Couverture ElectroniqueS n°127

Le nombre croissant de systèmes électroniques complexes dans l'automobile a suscité une forte demande en circuits de gestion d'alimentation conjuguant un courant de charge de forte intensité, un excellent rendement et une fréquence de découpage élevée. Et ce tout en maintenant les interférences électromagnétiques à de faibles niveaux. A lors que les automobiles continuent à être équipées d'un nombre croissant de systèmes électroniques destinés à améliorer la sécurité, le confort, l'efficacité et les performances, tout en minimisant les émissions polluantes, il n'est guère surprenant qu'elles nécessitent des solutions d'alimentation moins encombrantes, assorties de niveaux de puissance considérablement plus élevés. En outre, avec la prolifération des systèmes sensibles aux interférences électromagnétiques embarqués dans un véhicule, la réduction des IEM émanant des alimentations à découpage est de première importance. Pour les concepteurs de régulateurs à découpage, il en résulte des défis supplémentaires. Selon une étude réalisée par Strategy Analytics, la demande en produits à semiconducteurs adaptés devrait progresser selon un taux de croissance annuel composé de 5% par an au cours des sept prochaines années. Sur un marché estimé à 41 milliards de dollars d'ici 2021, l'analyse de Strategy Analytics indique que la demande en microcontrôleurs et en semi-conducteurs de puissance comptera pour plus de 40% des revenus générés. Si l'étude fournit une description très quantitative des prévisions de croissance des composants électroniques dans l'automobile, l'aspect le plus intéressant réside dans le rôle prépondérant des circuits intégrés d'alimentation dans cette progression. Les nouveaux designs réalisés à partir de ces circuits sont tenus de présenter les caractéristiques suivantes: - des performances robustes pour une gamme étendue de tensions, avec notamment la capacité à traiter des transitoires dépassant 36V. - des niveaux d'interférences électromagnétiques (IEM) extrêmement faibles. - le meilleur rendement possible pour minimiser les problèmes thermiques et optimiser la durée de vie de la batterie. - la plus faible empreinte possible. Ce qui impose des densités de puissance très élevées et des fréquences de découpage de 2MHz ou au-delà, pour maintenir le bruit de commutation hors de la bande radio AM. - un courant de repos très bas (moins de 10 µA) afin de permettre aux systèmes de sécurité, de contrôle environnemental et d'info-divertissement de rester en fonctionnement, sans épuiser la batterie du véhicule lorsque le moteur (et donc l'alternateur) est coupé. L'objectif visé avec l'accroissement du niveau de performance des circuits intégrés d'alimentation est de faciliter la conception de systèmes électroniques de plus en plus complexes et nombreux. Les applications contribuant à cette dynamique concernent tous les aspects d'un véhicule automobile. Citons, par exemple, les nouveaux systèmes de sécurité, notamment pour la surveillance des voies de circulation, le contrôle de sécurité adaptatif, les manœuvres de virage automatique et la régulation de l'éclairage des phares. Les systèmes d'info-divertissement (télé-matique), qui évoluent constamment et rassemblent toujours plus de fonctionnalités dans un espace déjà réduit, doivent gérer un nombre croissant d'applications dans le cloud. Les systèmes évolués de gestion du moteur, avec la mise en œuvre de dispositifs de démarrage/arrêt, de transmissions de charge électroniques et de contrôle du moteur, mais aussi de gestion de la transmission et de la caisse, ont pour finalité d'améliorer à la fois les performances, la sécurité et le confort. Il ya dix ans, ces systèmes n'existaient que sur les voitures haut de gamme. Ils sont aujourd'hui devenus courants dans les modèles de tous les constructeurs automobiles, contribuant ainsi à accélérer encore le développement des circuits d'alimentation pour ce secteur. La figure 1 met en évidence les innombrables systèmes élec-troniques que l'on trouve aujourd'hui dans une automobile. Figure 1.