Utiliser une plateforme modulaire avec des composants robustes pour simplifier et uniformiser l'évaluation de régulateurs CC/CC

Les régulateurs à découpage CC/CC sont essentiels pour l'alimentation électrique d'une multitude d'applications, mais le choix de la topologie optimale et des composants associés pour une conception donnée reste un véritable défi. Les concepteurs sont généralement confrontés à un processus fastidieux qui implique d'utiliser des cartes d'évaluation distinctes et des configurations de test non uniformisées pour répondre aux exigences d'espace carte, de rendement, de performances thermiques et d'interférences électromagnétiques (EMI).

Les concepteurs ont donc besoin d'une approche d'évaluation structurée qui accélère la sélection des étages de puissance en permettant la comparaison directe de plusieurs topologies de convertisseurs dans des conditions de test cohérentes et reproductibles. De même, cette approche doit reposer sur des composants passifs et d'interconnexion robustes, présentant un comportement stable d'un sous-module à l'autre, afin que les différences de mesures reflètent le choix du régulateur et de l'inductance plutôt que l'infrastructure de test.

Cet article aborde les défis liés à la conception et à l'évaluation des régulateurs. Il présente ensuite des composants de Würth Elektronik et montre comment ils permettent l'évaluation fiable des convertisseurs CC/CC en fournissant une base stable pour une plateforme modulaire conçue par Microchip Technology.

Pourquoi la comparaison directe des régulateurs à l'aide de méthodes conventionnelles est difficile

Lorsqu'ils évaluent un régulateur à découpage CC/CC pour une nouvelle conception, les ingénieurs doivent prendre de nombreuses décisions concernant la topologie et les caractéristiques de fonctionnement du régulateur. En pratique, c'est généralement l'application qui détermine le choix de la topologie pour un étage de circuit d'attaque LED à courant constant, élévateur ou abaisseur. Pour chaque type de régulateur, l'environnement de fonctionnement cible impose une combinaison d'exigences générales pour la plage de tensions d'entrée, la tension de sortie et le courant de charge, ainsi que des exigences spécifiques pour des caractéristiques telles que le courant de repos, le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), la déconnexion de sortie, la modulation d'impulsions en fréquence/modulation de largeur d'impulsion (PFM/PWM) et les mécanismes de protection.

Outre ces exigences, le choix du régulateur est compliqué par la nécessité d'équilibrer les défis interdépendants associés à l'espace carte, au rendement énergétique, aux performances thermiques et aux interférences électromagnétiques. L'espace carte restreint implique de se tourner vers des composants passifs plus compacts et des configurations plus étroites, ce qui peut nuire aux performances. Le rendement et le comportement thermique sous courant de charge réel doivent faire l'objet d'une caractérisation afin de confirmer que le régulateur et ses composants passifs sont capables de supporter le cycle de service de l'application sans augmentation inacceptable de la température. Le comportement EMI ne se révèle souvent que tardivement dans le cycle d'évaluation, lorsque la configuration, la fréquence de commutation et les caractéristiques d'inductance sont déjà définies.

Les pratiques d'évaluation conventionnelles consistent généralement à tester chaque régulateur candidat sur une carte dédiée, chacune disposant de sa propre configuration, de son propre style de connecteur et de sa propre sélection de composants passifs. Cette approche rend les comparaisons directes entre régulateurs plus difficiles et empêche d'analyser efficacement leurs caractéristiques de fonctionnement. En outre, au lieu de consacrer leur temps à l'évaluation des régulateurs, les concepteurs se retrouvent à assembler plusieurs prototypes différents, ce qui complique la comparaison directe des résultats et ralentit le cycle d'évaluation, dans un contexte où les calendriers de production sont de plus en plus serrés.

Basée sur des composants de Würth Elektronik, la carte BB22H52A Building Block Solutions Switchers (BBS-SW) de Microchip est une plateforme d'évaluation modulaire créée spécifiquement pour aider les concepteurs à évaluer efficacement plusieurs configurations de régulateurs à découpage CC/CC dans des conditions de test cohérentes.

