circuits imprimés conditionne le bon ou le mauvais fonctionnement de toute alimentation électrique. Il en détermine le comportement en mode opératoire, du point de vue des interférences électromagnétiques (IEM) et en température. Bien que le routage d'une alimentation à découpage ne soit pas de la magie noire, il est souvent négligé lors du processus de conception initial. Toutefois, puisqu'il est nécessaire de satisfaire aux exigences fonctionnelles et à celles relatives aux perturbations électromagnétiques, il faut savoir que les facteurs favorables à la stabilité de l'alimentation le sont aussi, en général, pour tout ce qui concerne les IEM. Il est aussi intéressant de noter qu'un bon routage effectué dès le départ ne s'avèrera pas plus coûteux. Il se révélera même plus économique s'il élimine le besoin de filtres IEM et de blindage mécanique, tout en évitant les délais liés aux tests CEM et aux révisions de cartes de circuit imprimé. Le LT8614 minimise les perturbations électromagnétiques IEM/CEM tout en présentant un haut rendement à des fréquences jusqu'à 3MHz. De plus, le problème potentiel d'interférence et de bruit peut être exacerbé quand de multiples régulateurs à découpage DC-DC sont mis en parallèle. Cette pratique est usuelle pour partager le courant et obtenir une puissance de sortie plus élevée. Si tous ces régulateurs commutent à une fréquence similaire, l'énergie générée est concentrée autour d'une même fréquence. Cette énergie peut poser problème, surtout si les autres circuits intégrés disposés sur le circuit imprimé et les diverses cartes du système sont proches les uns des autres et sensibles à ce rayonnement. C'est particulièrement gênant pour les systèmes embarqués dans une automobile, à la fois denses et disposés à proximité des bus audio, RF, CAN ( Controller Area Network) et autres (radar). TONY ARMSTRONG ET CHRISTIAN KÜCK (LINEAR TECHNOLOGY) Tony Armstrong (à gauche) est directeur du marketing pour les produits de gestion et de conversion d'énergie de Linear Technology. Il est titulaire d'un BS en mathématiques appliquées de l'université de Manchester. Christian Kück est directeur du marketing stratégique Europe pour la ligne de produits d'alimentation de Linear Technology. Diplômé en microélectronique de l'université de Dortmund, il a plus de 25 ans d'expérience dans l'industrie. Le problème des émissions de bruit d'un régulateur à découpage Dans un environnement automobile, les régulateurs à découpage remplacent généralement les régulateurs linéaires, là où une faible dissipation de chaleur et un bon rendement sont exigés. Or, le régulateur à découpage est typiquement le premier composant actif placé sur le bus d'alimentation. En termes d'IEM, cela signifie que son impact est significatif sur les performances du convertisseur dans sa globalité. L'émission de perturbations électromagné- tiques prend deux formes : par conduction et par rayonnement. Les perturbations électromagnétiques conduites se propagent via les câbles et les pistes du circuit imprimé. Puisque le bruit est localisé sur une borne ou un connecteur spécifique, la conformité aux normes relatives aux émissions conduites peut souvent être assurée relativement tôt dans le processus de développement, grâce à un routage soigné ou avec l'aide de filtres efficients. La courbe bleue représente le bruit de fond, la courbe rouge le résultat obtenu avec la carte LT8614, au cours d'un essai réalisé dans une chambre anéchoïque, selon la norme CISPR25. Les conditions sont les suivantes: une tension d'entrée de 8,4 V, une tension de sortie de 3,3 V et un courant de charge de 2,2 A. L'amplitude des suroscillations est limitée avec le LT8614. Dans les mêmes conditions de fonctionnement, une amélioration jusqu'à 20dB est obtenue avec le LT8614. Les conditions sont les suivantes: une tension d'entrée de 13,2 V, une tension de sortie de 3,3 V et un courant de charge d'intensité 2,2 A. Avec le LT8614, la forme d'onde est proche d'un signal carré idéal. Pour ce qui concerne les perturbations électromagnétiques rayonnées, c'est une autre histoire. Un champ électromagnétique est rayonné à partir de tout ce qui transporte du courant sur la carte. Chaque piste du circuit imprimé est une antenne, chaque plan de cuivre un résonateur. En dehors d'un signal purement sinusoïdal et d'une tension continue, tout génère du bruit dans le spectre. Même avec une conception soignée, on se sait jamais vraiment quel sera le niveau des perturbations rayonnées avant d'avoir testé le système. Et tester les perturbations rayonnées ne peut être fait formellement qu'en phase terminale du processus de