Couverture ElectroniqueS n°127

Peu énergivores, discrets et économiques, les commutateurs de charge constituent une solution de choix pour distribuer l'énergie au sein d'un système, tout en tenant compte du budget consommation alloué. Du circuit basique en petit boîtier BGA à quatre contacts jusqu'au commutateur évolué, doté de fonctions additionnelles et d'un arsenal de protections, l'offre est protéiforme. B eaucoup de cartes requièrent plusieurs rails d'alimentation qu'il faudra activer ou couper à la demande, parfois en respectant une séquence précise (cas typique d'une carte à processeur), afin de distribuer l'énergie au sein du système. Dans les applications portables, dans le louable but de préserver la durée de vie de la batterie, la désactivation des blocs fonctionnels (radio Bluetooth ou Wi-Fi, module caméra, écran LCD…) non utilisés est une pratique généralisée. Or, même si la mise en veille ou l'arrêt des modules est envisageable, les courants de fuite ne sont souvent pas négligeables. Une méthode plus efficace consistera à faire appel à des commutateurs de charge intégrés ( voir figure 1 ), un choix préférable à une approche discrète, moins économique et plus encombrante sur la carte, surtout si des fonctions annexes de protection et de diagnostic sont exigées. Des produits miniaturisés à l'extrême Compte tenu du nombre et de la diversité des applications concernées, le commutateur de charge est un circuit qui jouit d'une grande popularité. En témoignent l'offre abondante et la pléthore de sociétés présentes sur le marché en question, ce dont rend compte notre et exemplaire appartient à ilancry@ tableau. De l'élément assurant un service minimal, encapsulé dans un minuscule boîtier BGA à quatre contacts, jusqu'au circuit évolué, voire «intelligent», la diversité est aussi de rigueur. L'élément central d'un commutateur de charge est son Mosfet de puissance, dimensionné selon l'intensité du courant de passage, qui fait office d'interrupteur. Idéalement, lorsque ce dernier est fermé, la sortie est une réplique de l'entrée. Ce qui, en considérant les inévitables effets parasites du commutateur n'est, bien sûr, jamais le cas. Afin d'éviter les forts appels de courant lors de la commutation, a fortiori dans l'hypothèse d'une charge capacitive élevée, la montée de la tension de sortie est contrôlée. Cette charge «au ralenti» de la capacité de sortie atténue de facto les pointes de courant et garantit un démarrage progressif ( soft start ). Si, généralement, le temps de montée est figé en interne (un fabricant peut alors décliner une série en UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS Suite de la page 77 de multiples références se différenciant selon ce seul critère, voire aussi sur le temps de retard), il est parfois programmable par un condensateur externe. Cette procédure de contrôle de la vitesse de balayage (slew rate) évite également une baisse temporaire de la tension d'alimentation, consécutive à une demande en courant excessive émanant de la charge. Une telle éventualité s'avère fort préjudiciable pour les diverses entités connectées au bus et est de nature à provoquer le dysfonctionnement d'un système. L'ouverture et la fermeture de l'interrupteur se font au rythme d'un signal de commande. Afin de se conformer aux niveaux logiques des E/S des microcontrôleurs, une circuiterie de décalage des niveaux logiques (level shifter) est souvent implantée sur la puce. Le commutateur de charge AP22800 de Diodes offre un démarrage progressif et une fonction de décharge de la sortie, programmables par l'intermédiaire d'un condensateur et d'une résistance, respectivement. NMOS vs PMOS Un commutateur de charge basique ne nécessitera pas plus de quatre broches pour l'entrée, la sortie, la masse et l'ouverture/fermeture de l'in-ction est interdite. terrupteur via un signal logique (enable). Les appareils mobiles et portables (smart-phones, tablettes, ultraportables, appareils photo numériques, «wearables»…) sont friands de ces circuits affichant un faible facteur de forme, de surcroît peu énergivores. Pour mieux se faire oublier, ceux-ci sont souvent proposés dans un format de boîtier-puce (CSP, Chip-scale package), dont l'empreinte sur la carte est de l'ordre de 0,8 