Couverture ElectroniqueS n°127

Les régulateurs de tension dotés d'une fonction de décharge active de la sortie constituent une excellente solution pour protéger les charges sensibles et coûteuses, tout en permettant un séquencement précis des alimentations des systèmes. L es régulateurs linéaires à faible tension de déchet ou LDO (Lowdropout) sont omniprésents dans les systèmes électroniques. Une de leurs fonctions consiste à protéger la charge placée en aval en dépit de conditions environnementales difficiles: variations de température, transitoires de tension, bruit d'alimentation, inversion de polarité, surintensités, interférences électromagnétiques (IEM), décharges électro statiques (ESD)… La conception du LDO doit être robuste et inclure toutes les protections requises pour absorber ces effets pénalisants, tout en assurant la protection de la charge. Or, de nombreux LDO bon marché ne sont pas dotés de cet arsenal de fonctions de protection, de telle sorte qu'en cas de défaillance, des dommages sont causés non seulement au régulateur mais aussi à la charge. Un système à base de capteurs d'image est un exemple typique impliquant une charge sensible exigeant une protection. Les capteurs d'image renferment habituellement des circuits intégrés numériques complexes et onéreux pour acquérir une image et la convertir directement en numérique. Les deux types de capteurs d'image les plus courants sont les dispositifs à transfert de charges (CCD, charge-coupled device) et les imageurs Cmos. Une variété d'appareils comme les endoscopes et les caméras de sécurité ont recours à de tels capteurs. Par ailleurs, certaines applications nécessitent un cycle d'alimentation bien contrôlé, tant au démarrage qu'à l'arrêt. Dans les systèmes à rails multiples, les FPGA, les ASIC, les DSP, les microprocesseurs et autres circuits intégrés numériques imposent un ordre précis de mise en service et de coupure des rails de tension. Ne pas respecter cette procédure peut endommager les circuits intégrés ou altérer la logique de réinitialisation à la mise en marche d'un dispositif. Si le séquencement n'est pas correct, l'effet peut se révéler catastrophique. Les systèmes de haute fiabilité, en usage dans les secteurs de la défense, de l'avionique ou de l'aérospatial, sont d'excellents exemples pour lesquels il est impératif que l'état de la sortie soit contrôlé, surtout si les tensions d'alimentation sont en permanence mises en service et coupées. Pour répondre aux exigences attendues lors de l'arrêt du système, un LDO proposera une procédure de décharge active de la sortie. Cette fonction décharge rapidement la sortie du LDO, sans avoir à compter sur la charge du régulateur sur un diviseur résistif pour effectuer cette opération. Un LDO avec décharge active de la sortie peut être rapidement forcé à l'état bas par un commutateur Nmos si la tension d'entrée disparaît, ou si une fonction d'arrêt est 70 activée. L'avantage principal des circuits disposant d'une fonction de décharge active de la sortie est que cette dernière est en permanence dans un état connu au moment de l'extinction. La sortie est toujours déchargée rapidement et de manière prévisible, quel que soit l'état de la charge. Cette particularité est importante pour les applications qui reposent sur un séquencement précis des alimentations au moment de l'arrêt, comme celles exploitant des capteurs d'image et des microcontrôleurs. STEVE KNOTH (LINEAR TECHNOLOGY) Steve Knoth est ingénieur marketing produit senior au sein de la division «Power Products» de Linear Technology. Avant de rejoindre cette société en 2004, il a occupé différents postes chez Micro Power Systems, Analog Devices et Micrel Semiconductor. Quel choix de régulateur? La conversion vers un niveau de tension inférieur et la régulation font appel à diverses méthodes. Les régulateurs à découpage fonctionnent avec un haut rendement sur une large plage de tensions. Cependant, ils nécessitent des composants magnétiques et des condensateurs qui prennent de la place sur la carte. Opter pour des pompes de charge (ou convertisseurs de tension à