Optimiser le rendement des convertisseurs CC/CC abaisseurs-élévateurs à fort courant

De nombreux dispositifs électroniques, tels que les systèmes alimentés par batterie, requièrent des convertisseurs CC/CC robustes pour maintenir une tension de sortie stable malgré les fluctuations de la tension d'entrée. Si une topologie de type abaisseur-élévateur à quatre commutateurs constitue un choix courant en raison de sa flexibilité et de sa densité de puissance, l'adaptation de ces systèmes pour les applications à fort courant introduit des défis de conception importants. Les concepteurs doivent évaluer avec soin les compromis architecturaux liés à l'intégration dans le régulateur abaisseur-élévateur. Plus précisément, l'intégration d'inductances et de mécanismes de détection du courant peut avoir un impact significatif sur la taille, la complexité et l'efficacité globales du circuit.

Cet article fournit un bref aperçu des défis et des compromis auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes d'alimentation. Il présente ensuite des solutions de la gamme de régulateurs abaisseurs-élévateurs d'Analog Devices et montre comment elles permettent de relever ces défis et d'optimiser les conceptions. L'article met également en lumière les logiciels et les kits d'évaluation que les concepteurs peuvent utiliser pour accélérer le prototypage et le développement.

Compromis d'intégration dans la conception de dispositifs abaisseurs-élévateurs à fort courant

Dans un convertisseur abaisseur-élévateur à quatre commutateurs, l'étage de puissance requiert quatre MOSFET, une inductance de puissance et un mécanisme de détection du courant. La répartition de ces composants entre le boîtier du module et le circuit imprimé constitue la principale décision architecturale pour les concepteurs.

Le placement externe de l'inductance et de la résistance de détection sur le circuit imprimé offre aux concepteurs un contrôle total sur le choix des composants. La taille de l'inductance, le matériau du noyau et le courant de saturation peuvent être adaptés avec précision à l'application. Cependant, cette flexibilité a un coût : les composants externes occupent de l'espace sur la carte, compliquent la configuration et exigent un routage précis pour minimiser le bruit dans le chemin de détection du courant.

L'intégration de l'inductance et de la résistance de détection dans le boîtier du module simplifie la conception et la configuration, en réduisant le nombre de composants et l'empreinte du circuit imprimé. La contrepartie est que l'inductance est limitée par les dimensions du boîtier, ce qui peut restreindre le courant de sortie maximum et les performances thermiques.

Il est également possible d'éliminer complètement la résistance de détection en la remplaçant par un système de détection du courant sans perte. Cela améliore le rendement énergétique, mais entraîne une conception de circuit intégré plus complexe pour le module abaisseur-élévateur.

Comment trois gammes de modules relèvent les défis d'intégration des dispositifs abaisseurs-élévateurs

Avec sa vaste ligne de produits µModule, Analog Devices offre une variété de modules CC/CC permettant aux concepteurs de choisir entre ces stratégies d'intégration. Cet article cible les modules abaisseurs-élévateurs à quatre commutateurs (Figure 1) : dispositifs LTM4607, LTM4605 et LTM4609 ; LTM8055, LTM8056 et LTM8054 ; et LTM4712. Chacun de ces module est destiné à une région différente de l'espace de tension d'entrée et de courant de sortie.

Figure 1 : Graphique illustrant des µModules abaisseurs-élévateurs à quatre commutateurs adoptant différentes approches architecturales pour cibler diverses tensions d'entrée et divers courants de sortie. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par Kenton Williston)

Convertisseurs CC/CC avec inductance et résistance de détection externes

Les dispositifs LTM4607, LTM4605 et LTM4609 intègrent le contrôleur et les MOSFET dans le boîtier µModule, avec l'inductance de puissance et la résistance de détection de courant placées en externe sur le circuit imprimé (Figure 2). Cette architecture offre aux concepteurs une grande flexibilité dans le choix des valeurs d'inductance et de résistance de détection afin de répondre aux exigences spécifiques de l'application.