x 0,8 mm. Ils n'en sont pas moins aptes à véhiculer quelque 2 A. À titre d'exemples, parmi les produits relativement récents, nous citerons la série SC72x de Semtech, des commutateurs de 2 A/36 mO en boîtier BGA de 0,76 mm de côté. La tension d'entrée est ici comprise entre 1,1 et 3,6 V et le temps de montée fixé à 3 ou à 140 µs, selon la référence. Une fonction de décharge automatique de la sortie ( voir ci-après ), par l'intermédiaire d'une résistance de 250 O, est en option. De son côté, pour un calibre en courant continu et une taille de boîtier similaires, Texas Instruments propose les TPS22914/5 avec, là 89 aussi en option, une autodécharge rapide de la sortie. UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS À cet effet, afin de restreindre encore la place occupée sur la carte, une résistance de 143 O de tirage à la masse est intégrée. La plage de tensions d'entrée est 1,05 V-5,5 V, la résistance à l'état passant de 37 mO et le temps de montée de 64 ou 913 µs à 3,3 V. Des produits peu ou prou équivalents, tout aussi discrets, sont au catalogue de Fairchild, ON S e m i c o n d u c t o r, Vi s h a y, Toshiba, Rohm… Côté consommation, les commutateurs de charge sont réputés frugaux, et ce tant au repos qu'à l'arrêt. Au niveau du système, les économies d'énergie réalisées peuvent être importantes. Dans certaines applications, l'usage de commutateurs de charge évitera la répétition de rails d'alimentation dispensant la même tension. Il sera alors fait l'impasse sur des convertisseurs DC-DC ou sur des régulateurs linéaires (LDO). Selon les architectures ( voir figure 2 ), le passage du courant de charge s'effectue au travers d'un Mosfet canal P (PMOS) ou canal N (NMOS). Dans le second cas, le transistor est couramment associé à une pompe de charge, afin que le potentiel de la grille soit situé au-dessus de celui de la source. Si cette présence se traduit par un courant de repos plus important, le commutateur est à même de travailler dans des régimes à basse tension d'entrée, là où le PMOS montre ses limites. Il est à noter que certains circuits nécessitent une tension de polarisation externe, indépendante de la tension d'entrée. En règle générale, une pompe de charge est une option intéressante dans la mesure où elle fournit une tension de polarisation constante à la grille. En fonction des évolutions de la température et de la tension d'entrée, il en résulte une courbe de variation de la résistance drainsource du Mosfet à l'état pas-sant plus plate. Cette R DS(on) ,qui conditionne la taille de la puce, génère des pertes énergétiques (R DS(on) .I²) et une baisse (R DS(on) .I) de la tension utile. Elle s'affirme clairement comme étant le paramètre critique d'un commutateur de charge. C'est aussi, pour le concepteur, l'un des premiers critères qui vont guider son choix, surtout si les tolérances du système sont étroites. Par exemple, si une chute de tension maximale de 30mV estpermise,pour une intensité de 300mA, la résistance du commutateur de charge ne devra pas excéder 100mO (0,03V/0,3A), et ce sur toute la plage de température opératoire. UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS Une autre fonction usuelle consiste àdécharger la capacité de sortie lorsque le circuit est désactivé. Parce qu'ils préfèrent ne pas laisser un rail d'alimentation dans un état flottant (donc indéterminé), beaucoup de concepteurs réclament cette facilité. Auquel cas, un chemin de décharge interne, au travers d'un transistor additionnel, apour effet de ramener rapidement àlamasse le potentiel de la sortie. Si cette procédure s'effectue de façon automatique, il est parfois possible d'ajuster la vitesse de décharge de la capacité de sortie. Cette auto-décharge n'est pas toujours souhaitable. Ce sera par exemple le cas si la sortie du commutateur est reliée àune batterie, ou lorsque les sorties de deux commutateurs sont connectées ensemble dans une configuration de multiplexeur 2: 1. Une batterie de protections Au prix d'une complexité un peu supérieure, des protections multiples sont implantées. L'une d'elles consiste à bloquer la circulation du courant en sens inverse (soit de la sortie vers l'entrée), quand la tension de sortie devient supérieure àcelle d'entrée. Le pas-sage