Simplifier l'évaluation des régulateurs CC/CC grâce à une plateforme standardisée

La carte BB22H52A BBS-SW de Microchip (Figure 1) répond à ces défis d'évaluation via une architecture modulaire réunissant sept sous-modules de convertisseurs CC/CC indépendants sur un même circuit imprimé. Chaque sous-module implémente un régulateur à découpage différent avec ses propres bornes d'entrée et de sortie, son propre réseau d'activation (EN) et son propre ensemble dédié de composants passifs, tout en partageant une pile de couches de cartes, une référence de masse et une convention de connecteurs communes.

Figure 1 : La carte BB22H52A BBS-SW intègre sept sous-modules de convertisseurs CC/CC indépendants sur une même carte, avec une pile de couches commune, permettant l'évaluation directe dans des conditions de test adaptées. (Source de l'image : Microchip Technology)

Les sept sous-modules représentent trois classes de topologies distinctes et couvrent des tensions d'entrée de 1,5 V à 50 V, des tensions de sortie de 3,3 V à 24 V, et des courants de sortie de 100 mA à 1 A (Figure 2). Les caractéristiques incluent le fonctionnement sur batterie à faible courant de repos (I_Q), le verrouillage en cas de sous-tension programmable et la commande de LED à courant constant.

Figure 2 : Les sous-modules BB22H52A couvrent des tensions d'entrée de 1,5 V à 50 V, des tensions de sortie de 3,3 V à 24 V et des courants de sortie de 100 mA à 1 A. (Source de l'image : Microchip Technology)

Deux régulateurs élévateurs, BBS1 (MCP16251) et BBS3 (MCP16411), ciblent les rails à basse tension et faible courant typiques des conceptions alimentées par batterie. Deux régulateurs élévateurs basés sur le MCP1663, BBS4 et BBS5, génèrent des rails supérieurs de 12 V et 24 V à partir d'entrées basse tension. La carte d'évaluation inclut également un régulateur abaisseur synchrone, BBS2 (MCP16311), un régulateur abaisseur non synchrone, BBS7 (MCP16331) et un circuit d'attaque LED à courant constant, BBS6 (MCP1664).

La plateforme maintient une infrastructure d'évaluation cohérente pour tous les sous-modules. Des connecteurs à bornes de 2,54 mm standardisés gèrent toutes les entrées et sorties. La broche EN de chaque sous-module est portée à l'état haut via une résistance par défaut, permettant la mise sous tension par application d'une tension d'entrée. Cette même broche EN prend également en charge l'évaluation du mode d'arrêt via une seule connexion. Les points de test et les nœuds de mesure accessibles simplifient la caractérisation de la tension, du courant et de l'ondulation.

L'uniformité des modules fournit aux concepteurs une référence commune d'un sous-module à l'autre, ce qui leur permet d'exécuter des séquences de test identiques d'une topologie à l'autre et d'évaluer en toute confiance les différences comme étant liées au régulateur et à l'inductance, plutôt qu'à des disparités au niveau de la carte. La réalisation de ces objectifs d'évaluation repose à la fois sur une architecture de plateforme cohérente et sur un ensemble de composants robustes, en particulier des inductances bien adaptées aux exigences de chaque topologie de convertisseur.

Répondre aux exigences de topologie des convertisseurs avec des composants robustes

Dans le BB22H52A, les sept sous-modules sont équipés d'inductances, de blocs de jonction, de condensateurs en céramique et de résistances à couche épaisse de Würth Elektronik. Les blocs de jonction WR‑TBL de Würth respectent la convention d'entrée/sortie commune de 2,54 mm évoquée précédemment. Issus d'une gamme de diélectriques de classe 1 et de classe 2, les condensateurs pavés en céramique multicouches (MLCC) de Würth gèrent le filtrage d'entrée, le filtrage de sortie et le découplage dans chaque sous-module. Répertoriées pour un fonctionnement jusqu'à +155°C, les résistances à couche épaisse WRIS‑RSKS de Würth servent de diviseurs de rétroaction, de résistances de détection pour la surveillance du courant et de références d'excursion haute. Ces familles de composants fournissent une base stable pour le comportement cohérent de la plateforme entre les sous-modules, isolant les différences de régulateurs et d'inductances comme variables restantes dans le processus d'évaluation.