capacités commutées) pour effectuer la conversion de tension se traduit par d'autres inconvénients. D'un côté le courant de sortie est limité, de l'autre des condensateurs externes sont requis pour le fonctionnement et la stabilité des pompes de charge. Les régulateurs linéaires sont normalement moins effi-caces mais, en contrepartie, ils génèrent moins de bruit et sont plus simples à utiliser lorsqu'il s'agit d'abaisser une tension. Les progrès réalisés, tant dans le domaine des techniques de conception que dans celui des procédés de fabrication des wafers, ont donné le jour à des LDO affichant une réponse transitoire ultra-rapide, une faible tension de déchet et une forte capacité en termes de courant de sortie. Un fonctionnement basse tension à partir d'une tension d'alimentation unique com-plète le tableau. La dernière génération de circuits intégrés numériques, rapides, à basse tension et courant élevé, comme les FPGA, les DSP, les microprocesseurs et les Asic, a imposé des conditions strictes aux alimentations du cœur et des ports d'E/S. Ces circuits intégrés numériques se montrent particulièrement capricieux lorsqu'il s'agit de les alimenter en énergie. Les régulateurs à découpage à fort rendement, traditionnellement mis à profit pour réaliser cette mission, sont de nature à créer des problèmes d'interférences dues au bruit. À cela s'ajoutent des limitations en termes de réponse transitoire et d'implantation sur la carte. De fait, les LDO s'imposent comme une solution de rechange dans les topologies de conversion basse tension. Les innovations récemment constatées et les améliorations de leurs caractéristiques font que les nouveaux LDO induisent peu de compromis et sont en train de changer la donne. Figure 2.-La décharge active de la sortie Formes d'ondes obtenues avec, d'un côté le LT3066, un LDO de 500mA avec décharge active de la sortie, de l'autre le LT3065, de 500mA également, mais n'incorporant pas cette dernière fonction. CARACTÉRISTIQUES DES LDO DE LA FAMILLE LT306X Les défis de conception d'un LDO De nombreux régulateurs linéaires standard de l'industrie fonctionnent avec une faible tension de déchet et une alimentation unique. Mais la plupart d'entre eux ne sont pas capables de conjuguer une conversion à très basse tension (jusqu'à 0,6 V en sortie) avec un faible bruit en sortie, une large plage de tensions d'entrée/sortie et un grand nombre de fonctions de protection. Si les LDO Pmos affichent une faible tension de déchet et se satisfont d'une seule alimentation, ils sont limités à des tensions d'entrée basses, en raison des caractéristiques V GS du transistor ballast. Pour leur part, les LDO à base de transistors Nmos présentent certes une réponse transitoire rapide, mais nécessitent deux alimenta-Cet exemplaire appartient à ilancry@newsco xemplaire appartient à ilancry@newsc tions pour polariser le dispositif. Les régulateurs NPN offrent de leur côté une large plage de tensions d'entrée et de sortie, mais ils requièrent soit deux tensions d'alimentation, soit une tension de déchet plus élevée. A contrario, un régulateur PNP, avec l'architecture de conception appropriée, est caractérisé par une faible tension de déchet, accepte une tension d'entrée élevée et affiche un faible bruit. De surcroît, à partir d'une alimentation unique, il est à même de réaliser une conversion à basse tension avec une protection à toute épreuve. Alors que les nœuds des technologies de fabrication impliquent des géométries de plus en plus fines, les tensions de fonctionnement des circuits intégrés de dernière génération diminuent. Pour de nombreux rails de tension d'entrée, des courants élevés et une faible tension de sortie se traduisent par une augmentation de la consommation d'un régulateur linéaire. Cette consommation supplémentaire se traduit directement par un échauffement. Aussi, un packaging à l'état de l'art se révèle nécessaire, pour minimiser l'accroissement de la température interne du régulateur et limiter les problèmes thermiques au niveau de l'application. Un régulateur linéaire capable de fonctionner avec une faible tension