Figure 2 : Boîtier pour les dispositifs LTM4607, LTM4605 et LTM4609 (à gauche), et schéma de l'étage de puissance correspondant (à droite) mettant en évidence l'inductance et la résistance de détection externes. (Source de l'image : Analog Devices)

Les dispositifs LTM4607, LTM4605 et LTM4609 sont fournis dans des boîtiers LGA à brochage compatible de 15 mm × 15 mm × 2,82 mm. Le LTM4605 est conçu pour les applications à basse tension, avec une plage de tensions d'entrée de 4,5 V à 20 V et un courant de sortie de 12 A (mode abaisseur). Les dispositifs LTM4607 et LTM4609 étendent la plage d'entrée à 36 V à 10 A (mode abaisseur), le LTM4609 offrant la plage de tensions de sortie la plus étendue des trois, de 0,8 V à 34 V.

Convertisseurs CC/CC avec inductance et résistance de détection intégrées

Les dispositifs LTM8055, LTM8056 et LTM8054 (Figure 3) intègrent l'inductance de puissance et la résistance de détection du courant dans le boîtier µModule, ce qui simplifie la conception et la configuration en réduisant le nombre de composants externes sur le circuit imprimé.

Figure 3 : Module (à gauche) pour les dispositifs LTM8055, LTM8054 et LTM8056, et schéma (à droite) mettant en évidence l'inductance et la résistance de détection intégrées. (Source de l'image : Analog Devices)

Parmi les trois gammes de produits distinctes présentées ici, cette gamme présente le courant de sortie le plus faible : 5,4 A pour le LTM8054, 5,5 A pour le LTM8056 et 8,5 A pour le LTM8055 (en mode abaisseur). Le LTM8056 présente une plage d'entrée de 5 V à 60 V, la plage la plus étendue des dispositifs présentés ici, et la tension de sortie la plus élevée de 48 V. Le LTM8054 est le dispositif le plus compact, avec une empreinte de 15 mm × 11,25 mm et une hauteur de 3,42 mm pour les conceptions à espace limité. Les dispositifs LTM8055 et LTM8056 sont disponibles en boîtier de 15 mm × 15 mm × 4,92 mm.

Convertisseurs CC/CC avec inductance intégrée et détection de courant sans perte

Le LTM4712 (Figure 4) présente une approche de détection de courant différente. Au lieu d'une résistance de détection discrète, il utilise un système de détection de courant sans perte propriétaire intégré au module, éliminant la perte de puissance associée à une résistance de détection dédiée.

Figure 4 : Module LTM4712 (à gauche) et son schéma de principe (à droite), mettant en évidence l'inductance intégrée et la détection de courant sans perte. (Source de l'image : Analog Devices)

L'inductance de puissance est intégrée à l'aide de la technologie CoP (Component-on-Package) dans un boîtier BGA de 16 mm × 16 mm × 8,34 mm. Le LTM4712 accepte une entrée de 5 V à 36 V et fournit une sortie de 1 V à 36 V à 12 A en mode abaisseur.

Comparaison des spécifications et du rendement des convertisseurs CC/CC

Le Tableau 1 résume les spécifications clés des sept dispositifs µModule présentés ici.

Tableau 1 : Spécifications clés des dispositifs µModule présentés dans cet article. (Source de l'image : Analog Devices)

Une comparaison du rendement des dispositifs LTM8055, LTM4607 et LTM4712 (Figure 5) illustre l'impact pratique de leurs différences architecturales. La comparaison porte sur trois conditions de fonctionnement : entrée 6 V (mode élévateur), entrée 12 V (mode abaisseur-élévateur) et entrée 24 V (mode abaisseur), avec une sortie de 12 V.

Figure 5 : Une comparaison du rendement pour trois tensions d'entrée illustre les performances des dispositifs LTM8055, LTM4607 et LTM4712 en modes élévateur, abaisseur-élévateur et abaisseur. (Source de l'image : Analog Devices)

Fonctionnement en parallèle, régulation à courant constant et entrées redondantes

Les sections précédentes ont couvert le fonctionnement de base des trois gammes de convertisseurs abaisseurs-élévateurs µModule. Ces dispositifs peuvent également être configurés pour des applications plus avancées, telles que le fonctionnement en parallèle pour un courant plus élevé, la régulation à courant constant et l'alimentation d'entrée redondante. Le LTM4712 illustre ces trois capacités.

