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Les circuits intégrés numériques avec des exigences de fort courant, tels que les FPGA et les ASIC, sont de plus en plus au cœur des systèmes embarqués pour les applications automobiles, médicales, industrielles, télécoms, de jeux et audio/vidéo grand public. En plus des exigences de courant, ces dispositifs à basse tension ont des spécifications de tolérance strictes pour leurs rails d'alimentation.
Les sous-systèmes d'alimentation et les contrôleurs de régulateurs à découpage conventionnels présentent des problèmes de bruit potentiels, à la fois sur leurs rails de sortie et sous forme d'interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées et de perturbations radioélectriques (RFI), de réponse transitoire inadéquate et de limitations de configuration. Pour minimiser le bruit, certaines applications utilisent des régulateurs à faible chute de tension (LDO) compacts et silencieux qui offrent un rendement amélioré par rapport aux LDO antérieurs.
L'alternative efficace au LDO est le régulateur à découpage, mais ces dispositifs ont un bruit intrinsèquement plus élevé en raison de leur fonction d'horloge et de découpage. Heureusement, il existe de nouvelles possibilités de concilier bruit et rendement. Cet article se penche sur les innovations récentes dans le domaine de la conversion de puissance, qui présentent un haut rendement, des exigences d'espace minimales et un bruit de régulateur à découpage considérablement réduit.
Figure 1 : Compromis entre le bruit et le rendement des régulateurs à découpage par rapport aux LDO.
Lorsque les transistors et les circuits intégrés ont été inventés et perfectionnés dans la seconde moitié du 20e siècle, l'un de leurs nombreux avantages était que leur consommation de courant par fonction était très faible par rapport aux tubes à vide qu'ils remplaçaient - facilement d'un facteur 100 ou plus. Parmi les circuits intégrés qui requièrent ces forts courants et qui doivent donc dissiper les grandes quantités de puissance associées sous forme de chaleur, figurent les réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA) et les circuits intégrés à application spécifique (ASIC). Le courant requis par le FPGA ou l'ASIC peut provenir d'un convertisseur CA/CC pour les dispositifs à alimentation secteur ou d'un convertisseur CC/CC pour les dispositifs alimentés par batterie.
Tout d'abord, il y a la chute IR inévitable entre le régulateur et les charges en raison de la distance et des niveaux de courant élevés (chute ΔV = courant de charge I × résistance de piste (R)). Une technique pour surmonter la chute IR consiste à utiliser la détection à distance de la tension au niveau de la charge, mais cela ne fonctionne bien que pour une charge en un seul point et non dispersée. Enfin, et c'est souvent le problème le plus difficile à gérer, les rails d'alimentation plus longs sont également sujets à une plus grande captation du bruit EMI/RFI ou rayonnent le bruit sur leur longueur, de sorte qu'ils agissent comme des antennes. La solution requiert généralement des condensateurs de dérivation supplémentaires, des perles de ferrite en ligne et d'autres mesures.
Il est important de noter que le dilemme entre bruit et rendement pour les régulateurs CC/CC est un scénario différent des compromis habituels de la conception technique. La plupart des scénarios de compromis permettent au concepteur d'accepter délibérément une valeur moindre d'un paramètre souhaitée en contrepartie d'une valeur supérieure d'un autre paramètre, en se déplaçant le long d'un continuum de compromis (Figure 1, partie supérieure). Cependant, avec les régulateurs à découpage et les LDO, leurs attributs de bruit et de rendement sont largement intégrés dans leur structure. Un concepteur ne peut pas dire, par exemple, qu'il acceptera un LDO avec 20 % de bruit en plus en échange d'une amélioration de 10 % du rendement - ce type de compromis n'existe pas.
Une solution alternative, généralement meilleure, consiste à utiliser des régulateurs CC/CC individuels situés aussi près que possible de leurs circuits intégrés de charge. Cela minimise la chute IR, l'empreinte carte et le captage et le rayonnement du bruit de rail. C'est là que les nombreux régulateurs Silent Switcher permettent de résoudre les problèmes. Ces régulateurs changent la vision conventionnelle entre les LDO et les régulateurs à découpage avec les dispositifs Silent Switcher 1 (première génération) et Silent Switcher 2 (deuxième génération).
Notez que les régulateurs Silent Switcher n'utilisent pas la technique bien connue et légitime du spectre étalé consistant à ajouter un bruit pseudo-aléatoire au signal d'horloge. Cela élargit le spectre du bruit tout en réduisant son amplitude à la fréquence d'horloge et ses harmoniques.
Les avantages des dispositifs Silent Switcher 1 incluent de faibles EMI, un haut rendement et une fréquence de commutation élevée qui éloigne une grande partie du bruit restant des parties du spectre où il interférerait avec le fonctionnement du système ou poserait des problèmes de réglementation. En raison de leur facteur de forme miniature (seulement quelques millimètres (mm) carrés) et de leur rendement, ces dispositifs à découpage peuvent être situés très près de l'ASIC ou du FPGA de charge, maximisant ainsi les performances et éliminant les incertitudes entre les performances indiquées sur la fiche technique et la réalité de l'application.
Figure 2 : La topologie classique d'un régulateur à découpage comporte une boucle de courant virtuelle appelée boucle active.
Comment ces avantages Silent Switcher ont-ils été réalisés ? La principale cause de bruit dans une alimentation à découpage est le courant commuté, et non le courant en régime permanent. Dans la topologie d'un régulateur à découpage conventionnel, il existe un chemin de flux de courant appelé boucle active. Cette boucle active n'est pas une boucle de courant indépendante, mais seulement une boucle de courant virtuelle constituée des composants de deux boucles de courant réelles (Figure 2).