d'un tel courant est facilité par la diode parasite du Mosfet. Il s'agit non seulement de protéger ce qui se trouve en amont du commutateur, mais aussi de limiter les pertes imputables au courant de fuite. On peut imaginer un appareil tirant son énergie, au choix, d'une alimentation DC externe ou de sa batterie interne, selon une configuration OR exploitant deux commutateurs de charge. Dans le scénario où l'alimentation externe est connectée, rien n'empêchera la circulation d'un courant en sens inverse, soit de la charge vers la batterie, si aucun dispositif RCP (reverse current protection) n'est prévu. Pour bloquer le courant inverse, différentes méthodes existent. L'une d'elles consiste à surveiller la différence de potentiel entre la sortie et l'entrée. Quand la valeur mesurée franchit un seuil, le commutateur est désactivé. UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS L'intégration d'une pompe de charge dans les SiP32458/9 de Vishay ntertechnology se traduit par une courbe de variation de la résistance l'état passant relativement plate, soit de 20 à 30mO entre 1,5 et 5 V. Beaucoup de produits disposent en sus d'un limiteur de courant, parfois programmable. En l'absence de ce type de protection, la dissipation de puissance peut constituer un problème majeur. Pour ce qui est de la protection contre les tion est interdite. surintensités et les courts-circuits, la gestion diffère d'un composant à l'autre. Dans certains cas, le commutateur sera désactivé et restera dans cet état sans intervention extérieure. Dans d'autres, une fois la disparition du problème constatée, une procédure d'auto-redémarrage après un temps prédéterminé sera initiée. Enfin, le commutateur peut aussi entrer dans un mode de fonctionnement à courant constant. La valeur de cette intensité sera fixée ou pro-grammée par l'utilisateur. Outre la protection contre les courts-circuits (SCP, short-circuit protection) et les surintensités (OCP, over-current protection), les autres schémas de protection sont classiques et les appellations usuelles ont été reprises dans notre tableau. Il s'agit de la protection contre les surtensions (OVP, over-voltage protection) et les températures excessives (OTP, over-temperature protection), du verrouillage en présence d'une surtension (OVLO, over-voltage lockout) ou d'une tension trop basse (UVLO, under-voltage lockout) à l'entrée. S'ajoute l'immunité vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD), selon les méthodes d'essais précisées 95 par la norme IEC 61000-4-2. Une condition de faute peut être signalée par l'intermédiaire d'une broche dédiée (émission d'un drapeau en cas de limitation de courant, de condition de sous-tension, de UNE SÉLECTION DE COMMUTATEURS DE CHARGE INTÉGRÉS La récente série TCK10xAF de Toshiba se décline en trois éléments de 1A dans un format de boîtier SOT-25 standard. Leur résistance à l'état passant est de 63mO à 5V. Une fonction d'auto-décharge de la sortie est en option. Encapsulé dans un boîtier BGA de 0,9 mm de côté, le SC33020H de Semtech est un commutateur de 2A dont la résistance à l'état passant est de 32mO. Il dispose d'une protection contre la circulation en sens inverse du courant. surchauffe…) et/ou d'une sortie de tension établie (power good) en drain ouvert. Cette tion est interdite. dernière informera le système que la valeur de la tension de sortie est située à au moins 90% de la valeur de la tension d'entrée. Comme on le constate, un commutateur de charge peut être d'une complexité supérieure à ce que sa fonction primaire laissait supposer. La palme en la matière revient certainement au californien Silego Technology avec ses CurrentPAK, dont la particularité est d'intégrer de la mémoire non volatile pour constituer une solution avec détecteur de courant (un miroir de courant donnant une image de l'intensité traversant le Mosfet) entièrement programmable. L'utilisateur a dès lors tout loisir de définir de nombreux paramètres en tenant compte des contraintes de son application : le temps de montée, la polarité (positive ou négative) du signal logique de commande, la vitesse de décharge de la sortie, les seuils de limitation du courant et de coupure 97 thermique.

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