-Prolifération des systèmes électroniques dans l'automobile 1 Alimentation Led Tableau de bord Feux arrière et phares avant Éclairage intérieur d'ambiance Feux de jour/Antibrouillards Rétroéclairage LCD intérieur 2 Électronique de la carrosserie Contrôle du système CVC Alimentation portes, fenêtres et sièges Système de sécurité Surveillance de la pression des pneus 3 Navigation et divertissement Télématique Systèmes audio et vidéo Communications 4 Système de gestion de batterie Gestionnaire de batterie d'accumulateurs Équilibrage actif de batterie 5 Système d'échappement Réglage actif de la résonance d'échappement Antibruit actif 6 Freinage électronique Alimentation du processeur ABS Alimentation d'étrier de frein 7 Alimentation 12V à 48V Conversion d'alimentation Protection contre les défauts 8 Direction électronique Alimentation du système de contrôle de la stabilité Alimentation du moteur de la direction 9 Gestion du moteur Alimentation du processeur de contrôle du moteur Soupapes électroniques Injection du carburant Systèmes d'arrêt-démarrage automatique 10 Systèmes de sécurité Évitement de collision Alerte de franchissement involontaire de ligne Aide au stationnement automatique Radar, régulateur de vitesse actif Les automobiles continuent à être équipées d'un nombre croissant de systèmes électroniques destinés à améliorer la sécurité, le confort, les performances… tout en minimisant les émissions polluantes. La question des transitoires et des IEM Bien que la tension nominale d'un bus de batterie soit de 12V dans une automobile, elle varie de 9 V à 16 V selon l'instant où l'alternateur assure la charge. De plus, la tension produite par une batterie plomb-acide est soumise à des variations importantes pendant des périodes temporaires. En effet, dans un scénario de démarrage à froid ( cold-crank ) ou de démarrage-arrêt ( stop-start ), la tension de la batterie peut chuter jusqu'à 3,5 V. Inversement, une situation de rupture de charge ( load dump ) peut porter le bus de batterie à un potentiel de 36V. Les circuits intégrés d'alimentation sont dès lors tenus de réguler avec précision une sortie en dépit des variations importantes de la tension d'entrée. La figure 2 illustre cette large amplitude de variation temporaire de la tension au cours de séquences de démarrage à froid, d'arrêt-démarrage et de rupture de charge. Il est à noter que le circuit intégré d'alimentation concerné, à savoir le LT8640, régule avec précision la sortie à une tension de 3,3V dans toutes les situations. L'environnement électrique automobile est, de façon inhérente, bruyant, alors que de nombreuses applications sont sensibles aux IEM. Par suite, il est vital que les régulateurs à découpage n'amplifient pas les problèmes en rapport avec les interférences électromagnétiques. Un régulateur à découpage est généralement le premier composant actif sur une ligne de bus d'alimentation d'entrée. Quels que soient les convertisseurs situés en amont, son impact est significatif sur les performances globales en matière d'IEM. Minimiser ces interférences est alors un impératif. Historiquement, le remède a consisté à utiliser un boîtier doté d'un blindage contre les IEM. Cependant, un tel choix contribue de manière significative au coût et à l'encombrement de la solution, tout en compliquant la gestion thermique, le test et la fabrication. Une autre solution repose sur le ralentissement des fronts de commutation du Mosfet interne. Cette démarche a pour effet indésirable de réduire le rendement et de diminuer le temps de conduction minimal, compromettant ainsi la capacité du circuit intégré à délivrer des signaux à faible rapport cyclique à des fréquences de commutation de 2MHz ou plus. L'objectif étant d'obtenir un rendement élevé et un encombrement limité, cette approche n'est pas viable. Sans étalement de spectre, le niveau des émissions IEM se situe entre 10dB et 30dB sous les valeurs limites stipulées par la norme CISPR 25, classe 5. Une technique d'étalement de spectre permet de faire encore mieux. La fréquence de découpage est de 2MHz et le courant de charge de 4A. La fréquence de découpage est ici de 1 MHz, avec une inductance de 3,3 µH. Le rendement obtenu est de 96 %. Le redressement synchrone interne élimine le recours à des diodes, ce qui se traduit par un rendement accru et une solution moins encombrante. Un haut rendement de rigueur Fort heureusement, certains modèles de circuits intégrés spécifiques ont été optimisés pour avoir simultanément une fréquence de commutation rapide, un fort rendement et de faibles temps de conduction minimaux. Ces modèles offrent généralement des