Parmi ces composants passifs, l'inductance est généralement considérée comme la plus sensible à l'application. Elle influe directement sur le rendement, le comportement thermique, la signature EMI et l'empreinte de la carte. Les critères de sélection des inductances diffèrent selon les topologies. La carte de Microchip offre donc aux concepteurs plusieurs options basées sur trois familles d'inductances WE : WE‑MAPI, WE‑XHMI et WE‑MXGI.

Dans un convertisseur abaisseur, l'inductance détermine l'ondulation du courant de sortie tout en interagissant avec la compensation de pente et la fréquence de commutation du régulateur. Dans un convertisseur élévateur (Figure 3), l'inductance est située au niveau du nœud de commutation du régulateur. Son courant moyen varie en fonction du rapport de tension sortie-entrée, tandis que le courant de crête augmente avec l'ondulation. Les recommandations de conception de Microchip pour le MCP1663 préconisent une inductance de 4,7 µH pour les tensions de sortie inférieures à 15 V, et de 10 µH pour les tensions de sortie égales ou supérieures à 15 V. Ces valeurs correspondent directement à l'inductance de 4,7 µH 7443844020047 de Würth Elektronik sur le BBS4 à sortie de 12 V, et à l'inductance de 10 µH 744393305100 sur le BBS5 à sortie de 24 V.

Figure 3 : L'application typique du régulateur élévateur MCP1663 place l'inductance au niveau du nœud de commutation du régulateur, la valeur d'inductance étant choisie en fonction de la tension de sortie cible. (Source de l'image : Microchip Technology)

Quelle que soit la topologie, la valeur d'inductance détermine un compromis fondamental. Une inductance plus élevée réduit le courant ondulé et les pertes dans le noyau, mais augmente la taille physique et la résistance en courant continu (DCR). La construction joue également un rôle important : l'utilisation d'inductances à blindage magnétique est recommandée pour les applications dans lesquelles la compatibilité électromagnétique (CEM) est critique, afin d'éviter tout couplage non contrôlé avec les pistes et composants adjacents. Les trois familles d'inductances de Würth sur le BB22H52A offrent toutes un blindage magnétique et répondent chacune à une combinaison différente de compromis en termes de taille, de rendement et d'EMI.

Les inductances WE-MAPI sur les sous-modules BBS1, BBS2 et BBS7 utilisent un noyau en alliage magnétique compact avec une construction auto-blindée. La gamme de produits est qualifiée AEC‑Q200, et les rapports de comparaison de Würth montrent des pertes de puissance totales de 17 à 28 % inférieures par rapport à d'autres composants dans un étage abaisseur de 24 V à 12 V, à 2 A et 500 kHz. Une variante haute température, répertoriée de -55°C à +150°C, est utilisée sur le BBS1, étendant la marge de qualification pour les conceptions en environnements difficiles.

L'inductance WE-XHMI du BBS5 utilise une bobine à fil plat avec un noyau composite qui réduit la résistance en courant continu et augmente le courant de saturation (ISAT). Ces caractéristiques supportent directement les marges thermiques plus étroites et le courant d'inductance plus élevé requis par l'étage élévateur de 24 V.

L'inductance WE-MXGI sur les sous-systèmes BBS3, BBS4 et BBS6 est fabriquée à partir d'un matériau en alliage de fer optimisé pour des fréquences de commutation supérieures à 1 MHz, avec une résistance en courant continu et des pertes CA ultrafaibles. Ces propriétés permettent à un seul composant de couvrir efficacement les topologies de circuit d'attaque LED (BBS6) et de type élévateur (BBS3, BBS4). La construction moulée offre également une cohérence étroite entre les unités, garantissant la validité des mesures de laboratoire tout au long des cycles de production.

Ensemble, ces trois familles d'inductances répondent aux trois problématiques interdépendantes qui compliquent l'évaluation des régulateurs CC/CC :

• La famille WE-MAPI cible les sous-modules à espace carte restreint et présente une construction blindée qui limite le rayonnement et le couplage indésirables pour des caractéristiques EMI améliorées.
• La famille WE-XHMI fournit le courant et la marge thermique nécessaires à une tension de sortie et une charge plus élevées.
• La famille WE-MXGI offre le profil de pertes à haute fréquence et la stabilité qui permettent à une même famille d'inductances de couvrir plusieurs topologies différentes et de transposer les résultats d'évaluation en laboratoire à la production en série.