La technologie Silent Switcher 2 d'Analog Devices rend les boucles actives critiques aussi petites que possible en intégrant des condensateurs d'entrée dans le boîtier du circuit intégré. L'architecture de deuxième génération prend en charge les fronts de commutation rapides pour un haut rendement à des fréquences de commutation élevées tout en atteignant simultanément de bonnes performances EMI.
Le positionnement AVP (Active Voltage Positioning), une technique où la tension de sortie dépend du courant de charge, est utilisé. À faible charge, la tension de sortie est régulée au-dessus de la valeur nominale, tandis qu'à pleine charge, la tension de sortie est régulée en dessous de la valeur nominale.
Les régulateurs Silent Switcher sont disponibles dans de nombreuses gammes et modèles, avec différentes tensions/intensités nominales au sein de chaque famille. Certaines considérations supplémentaires varient d'un modèle à l'autre, telles que la sortie fixe par rapport à la sortie ajustable.
Le LTC3310 est un très petit convertisseur CC/CC abaisseur monolithique à faible bruit, capable de fournir jusqu'à 10 A de courant de sortie à partir d'une alimentation d'entrée de 2,25 V à 5,5 V. La plage VOUT est de 0,5 V à VIN. Les fréquences de commutation s'étendent de 500 kilohertz (kHz) à 5 mégahertz (MHz).
Figure 3 : Le régulateur CC/CC abaisseur LTC3310 nécessite des composants actifs externes et offre un haut rendement sur la majeure partie de sa plage de charge.
Ce dispositif est disponible en quatre versions de base. Les dispositifs présentent à la fois de faibles EMI et un haut rendement à des fréquences de commutation jusqu'à 5 MHz, et certaines versions de la gamme LTC3310 sont qualifiées automobiles AEC-Q100.
Tableau 1 : Le LTC3310 est proposé en quatre versions de base, représentant des conceptions de première et de deuxième générations, avec des sorties fixes et ajustables.
Figure 5 : Pour déterminer la tension de sortie des dispositifs LTC3310 ajustables, il suffit d'un simple réseau de diviseurs de résistance, basé sur une équation simple.
Les niveaux de bruit se situent généralement dans les dizaines de microvolts. Deux mesures clés des performances de faible bruit des dispositifs LTC3310 sont les tests de bruit effectués conformément aux limites de crête CISPR 25 Classe 5 pertinentes.
Figure 6 : Un régulateur correctement configuré, basé sur le LTC3310S, respecte les limites (crête de classe 5) strictes d'émissions EMI conduites CISPR 25.
Figure 7 : Pour les tests d'émissions rayonnées, le LTC3310S répond aux exigences EMI du plan horizontal (gauche) et du plan vertical (droite) conformément à CISPR 25.
Une autre caractéristique notable de la gamme LTC3310 est la facilité avec laquelle les dispositifs peuvent être utilisés en parallèle pour un fonctionnement multiphase à courant plus élevé, une caractéristique que de nombreux autres régulateurs à découpage ne prennent pas en charge ou ne prennent en charge qu'avec difficulté. La mise en parallèle la plus simple est pour un fonctionnement à deux phases produisant un courant jusqu'à 20 A (Figure 8).
Figure 8 : Avec quelques composants supplémentaires, deux dispositifs LTC3310 ou plus peuvent être combinés pour un fonctionnement multiphase à courant plus élevé. La configuration à deux phases/20 A est illustrée.
Les régulateurs tels que les dispositifs LTC3310 sont directs dans leur application car ils n'ont pas de registres d'initialisation, de fonctions contrôlées par logiciel ou d'autres complexités de configuration. Néanmoins, il est techniquement utile d'évaluer leurs performances statiques et dynamiques et d'optimiser les valeurs des composants passifs avant de s'engager sur une disposition ou une nomenclature finale. La disponibilité des cartes d'évaluation LTC3310 facilite grandement ce processus.
Figure 9 : La carte d'évaluation DC3042A est conçue pour le LTC3310 avec une tension de sortie définissable par l'utilisateur.
En plus d'informer les utilisateurs sur la configuration et le fonctionnement de base, la documentation inclut un schéma de principe, la disposition de la carte et une nomenclature. Elle indique également les différents points de test et connexions, ainsi que l'arrangement de sonde pour mesurer l'ondulation de sortie et la réponse à un échelon (Figure 10).
Figure 10 : Le manuel de démonstration utilisateur du DC3042A indique clairement les points de test et les connexions (en haut), ainsi que la configuration de la sonde pour mesurer l'ondulation de sortie et la réponse à un échelon.
Figure 11 : Pour le LTC3310S-1 avec une tension de sortie qui n'est pas ajustable par l'utilisateur, la carte d'évaluation DC3021A est le choix approprié.
Enfin, pour la configuration en parallèle multiphase un peu plus complexe, il y a la carte DC2874A-C (Figure 12). Sur cette carte d'évaluation, le LTC3310S fonctionne comme un régulateur abaisseur 3,3 V à 1,2 V, 2,0 MHz multiphase.
Figure 12 : La carte d'évaluation DC2874A-C pour le LTC3310S offre trois options de construction : sorties à deux phases/20 A, trois phases/30 A ou quatre phases/40 A.
Jusqu'à présent, les ingénieurs devaient choisir entre deux topologies de régulateurs CC/CC opposées, dont les caractéristiques différaient nettement. Les LDO offrent une sortie CC à très faible bruit mais avec un rendement faible à modéré, constituant un défi thermique au-delà des sorties d'environ 1 A.
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