de déchet (minimisant la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie pendant que le régulateur assure la régulation et la stabilité de la sortie), induit une dissipation d'énergie moindre et, par suite, minimise les problèmes thermiques. Les exigences en termes de réjection de l'ondulation d'alimentation (PSRR, power supply ripple rejection ) et de tension de bruit en sortie constituent des défis supplémentaires. Un dispositif crédité d'un fort PSRR filtre et élimine facilement le bruit provenant de l'entrée, fournissant ainsi une sortie propre et stable. De plus, .fr. Toute reproduction est interdite. une faible tension de bruit en sortie, sur une large bande passante, se révèle béné-fique pour les rails actuels, sensibles au bruit. Certains LDO ont opté pour une décharge active de la sortie dans le but de protéger la charge. Cependant, les solutions existantes ne s'activent qu'au moment de l'arrêt. Concevoir un circuit offrant un double mode de décharge active de la sortie, capable de s'activer lorsque la tension d'entrée passe à l'état bas, s'avérait en effet une tâche complexe. Du moins, jusqu'à présent. Un régulateur linéaire de nouvelle génération Clairement, il apparaît qu'une solution de LDO pour décharger de façon active la sortie doit présenter les caractéristiques suivantes: - un fonctionnement avec une seule alimentation (pour la simplicité d'utilisation) - une réponse transitoire rapide - un fonctionnement sur une large plage de tensions d'entrée/sortie - la possibilité de fournir un fort courant de sortie - un faible bruit en sortie - une très faible tension de déchet - d'excellentes performances thermiques - un PSRR élevé sur un large spectre de fréquences - une double circuiterie de décharge active de la sortie, active si SHDN ou VIN passent à l'état bas Un régulateur linéaire de 500 mA, à faible tension de déchet, avec décharge active de la sortie, a récemment été lancé par Linear Technology. Référencé LT3066, celui-ci présente toutes les caractéristiques énumérées. De par sa conception, un tel circuit s'adresse aux applications nécessitant un état connu en sortie au moment de l'arrêt. La sortie est toujours déchargée rapidement et de manière pré72 visible, quel que soit l'état de la charge. tension à faible tension de déchet et faible bruit, offrant une grande précision, une limitation de courant programmable, un indicateur de tension établie et un taux de réjection d'alimentation (PSRR) amélioré. La tension de déchet est de 300 mV à pleine charge, soit 500mA. Ce régulateur intègre un Nmos haute tension pour le tirage à la masse (pull-down) de la sortie. Sa fonction est de décharger la tension de la sortie lorsque la broche SHDN est à l'état bas, ou en cas d'absence de la tension d'entrée. Cette décharge active rapide de la sortie contribue à la protection de la charge dans des applications nécessitant le conditionnement de l'alimentation tant à la mise en marche qu'à l'arrêt. Le LT3066 est un régulateur linéaire haute Le LT3066 présente une large plage de tensions d'entrée, soit de 1,8V à 45V, alors que la tension de sortie est ajustable entre 0,6 V et 19 V. Un condensateur unique, placé sur la broche REF/BYP, assure la fonction de démarrage progressif et un fonctionnement à faible niveau de bruit. Ce dernier est de seulement 25µVeff, sur toute la bande passante 10Hz à 100 kHz. La précision sur la tension de sortie est de ±2% en fonction des conditions de ligne, de charge et de température. Un condensateur additionnel sur la broche INFILT a pour effet d'améliorer le PSRR de 15 à 30dB, pour les fréquences comprises entre 20 kHz et 1 MHz. À cette dernière fréquence, le PSRR obtenu est 60dB. En sortie, le LT3066 se contente d'un petit Cet exemplaire appartient à ilancry@news condensateur céramique de 3,3µF, à coût modéré. L'indicateur PWRGD indique l'état de la régulation de la tension de sortie. La programmation de la précision de la limite du courant externe (±10% sur la gamme de température) s'effectue par l'intermédiaire d'une résistance. S'ajoutent des protections contre une inversion de la polarité de