Associées au vaste portefeuille de composants passifs de Würth, les trois familles d'inductances confèrent au BB22H52A un comportement d'évaluation cohérent entre les différentes topologies.

Comment les sept sous-modules illustrent les compromis de conception clés

Au-delà de la comparaison entre topologies, la sélection des régulateurs du BB22H52A met en lumière les compromis de conception spécifiques récurrents dans chaque classe de topologies. En plaçant des variantes à sortie et à circuit intégré identiques côte à côte sur une même carte, la plateforme permet aux concepteurs de voir comment l'étendue des fonctionnalités, la configuration de sortie et le choix de la topologie affectent le comportement du régulateur.

Les deux sous-modules élévateurs basse tension, BBS1 et BBS3, régulent tous les deux à 3,3 V à partir d'une entrée nominale de 1,5 V, mais offrent des fonctionnalités sensiblement différentes. Le MCP16251 sur le BBS1 privilégie l'autonomie de la batterie grâce à une option de déconnexion réelle de la charge et à un courant de repos de 4 µA en mode PFM. Le MCP16411 sur le BBS3, quant à lui, met l'accent sur des capacités de surveillance et de protection plus complètes, avec un courant de repos similaire de 5 µA.

Les sous-modules élévateurs haute tension, BBS4 et BBS5, partagent le même régulateur MCP1663 mais génèrent des sorties de 12 V et 24 V respectivement, illustrant comment la configuration de sortie détermine le courant de charge maximum disponible à partir d'un seul régulateur. Le MCP1663 étant non synchrone, chaque sous-module inclut une diode Schottky externe, démontrant un compromis spécifique en termes de nombre de composants par rapport au dispositif élévateur synchrone sur le BBS1.

Les deux sous-modules abaisseurs sont qualifiés AEC-Q100 et illustrent le compromis classique entre synchrone et non synchrone. Le MCP16311 sur le BBS2 est un régulateur abaisseur synchrone avec une entrée jusqu'à 30 V et une sortie de 1 A, atteignant un haut rendement sans redresseur externe. Le MCP16331 sur le BBS7 est un régulateur abaisseur non synchrone qui étend la plage d'entrée jusqu'à 50 V, au prix d'une diode Schottky externe et d'un courant de sortie plus faible.

Le BBS6 adopte une approche différente dans laquelle le circuit d'attaque LED MCP1664 régule le courant de sortie plutôt que la tension, permettant de commander jusqu'à huit LED blanches en série. La protection contre les charges ouvertes et la gradation PWM complètent les fonctionnalités spécifiques aux LED.

Accélérer l'évaluation et la transition vers des solutions personnalisées

Entièrement assemblé et testé, un sous-module BB22H52A tel que le BBS1 (Figure 4) permet aux concepteurs de commencer l'évaluation en connectant une source d'alimentation externe aux bornes d'entrée et une charge à V_OUT et GND. Comme indiqué précédemment, le régulateur s'active dès que la tension d'entrée est appliquée. Une fois l'alimentation activée, un voltmètre connecté à V_OUT confirme la sortie régulée, qui reste très proche de sa valeur nominale malgré les variations de la tension d'entrée et de la charge.

Figure 4 : Pour commencer l'évaluation du sous-module BB22H52A BBS1, les concepteurs doivent simplement connecter une alimentation de laboratoire, un voltmètre et une charge. (Source de l'image : Microchip Technology)

Au-delà de l'évaluation, le BB22H52A peut être utilisé comme conception de référence pour la construction de convertisseurs CC/CC personnalisés. Il est accompagné de schémas complets pour les sept sous-modules, d'une configuration de circuit imprimé à quatre couches et d'une nomenclature (BOM) basée sur des circuits intégrés de régulateurs de Microchip et des composants passifs de Würth facilement disponibles.

Conclusion

La sélection du régulateur à découpage CC/CC approprié pour une nouvelle conception met les ingénieurs au défi de trouver un équilibre entre topologie, espace carte, rendement, performances thermiques et comportement EMI. Le BB22H52A BBS‑SW contribue à relever ces défis grâce à une architecture d'évaluation modulaire basée sur le portefeuille de composants robustes de Würth Elektronik, comprenant trois familles d'inductances adaptées aux exigences spécifiques de chaque topologie, ainsi que des blocs de jonction, des condensateurs en céramique et des résistances à couche épaisse.