Les concepteurs envisageant des conceptions parallèles peuvent tirer parti du contrôle en mode courant de crête du LTM4712. Ce contrôle rapide, cycle par cycle, fournit une protection fiable et facilite un excellent partage du courant lorsque des configurations parallèles sont utilisées pour des applications à plus fort courant.

Dans une configuration à quatre modules en parallèle, un déphasage de 90° peut être appliqué, offrant un entrelacement optimal. De plus, la sortie d'horloge d'un module peut être reliée à l'entrée SYNC d'un deuxième module pour permettre la synchronisation de fréquence.

Le kit d'évaluation EVAL-LTM4712-A2Z (Figure 6) démontre cette capacité avec quatre modules LTM4712. Cette carte constitue une plateforme utile pour expérimenter le partage de courant, valider les performances thermiques et commander des circuits prototypes.

La carte fait fonctionner les quatre modules LTM4712 dans une configuration parallèle entrelacée, générant 12 V à 48 A à partir d'une entrée de 5 V à 36 V, avec les 48 A disponibles en modes abaisseur et abaisseur-élévateur, et 24 A en mode élévateur. Elle inclut également une fonction de courant constant optionnelle qui fournit un courant régulé précis à une charge variable.

Figure 6 : La carte d'évaluation EVAL-LTM4712-A2Z comporte quatre modules LTM4712 configurés en parallèle pour une sortie de 48 A en modes abaisseur et abaisseur-élévateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Le mode de courant constant est également disponible sur les modules LTM4712 individuels. Dans cette configuration, une tension proportionnelle au courant de charge se développe dans une résistance de détection externe. Lorsque cette tension atteint un seuil défini par une broche de commande, le module réduit automatiquement sa tension de sortie pour maintenir le courant au niveau cible. Cette fonctionnalité est utile pour des applications telles que la commande de LED ou la charge de batteries, où le maintien d'un courant précis est plus important que le maintien d'une tension fixe.

Le LTM4712 prend également en charge les configurations d'entrées redondantes, dans lesquelles deux modules alimentés par des sources indépendantes partagent une sortie commune. Cela est utile pour les systèmes exigeant des alimentations de secours ou pour les systèmes qui utilisent des sources d'entrée distinctes pour supporter une charge commune. Dans ce scénario, deux modules sont connectés en parallèle, leurs broches de compensation étant reliées entre elles. Si l'une des entrées connaît une défaillance, le module restant maintient la régulation de la sortie.

Cartes d'évaluation et outils de conception pour la conversion CC/CC

Pour aider les concepteurs à démarrer, Analog Devices propose des kits d'évaluation pour ses µModules. Par exemple, le DC3189A (Figure 7) est une plateforme à un seul module permettant d'évaluer le LTM4712 sur toute sa plage d'entrée de 5 V à 36 V et toute sa plage de sortie de 1 V à 36 V.

Figure 7 : La carte d'évaluation DC3189A offre une plateforme à un module pour l'évaluation du LTM4712. (Source de l'image : Analog Devices)

Des outils logiciels sont également disponibles pour accélérer le processus de conception. L'outil de conception LTpowerCAD facilite la sélection des composants, l'estimation du rendement, la compensation de boucle et l'analyse des transitoires de charge. Les conceptions peuvent être exportées vers LTspice pour la simulation dans le domaine temporel et l'analyse dynamique.

Conclusion

Les régulateurs abaisseurs-élévateurs modernes offrent aux développeurs de nombreuses options pour adapter la conversion CC/CC dans de nombreuses applications à fort courant. Les convertisseurs µModule à quatre commutateurs d'Analog Devices présentent des plages d'entrée et de sortie étendues ainsi que des options d'intégration flexibles. Soutenus par des logiciels et des cartes d'évaluation, ces modules permettent aux concepteurs de rapidement sélectionner et mettre en œuvre l'architecture qui répond le mieux à leurs besoins de conception.