Couverture ElectroniqueS n°127

Grâce à la mise à disposition par les fabricants de contrôleurs spécifiques à une topologie de conversion d'énergie, les utilisateurs sont en mesure de concevoir leurs propres convertisseurs DC-DC haute densité, sans passer par les longs cycles de développement qui étaient inévitables il y a encore quelques années. L es convertisseurs DC-DC isolés de forte densité ont beaucoup évolué au cours de ces 25 dernières années. L'introduction des facteurs de forme « brique » et « demi-brique » a entraîné leur adoption massive dans les architectures d'alimentation distribuée des systèmes destinés aux applications télécoms, datacoms, industrielles et médicales. Une tension de bus est ici acheminée vers toutes les cartes, chacune disposant de son propre convertisseur DC-DC isolé. Ces briques intégraient souvent plusieurs centaines d'éléments ce qui, par rapport à une approche discrète réalisée sur circuit imprimé, avait pour effet de simplifier la conception d'une alimen-tation. A l'époque, plusieurs fournisseurs d'alimentations électriques se sont hâtés de faire leur entrée sur le marché et ainsi rattraper leurs principaux rivaux. Beaucoup ont consacré plusieurs années de développements laborieux, créant leurs propres composants, topologies et schémas de contrôle pour surpasser les performances des offres émanant de la concurrence. Si l'empreinte a souvent été conservée, certaines sociétés ont opté pour leurs propres formats et brochages brevetés. En conséquence, l'éventail des possibilités s'est élargi pour inclure les formats 1/4 e ,1/8 e et 1/16 e de brique, mais aussi les innombrables BRUCE HAUG (LINEAR TECHNOLOGY) Titulaire d'un BSEE de l'Université d'État de San José (Californie), Bruce Haug est entré chez Linear Technology en 2006. Au sein de cette société, il est ingénieur marketing senior pour les produits de puissance. variations des autres formats déclinés en fonction de la puissance de sortie. Avec l'introduction de contrôleurs DC-DC et de circuits monolithiques spécifiques, mais aussi grâce à la mise à disposition de transformateurs planaires et d'inductances sur étagère, la réalisation de solutions discrètes a été grandement simplifiée. Une conception isolée peut ainsi faire appel à 15 ou 20 éléments, pour un convertisseur du type flyback (à transfert indirect d'énergie) et du type forward (à transfert direct d'énergie), respectivement. Pour les concepteurs, cette ère des contrôleurs et des circuits monolithiques spécifiques a ouvert une nouvelle voie pour le développement de convertisseurs DC-DC isolés. L'amélioration du fonctionnement en régime de commutation des Mosfet, des tensions VDS nominales et des RDS(ON) a aussi contribué à simplifier les implantations discrètes. Certaines d'entre elles ne nécessitent plus de photocoupleur ou de transformateur de signal dans la boucle de rétroaction. De surcroît, beaucoup sont utilisables dans le cadre d'applications militaires, avec un fonctionnement possible entre - 55°C et +150°C. Des sorties isolées sont exigées par une large palette d'applications mettant en œuvre des convertisseurs DC-DC, et pas seulement dans le but de répondre aux exigences d'isolation 48V en vigueur dans les secteurs des télécoms et des datacoms. L'isolation est aussi souhaitée par les dispositifs sensibles au bruit, nécessitant une masse séparée de la tension d'entrée bruyante: une batterie automobile, un bus intermédiaire et des entrées industrielles par exemple. Les écrans, les automates programmables, les systèmes GPS et certains équipements de surveillance médicale peuvent tous être perturbés par une tension de bus bruyante. Les caméras d'examen, les instruments dentaires, les moniteurs de sommeil et de signes vitaux exploitent tous des écrans avec lesquels une source de tension bruyante est susceptible d'interférer. Une alimentation isolée est à même de fournir des masses séparées pour éliminer le bruit qui crée des problèmes d'affichage. Linear Technology dispose d'une ligne complète de contrôleurs spécifiques qui seront mis en œuvre dans des convertisseurs DC-DC isolés à forte densité, et ce selon différentes topologies : flyback, forward, push-pull, en pont complet. Des versions sont proposées avec ou sans redressement synchrone, la plupart sans photocoupleur, certaines avec un transformateur de signal pour fermer la boucle de rétroaction, d'autres procédant par détection de la tension de sortie à partir de l'enroulement