conception. Des filtres sont souvent utilisés pour réduire les IEM. Ils atténuent la force du signal à une fréquence ou sur une plage de fréquence données. La partie de l'énergie se propageant dans l'espace est atténuée par des blindages métalliques et magnétiques. La partie se propageant le long des pistes des cartes est maîtrisée grâce à des perles de ferrite et d'autres filtres. Les perturbations électromagnétiques ne seront pas éliminées, mais seulement circonscrites à un niveau acceptable par les autres composants de communication et numériques. Plusieurs organismes de réglementation font en sorte que la conformité aux normes soit respectée. Comportement observé pendant la chute de tension de la boucle de commutation. Pour de meilleures performances, les filtres d'entrée actuels font appel à des composants à montage en surface et non plus traversants. Cependant, le gain obtenu est quelque peu tempéré par l'augmentation constatée des fréquences de découpage des régulateurs de tension. Des rendements supérieurs, des durées de conduction et de blocage plus courtes se traduisent par un contenu harmonique plus riche en raison des transitoires de commutation plus rapides. A chaque doublement de la fréquence de découpage, les IEM augmentent de 6 dB, tous autres paramètres tels que la capacité de découpage et les temps de transition étant inchangés. Les IEM large bande se comportent comme un filtre passe-haut du premier ordre, avec des niveaux d'émission de 20 dB plus élevés si la fréquence de découpage est multipliée par 10. Les concepteurs de cartes expérimentés s'assureront que les boucles actives seront les plus courtes possibles et mettront en œuvre des plans de masse faisant office de blindage. Ces derniers seront placés au plus près de la couche active. Cependant, le brochage des composants, les considérations thermiques, la construction et la taille du boîtier requis pour le stockage adéquat de l'énergie des composants de découplage imposent une taille minimale de la boucle active. Pour compliquer encore les choses, dans les cartes de circuits imprimés traditionnelles, le couplage entre pistes, de type magnétique ou par transformateur, au-dessus de 30 MHz va réduire à néant les effets des filtres. En effet, plus les fréquences harmoniques sont élevées, plus le couplage magnétique indésirable s'avère efficace. Une nouvelle solution pour lutter contre les IEM Face aux problèmes soulevés par les IEM, une solution éprouvée consiste à opter pour une enceinte de blindage englobant la totalité du circuit. Bien sûr, une telle mesure a un coût, consomme de la place sur la carte, ne facilite pas la gestion thermique ni le test. A cela s'ajoutent des coûts d'assemblage additionnels. Une autre méthode, fréquemment utilisée, consiste à ralentir les fronts montants et descendants des signauxdecommu-tation. Les effets indésirables sont une réduction du rendement, une augmentation des durées de conduction et de blocage minimales, ainsi que des temps morts associés. Enfin, la vitesse de la boucle de régulation du courant est compromise. A l'instar des autres circuits de la famille LT861x, le LT8614 fonctionne à une tension aussi basse que 3,4 V et saute des cycles dès que nécessaire. Le régulateur LT8614 « Silent Switcher » récemment introduit par Linear Technology présente les avantages d'une enceinte blindée sans les inconvénients énumérés ci-dessus. Le LT8614 ( figure 1 ) est également crédité d'un courant de repos très bas, soit 2,5µA. Il s'agit là du courant total consommé par le circuit, en régulation et à vide. Sa très faible chute de tension (dropout) est seulement limitée par le commutateur côté haut interne. Contrairement aux solutions existantes, la résistance RDSON du LT8614 n'est pas limitée par un rapport cyclique maximal, ni par des durées de blocage minimales. Le dispositif saute les cycles de blocage en mode dropout et n'effectue que les cycles de blocage requis pour que la tension de l'étage élévateur du commutateur haut interne soit maintenue. En même temps, comme la tension d'entrée de fonctionnement minimale est typiquement de 2,9 V seulement (3,4 V max.), un rail de 3,3 V peut être alimenté avec le dispositif alors qu'il est en dropout . Puisque sa résistance de commutation totale est plus faible, le LT8614 affiche un rendement supérieur aux LT8610/11 à fort courant. La synchronisation sur une source externe, dont la fréquence est comprise entre 200 kHz et 3 MHz, est aussi une éventualité. Les pertes de commutation en régime alternatif (AC) étant faibles, le fonctionnement à des fréquences de découpage élevées est envisageable avec peu de contrepartie sur le rendement. Dans les applications sensibles aux perturbations électromagnétiques, telles que celles rencontrées dans le secteur automobile, un bon équilibre est possible. Le LT8614 fonctionnera alors soit au-dessous de la bande AM pour des IEM encore plus faibles, soit au-delà. Dans une configuration où la fréquence de découpage est de 700 kHz, la carte de démonstration du LT8614 montre que le niveau des perturbations électromagnétiques n'excède pas le plancher de bruit, lors d'un test de classe 5 réalisé selon la norme CISPR25. Les mesures de la figure 2 ont été relevées dans une chambre anéchoïque, dans les conditions suivantes: une tension d'entrée de 12 V, une tension de sortie de 3,3 V, un courant d'intensité 2 A et une fréquence de découpage fixe de 700 kHz. Une comparaison du LT8614 « Silent Switcher » avec un autre régulateur à découpage à l'état de l'art, à savoir le LT8610, a été effectuée ( figure 3 ). L'essai a été réalisé dans une cellule GTEM ( Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell ) en utilisant la même charge, les mêmes tensions d'entrée et la même induction sur les cartes standard de démonstration des deux produits. On constate qu'une amélioration jusqu'à 20 dB a été obtenue avec le LT8614, alors que les performances en termes d'IEM du LT8610 sont déjà très bonnes, surtout dans les zones de hautes fréquences, plus difficiles à gérer. Il va en résulter des conceptions simplifiées et plus compactes, où l'alimentation à découpage réalisée à partir du LT8614 va globalement nécessiter moins de filtrage, en comparaison avec d'autres systèmes sensibles. Dans le domaine temporel, le LT8614 affiche un comportement sans conséquences fâcheuses au niveau des fronts de commutation. Sur la figure 4, on constate que même avec 4 ns/div. le régulateur LT8614 génère très peu d'oscillations transitoires. Si le LT8610 présente peu d'oscillations transi-toires amorties, l'énergie stockée dans la boucle active est cependant plus importante qu'avec le LT8614. La figure 5 illustre le nœud de commutation à la valeur d'entrée de 13,2 V. Un très faible écart existe entre la forme d'onde obtenue avec le LT8614 et un signal carré parfait. Toutes les mesures du domaine temporel ( cela concerne les figures 3, 4 et 5 ) ont été réalisées avec des sondes Tektronix P6139A à 500 MHz. Le blindage des pointes des sondes a été connecté au plan de masse de la carte à proximité, sur les deux cartes standard de démonstration. En dehors de la tension d'entrée maximale absolue de 42 V en vigueur dans le milieu automobile, le comportement en termes de chute de tension est aussi très important. Souvent, la tension d'alimentation 3,3 V des circuits logiques critiques doit être garantie en cas de démarrage à froid. A l'instar des autres produits de la famille LT861x, le comportement du régulateur LT8614 est proche de l'idéal dans ce type de situation. Au lieu des tensions de verrouillage élevées en cas de sous-tension et du verrouillage de rapport cyclique maximal des modèles concurrents, les LT8610/11/14 fonctionnent à des tensions aussi basses que 3,4 V et commencent à sauter des cycles dès que nécessaire ( figure 6 ). En conséquence, le comportement est idéal en dropout ( figure 7 ). La courte durée de conduction (30 ns min.) du LT8614 implique des rapports abaisseurs importants, même avec des fréquences de découpage élevées. Ainsi, à partir d'une entrée 42 V, il est possible d'alimenter les cœurs des circuits logiques avec un seul étage abaisseur. Garantir la conformité aux normes CEM Il est bien connu que les considérations relatives aux IEM en milieu automobile nécessitent la plus grande attention pendant le processus de conception initial. Et ce afin de garantir la conformité aux normes en vigueur lors des essais CEM réalisés avec le produit final. Jusqu'à présent, il n'existait pas de moyen sûr donnant toute garantie d'y parvenir aisément en sélectionnant les circuits intégrés de puissance adéquats. L'introduction du LT8614 a changé la donne. Par rapport aux régulateurs à découpage à l'état de l'art, le LT8614 réduit de plus de 20 dB les perturbations électromagnétiques, tout en augmentant le rendement de conversion et sans présenter d'autres inconvénients. Les IEM sont divisées par dix pour les fréquences situées au-delà de 30 MHz, sans que les durées minimales de conduction et de blocage ou le rendement ne soient affectés. De tels résultats sont obtenus sans faire usage de composants particuliers ou de blindage, ce qui représente un progrès important dans la conception des régulateurs à découpage. n

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