la batterie et les courants inverses, une limitation de courant par repliement et une protection thermique. La circuiterie de décharge offre une fonction de repliement dans l'aire de sécurité de fonctionnement (SOA, Safe-Operating-Area) du circuit. Il s'agit de protéger le transistor Nmos de tirage à la masse en présence d'un potentiel sur OUT supérieur à 6V. La broche OUT tolère par ailleurs une tension de - 1 V à 20 V, sans risque d'endommager le circuit. Avec ses plages étendues de tensions d'entrée et de sortie, sa réponse transitoire rapide, son courant de repos de 64 µA seulement en fonctionnement et inférieur à 3µA à l'arrêt, le LT3066 constitue un choix tout indiqué pour les alimentations destinées aux secteurs de l'industrie, de l'avionique et de l'automobile. Mais aussi pour les systèmes et instruments tirant leur énergie d'une batterie, pour lesquels une autonomie maximale est requise, et les alimentations de grande fiabilité exigeant un haut niveau de protection. Un exemple d'application typique du LT3066 est indiqué à la figure 1. La figure 2 illustre les bénéfices apportés par la décharge active de la sortie du LT3066. La comparaison est ici effectuée avec le co.fr. Toute reproduction est interdite. LT3065, un produit similaire au précédent, mais qui n'est pas doté de cette fonction de décharge de la sortie. La charge du LT3065 est de 10 mA alors que le LT3066 est uniquement chargé par le diviseur résistif qui fixe le potentiel de sortie (10 µA dans cet exemple). Même lorsque la sortie du LT3066 est faiblement chargée, la tension de sortie se décharge rapidement grâce à la fonction idoine. Le condensateur de sortie du LT3065, au contraire, se décharge uniquement au travers de la charge de 10 mA qui lui est connectée, et ce à une vitesse beaucoup plus faible. Figure 3.-PSRR du LT3066 (avec broche INFILT) Par rapport aux autres membres de la famille LT306x, le LT3066 affiche des performances améliorées en termes de PSRR grâce à la présence de la broche d'entrée séparée INFILT, découplée par un condensateur de 0,47µF. Pour les tensions de sortie excédant environ 7V, le LT3066 procède par une méthode de repliement. La tension de commande du transistor qui effectue la décharge active de la sortie est réduite pour limiter la puissance traversant le dispositif. Sur les oscillogrammes de la figure 2, la trace supérieure montre que la décharge s'effectue moins rapidement entre 12V et 7V du fait de la mise en œuvre du repliement. Cette fonction protège le LT3066 lorsque la tension de sortie est élevée et que de gros condensateurs sont utilisés, ou lorsque la sortie est reliée à un fort potentiel suite à un aléa. Un taux de réjection d'alimentation amélioré En termes de PSRR, le LT3066 affiche des performances supérieures à celles des autres membres qui constituent la famille LT306x. Ces performances sont obtenues au travers de la broche d'entrée INFILT. Cette broche séparée alimente l'amplificateur d'erreur et la référence. Elle est reliée à la broche IN par l'intermédiaire d'une résistance interne de 140O. Connecter un condensateur de découplage entre INFILT et la masse forme un filtre RC qui réduit l'ondulation de l'alimentation à l'entrée, au niveau de l'amplificateur d'erreur et de la référence. Par exemple, avec un condensateur de découplage de 0,47 µF sur INFILT, le PSRR est amélioré de 30dB à des fréquences situées au-delà de 10kHz ( voir figure 3 ). Si le filtrage d'entrée n'est pas nécessaire, la broche INFILT doit être reliée aux broches IN. Toutes les applications ne nécessitent pas une décharge active de la sortie pour protéger les charges sensibles, ou des courants dont l'intensité est aussi élevée que 500mA. C'est pourquoi Linear Technology propose cinq autres éléments dans la famille LT306x ( voir tableau ). Ceux-ci combinent de fortes tensions d'entrée et de sortie, une faible tension de déchet, une réponse transitoire rapide, une faible tension de bruit et des schémas de protection 73 multiples, pour des intensités du courant de sortie entre 100mA et 500mA. n

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