primaire du transformateur. Deux gammes de tensions d'entrée fondamentales sont usuelles: l'une de 9V-32V pour le marché industriel, l'autre de 36V-75V pour adresser les marchés des télécoms et des datacoms. Ajoutons que certains convertisseurs supportent une plage de tensions d'entrée comprises entre 18 V et 75 V. Linear Technology met aussi à disposition des conceptions de référence pour toutes les topologies, pour des tensions d'entrée et de sortie comprises entre 1,2V et 48V. Les utilisateurs ont accès à des cartes de démonstration, des schémas électriques, une nomenclature et des fichiers Gerber pour chaque conception. Un guide de démarrage rapide fournit les courbes de performances, incluant celles relatives à la régulation de charge et de ligne, à l'ondulation résiduelle et au bruit, au rendement et à la réponse transitoire. Le convertisseur forward: une topologie populaire L'une des topologies avec isolation galvanique les plus courantes concerne les convertisseurs DC-DC de type forward. Parmi les contrôleurs forward, certains se contentent d'un seul circuit de contrôle au primaire. D'autres mettent en œuvre des circuits intégrés à la fois au primaire et au secondaire pour le contrôle, le séquencement et la commande des Mosfet synchrones. Les concepteurs de convertisseurs abaisseurs (buck) ont longtemps bénéficié de la simplicité de ces derniers, de leur haut rendement et de leur réponse transitoire rapide. Toutes qualités qu'il est aujourd'hui possible de garantir grâce aux contrôleurs synchrones de dernière génération dotés d'étages de puissance entrelacés multi-phases. Ces mêmes caractéristiques peuvent être obtenues avec des convertis-seurs forward. Un exemple nous est donné par le LT8310, un composant récemment mis sur le marché, dont le moindre intérêt n'est pas de nécessiter un nombre restreint de composants externes. Comme l'indique le schéma de la figure 1, le LT8310 se contente de 20 éléments pour réaliser un convertisseur forward isolé, fournissant une puissance de sortie jusqu'à 78W. A partir d'une tension d'entrée nominale de 48V, le circuit génère une sortie de 12V avec un courant dont l'intensité atteint 6,5A. Le rendement est de 92%. Le contrôleur forward au primaire fonctionne avec une tension d'entrée comprise dans l'intervalle 6V à 100V, pour un niveau de puissance jusqu'à 200 W. Ce circuit trouvera son juste emploi dans les applications synchrones ou non. Pour un fonctionnement synchrone, par l'intermédiaire d'un transformateur d'impulsion, le LT8310 envoie un signal de commande au pilote de Mosfet côté secondaire. Une conception synchrone s'avère plus avantageuse pour les applications de forte puissance ou à faible tension de sortie. La régulation de la tension de sortie est de ±8% sans faire usage d'un photocoupleur ( figure 2 ). Quand il est fait appel à ce dernier élément, une régulation de ±1,5% est envisageable. Un blocage volt-seconde programmable offre une sécurité en cas de saturation du transformateur et une protection du Mosfet. Cette fonction permet d'optimiser le transformateur et le Mosfet, afin de réduire les dimensions globales de la solution. Le LT8310 est disponible dans un boîtier TSSOP-20 dont plusieurs broches ont été supprimées pour adapter l'écartement à la haute tension. La simplicité du convertisseur flyback Pour de faibles niveaux de puissance, le contrôleur flyback constitue un convertisseur DC-DC isolé encore plus simple. Ce type de convertisseur a été utilisé à grande échelle pendant de nombreuses années, son choix n'est cependant pas un choix de facto. En effet, les concepteurs d'alimentations optent par nécessité pour des convertisseurs flyback en raison des besoins d'isolation à basse puissance, et non pas parce qu'ils sont plus faciles à réaliser. Le convertisseur flyback souffre de problèmes de stabilité dans la boucle d'asservissement, un phénomène amplifié par le vieillissement et la variation du gain du photocoupleur. Un convertisseur flyback nécessite de consacrer beaucoup de temps à la conception du transformateur, une tâche rendue plus complexe par le choix limité de composants magnétiques sur catalogue, impliquant l'adoption d'un transformateur sur mesure. Dans le domaine de la conversion d'énergie, les récentes avancées technologiques constatées ont eu pour effet de simplifier notablement la conception des convertisseurs isolés. Ainsi, le LT8302 est un convertisseur flyback isolé qui résout de nombreux problèmes de