niveaux d'émission IEM réduits de plus de 20 dB, à des fréquences de commutation aux alentours de 2MHz et avec un rendement de 95 %. Certains d'entre eux bénéficient d'une option d'étalement de spectre qui a pour effet de réduire les émissions IEM de 10 dB supplémentaires. Ces résultats sont obtenus sans composants ou blindage additionnels, ce qui constitue une avancée significative en matière de conception de régulateurs à découpage. Pour les circuits de gestion de l'alimentation, un fonctionnement avec un rendement énergétique élevé est important dans l'environnement automobile, pour deux raisons principales. En premier lieu, plus la conversion de l'énergie est efficiente, elle génère de chaleur. La chaleur étant l'ennemi de la fiabilité à long terme de tout système électronique, la bonne gestion de ce paramètre implique généralement la présence de dissipateurs thermiques. Ce qui a pour effet de complexifier la solution globale, qui sera aussi plus coûteuse et plus encombrante. En second lieu, l'énergie électrique gaspillée dans les véhicules hybrides ou électriques réduit de manière directe leur autonomie de conduite. Jusqu'à une période récente, les circuits intégrés monolithiques haute tension pour la gestion d'alimentation et les dispositifs de redressement synchrone à haut rendement s'excluaient mutuellement. En effet, les procédés mis en œuvre pour réaliser les circuits intégrés n'étaient pas à même de remplir les deux objectifs de haute tension et de fort rendement. De telle sorte que les solutions les plus efficaces faisaient appel à des contrôleurs haute tension fonctionnant avec des Mosfet externes pour effectuer le redressement synchrone. Vis-à-vis des approches monolithiques, ces configurations sont relativement complexes et volumineuses pour des applications d'une puissance inférieure à 25 W. Fort heureusement, il existe aujourd'hui sur le marché de nouveaux circuits intégrés de gestion d'alimentation offrant à la fois une haute tension et un rendement élevé grâce à un dispositif interne de redressement synchrone. Il existe plusieurs voies pour miniaturiser une solution de conversion d'énergie. En général, le composant le plus encombrant n'est pas le circuit intégré lui-même, mais les inductances et les condensateurs externes. En augmentant la fréquence de commutation du circuit intégré de 400kHz à 2MHz, il est possible de réduire considérablement les dimensions de ces éléments (au niveau de l'empreinte le gain est approximativement d'un facteur quatre). Mais, pour le faire efficacement, le circuit intégré d'alimentation doit garantir un haut rendement à des fréquences plus élevées, ce qui, jusqu'ici, n'était pas envisageable. Toutefois, la venue de nouveaux procédés et l'usage de techniques de conception inédites ont suscité le développement de circuits intégrés d'alimentation synchrones, afin d'obtenir un rendement excédant 95% avec une fréquence de commutation de 2MHz. Ce fonctionnement à haut rendement minimise les pertes d'énergie et élimine la nécessité de dissipateurs thermiques. Il a aussi pour avantage de maintenir le bruit de commutation hors de la bande de fréquence AM. De nombreux sous-systèmes électroniques doivent fonctionner dans les modes «veille» ou «d'activité maintenue», en tirant un courant de repos minimal sur la tension régulée. Ces circuits se trouvent dans la plupart des systèmes électroniques de gestion de la navigation, de la sécurité et du moteur. Chacun de ces sous-systèmes peut exploiter plusieurs microprocesseurs et microcontrôleurs. La plupart des voitures haut de gamme font parfois appel à plus de 150 processeurs DSP, dont près de 20% demeurent en activité permanente. Dans ces systèmes, les circuits intégrés de conversion d'énergie travaillent dans deux modes différents. Dans le premier, lorsque le véhicule est en marche, les circuits qui alimentent ces DSP fonctionnent généralement à la pleine intensité du courant fourni par la batterie ou le système de charge. Dans le second, lorsque le moteur du véhicule est coupé, les microprocesseurs de ces systèmes doivent rester actifs. Pour les circuits qui les alimentent, cela impose la délivrance d'une tension constante avec un courant de batterie absorbé minimal. Comme plus de 30 de ces processeurs à fonctionnement continu sont parfois simultanément actifs, il en résulte une demande de puissance significative pour la batterie, même lorsque le moteur est coupé. Globalement, des centaines de milliampères de courant peuvent s'avérer nécessaires pour alimenter ces processeurs, ce qui aura souvent pour résultat de mettre à plat une batterie en quelques jours. Éviter les interférences dans la bande AM En conséquence, il est nécessaire de réduire considérablement les courants de repos de ces circuits intégrés d'alimentation pour préserver la durée de vie de la batterie, mais sans accroître les dimensions ou la complexité des systèmes électroniques. Une tension d'entrée élevée et de faibles courants de repos ont souvent constitué des exigences incompatibles pour un convertisseur DC-DC. Il y a une décennie, plusieurs constructeurs automobiles ont fixé un objectif de courant de repos inférieur à 100µA pour tout convertisseur DC-DC à fonctionnement permanent. La barre est aujourd'hui plutôt placée à une valeur inférieure à 10 µA. Pour y parvenir, une nouvelle génération de circuits intégrés, caractérisés par des courants de repos inférieurs à 2,5 µA en mode veille, a vu le jour. Jusqu'à présent, il n'existait pas non plus de méthode garantissant la suppression des IEM, tout en remplissant les objectifs de rendement, tous paramètres qui dictent le choix d'un circuit intégré d'alimentation. Le régulateur LT8640 «Silent Switcher» satisfait à ces deux demandes. Le LT8640 est le deuxième composant d'une gamme de régulateurs buck (hacheur série) «Silent Switcher» synchrones à tension élevée. Il est ici question d'un régulateur à décou-page abaisseur synchrone, acceptant une tension de 42V en entrée, apte à délivrer un courant continu de 5 A (7 A en valeur crête). Comme l'indique la figure 3, les émissions IEM se situent entre 10 dB et 30dB sous les valeurs limites stipulées par la norme CISPR 25, classe 5, sans étalement de spectre. Les conditions sont les suivantes : fréquence de découpage de 2MHz, courant de charge de 4 A, pas de blindage IEM. Une technique d'étalement de spectre a pour effet de faire chuter ces niveaux de 5dB à 10dB supplémentaires, dans la bande de fréquence la plus critique pour l'automobile. Cette combinaison réduit les niveaux des IEM de plus de 25dB par rapport aux régulateurs à décou-page à l'état de l'art. Un schéma d'application typique du LT8640 est représenté figure 4. Le redressement synchrone élimine le recours à des diodes externes, ce qui se traduit par un rendement accru et une solution moins encombrante. La fréquence de découpage est ici de 1MHz, avec une inductance de 3,3µH. Le rendement obtenu est de 96%. Cependant, comme l'indique la figure 5, un fonctionnement à 2MHz évite tout problème d'interférences avec la bande radio AM. Une inductance de 2,2 µH est alors suffisante pour obtenir un rendement de 95 %, encore excellent. Le régulateur LT8640 s'appuie sur une conception particulière qui, en minimisant les pertes de commutation, garantit ce rendement élevé à des fréquences de découpage de 2MHz et plus. La gamme de tensions d'entrée du LT8640, comprise entre 3,4V et 42 V, en fait un choix idéal pour les applications automobiles et industrielles. Les commutateurs internes du LT8640 génèrent en sortie un courant continu atteignant 5 A, avec des pics d'intensité de charge de 7 A, pour une tension de 0,97 V seulement. Dans un fonctionnement en mode rafale (Burst Mode), le LT8640 affiche un courant de repos de 2,5µA. Dans un véhicule automobile, les systèmes toujours connectés ne pré-senteront pas l'inconvénient de soutirer trop d'énergie à la batterie. Dans toutes les conditions de fonctionnement, la tension de déchet du LT8640 est de seulement 100 mV à 1 A. Ce qui lui permet de répondre à tous les scénarios, notamment le démarrage à froid du véhicule. De plus, le temps de conduction minimal limité à 40ns autorise une fréquence de commutation constante de 2MHz d'une entrée 16V vers une sortie 1,5V. Les concepteurs ont alors la possibilité d'optimiser le rendement tout en évitant les bandes de fréquences critiques, sensibles au bruit. Le boîtier QFN à 20 broches (3 x 4 mm) du LT8640, et une fréquence de commutation suffisamment élevée pour faire appel à des condensateurs et à des inductances externes de faibles dimensions, se traduisent par une solution de grande compacité, thermiquement efficiente. n

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