conception. En premier lieu, un tel circuit élimine le recours à un photocoupleur, à une référence de tension côté secondaire et à un troisième enroulement au niveau du transformateur de puissance. L'isolation entre le primaire et secondaire est assurée par ce seul dernier élément. Le LT8302 met en œuvre un schéma de détection côté primaire, apte à détecter la tension de sortie par le biais de la forme d'onde du signal au nœud de commutation côté primaire. Pendant la période de blocage, la diode au secondaire fournit le courant de sortie, alors que la tension de sortie est réfléchie vers le primaire du transformateur flyback. L'amplitude de la tension au nœud de commutation est la somme de la tension d'entrée et de la tension de sortie réfléchie que le LT8302 est capable de restituer. Cette technique de rétroaction de la tension de sortie se traduit par une régulation totale d'une précision meilleure que ± 5 %, sur toute la plage des tensions d'entrée, des valeurs de la charge et de la température. La figure 3 montre un schéma de convertisseur flyback, bâti autour d'un LT8302 entouré de 14 composants seulement. Le LT8302 est disponible dans un boîtier SO-8 à 8 broches, thermiquement amélioré. Il accepte une tension d'entrée comprise entre 2,8 V et 42 V. Il embarque un robuste commutateur Dmos de 3,6A/65V, afin de fournir une puissance de sortie jusqu'à 18W. En outre, sous faible charge, le LT8302 fonctionne en mode rafale («burst mode») à faible ondulation, ce qui abaisse le courant de repos à 106 µA seulement. Il en résulte une durée de vie accrue de la batterie pendant le mode sommeil, avec la tension de sortie régulée. D'autres caractéristiques incluent un démarrage progressif interne et un verrouillage en cas de sous-tension. Le rapport de transformation du transformateur et une résistance externe sont les seuls éléments qui fixent la tension de sortie. La mesure au primaire de la tension de sortie Pour un convertisseur isolé, la mesure de la tension de sortie impose normalement la présence d'un photocoupleur et d'une référence de tension au secondaire. Un photocoupleur transmet le signal de rétroaction de la tension de sortie par l'intermédiaire d'une liaison optique, tout en maintenant une barrière d'isolement. Cependant, comme la caractéristique de transfert du photocoupleur évolue avec la température et le vieillissement du composant, la précision s'en trouve finalement dégradée. Les photocoupleurs affichent aussi des caractéristiques gain/phase différentes d'un circuit à l'autre. Une conception flyback exploitant un enroulement de transformateur supplémentaire peut aussi constituer un choix pour fermer la boucle de rétroaction. Cet enroulement supplémentaire augmente la taille et le prix du transformateur et ne fournit pas une très bonne régulation de la tension de sortie. A contrario, le LT8302 n'a besoin ni d'un photocoupleur ni d'un transformateur avec enroulement supplémentaire. Il mesure avec précision la tension de sortie au niveau du nœud de commutation au primaire lorsque le transistor de puissance est bloqué. Ce qu'illustre la figure 4, où Nest le rapport de transformation du transformateur, VIN la tension d'entrée et V C la tension maximale clampée. Le transformateur: un choix critique Les spécifications et la réalisation du transformateur sont sans doute les facteurs les plus critiques pour tirer pleinement profit du potentiel du LT8302. Les mises en garde habituelles sont relatives à la conception du transformateur d'alimentation isolé haute fréquence, dont l'inductance de fuite sera faible et le couplage serré. Le rapport de transformation doit aussi être contrôlé avec précision. Linear Technology a travaillé avec plusieurs fabricants de composants magnétiques pour la réalisation de transformateurs flyback utilisables avec le LT8302. Le tableau montre une liste des transformateurs sur étagère de Würth Electronik, recommandés dans la fiche technique du LT8302. Ces transformateurs supportent normalement une tension de claquage de 1 500 V AC pendant une minute entre le primaire et le secondaire. Il est aussi possible de préférer des transformateurs sur mesure dont la tension de claquage est supérieure. n

Réaliser un convertisseur DC-DC isolé avec un minimum de composants

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure

Réaliser un convertisseur DC-DC isolé avec un minimum de composants

Dans la même rubrique

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure