Fin d'un mythe : le bruit d'un circuit intégré de régulateur à découpage à fort courant peut s'approcher de celui d'un LDO

Même avec l'évolution permanente du monde de la technologie, certains clichés de « croyance populaire » et autres suppositions perdurent, malgré des avancées spectaculaires. J'entends toujours de temps en temps des anciens dire que pour prolonger la durée de vie d'une batterie, il faut la décharger complètement avant de la recharger. Même si c'était peut-être valable pour la composition nickel-cadmium (NiCad) classique, c'est absolument faux et même néfaste pour la durée de vie des cellules au lithium d'aujourd'hui.

Les mêmes idées fausses s'appliquent aux régulateurs à découpage CC/CC abaisseurs, en particulier ceux conçus pour fonctionner avec des tensions d'entrée plus élevées (plusieurs dizaines de volts) et qui produisent des courants supérieurs (jusqu'à environ 10 ampères [A]). On pense généralement que les régulateurs à faible chute de tension (LDO), avec leur topologie linéaire sans découpage, ne présentent presque aucun bruit, mais sont inefficaces. À l'inverse, les régulateurs à découpage (alimentations à découpage) sont bruyants, mais hautement efficaces.

Les préoccupations liées aux alimentations à découpage vont au-delà de leur bruit présumé. Même si elles sont efficaces (avec un rendement typique supérieur à ~85 % lorsqu'elles fonctionnent au « niveau idéal » de charge), elles présentent souvent trois points négatifs :

1. Elles sont électriquement bruyantes, et ce bruit est principalement présent (mais pas entièrement) au niveau de leur fréquence de commutation et des harmoniques associées.

2. Elles ont des réponses transitoires médiocres et sont sujettes à l'instabilité et à l'oscillation, à moins que leur réponse en boucle fermée soit soigneusement accordée à l'application.

3. Les modèles haute puissance nécessitent des MOSFET externes et fonctionnent comme des contrôleurs de dispositifs à découpage plutôt que comme des régulateurs avec MOSFET internes, et requièrent donc davantage de composants et d'espace carte.

Toutefois, de récentes avancées et des topologies innovantes ont changé la donne, comme le montrent les trois régulateurs abaisseurs synchrones monolithiques Silent Switcher de 65 volts (V) LT8645S, LT8646S et LT8645S-2 d'Analog Devices, tous les trois capables de prendre en charge des sorties de 8 A (Figure 1).

Figure 1 : Le schéma fonctionnel des fonctions internes des régulateurs abaisseurs Silent Switcher montre leur complexité, mais ne peut pas illustrer les détails des techniques utilisées pour permettre des améliorations majeures des performances. (Source de l'image : Analog Devices)

Les petites différences notables parmi les trois dispositifs permettent aux utilisateurs de choisir la configuration spécifique la mieux adaptée à leur application (Figure 2).

Figure 2 : Les trois régulateurs à découpage sont très similaires, mais présentent de subtiles différences de configuration qui peuvent s'avérer cruciales pour certaines applications. (Source de l'image : Analog Devices)

Examinons tout d'abord le bruit, car il s'agit du problème le plus souvent cité en ce qui concerne les régulateurs à découpage. Un bon régulateur LDO définit sans aucun doute la norme pour la sortie à faible bruit, mais ces régulateurs à découpage avancés s'en rapprochent étonnamment.

Pourquoi se soucier du bruit ?

Le bruit de sortie des régulateurs est néfaste pour les performances système pour différentes raisons :

• Il peut avoir une incidence sur les performances constantes et fiables des circuits intégrés de charge, en particulier dans les circuits qui fonctionnent avec des tensions de rail inférieures où la marge d'alimentation est assez réduite.
• Il a une incidence sur le niveau de performances atteignable, car il altère la précision du signal analogique, par exemple pour les circuits d'entrée de capteurs.
• Le bruit sortie-rail peut provoquer des interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées et conduites. Le bruit rayonné est particulièrement préoccupant, car il peut entraîner la non-conformité du produit final vis-à-vis d'une ou de plusieurs obligations spécifiques à l'application, comme le test CISPR 25 largement utilisé pour les EMI rayonnées.

Nul besoin de s'inquiéter

Grâce à sa conception, l'architecture Silent Switcher d'Analog Devices garantit un faible bruit et donc de meilleures performances EMI. Par ailleurs, étant donné qu'il s'agit de dispositifs monolithiques, ces performances ne sont pas sensibles à la disposition de la carte à circuit imprimé. Les EMI provoquées par les composants et par la disposition ne sont donc plus une préoccupation lors de la conception.

Comment les régulateurs Silent Switcher atteignent-ils ces résultats ? Les concepteurs ont étudié chaque manifestation du bruit d'horloge et d'autres sources de bruit, puis ont mis au point des solutions pour résoudre ces problèmes. Il existe deux sources majeures de bruit : la soi-disant « boucle active » inhérente à l'architecture à découpage, ainsi que l'inductance de piste et l'oscillation.

Pour contrer les boucles actives, la conception Silent Switcher divise la boucle active en deux boucles contrebalancées, de manière à ce que leurs flux de courant s'annulent l'un l'autre. Quant à l'inductance de piste, l'intégration à la puce de condensateurs de découplage élimine les problèmes liés à l'inductance des pistes de circuit imprimé et à l'oscillation, tout en garantissant de bonnes performances en éliminant la variabilité des composants externes et de leur placement. Les performances en termes d'émissions rayonnées respectent ainsi facilement les limites CISPR 25 (Figure 3).

Figure 3 : Grâce à des améliorations comme l'élimination des problèmes de boucle active et l'ajout de condensateurs de découplage intégrés, le rayonnement des régulateurs Silent Switcher est bien en dessous du maximum réglementaire. (Source de l'image : Analog Devices)

Il est important de noter que le bruit conduit des dispositifs est également faible, mais qu'il a des limites réglementaires moins strictes. Il est également plus facile de réduire le bruit conduit à l'aide de perles de ferrite, alors que le bruit rayonné est plus difficile à atténuer et peut même nécessiter un blindage complexe et coûteux.

Par ailleurs, la conception de ces régulateurs à découpage entraîne aussi une meilleure réponse transitoire. Ces régulateurs à découpage fournissent une régulation nette et précise, malgré les décalages de la charge, et maintiennent également la stabilité de la boucle dans différentes conditions de fonctionnement (Figure 4). Pour une flexibilité accrue, le dispositif LT8646S permet la compensation résistance-condensateur (RC) externe, pour que les concepteurs puissent optimiser la réponse transitoire.

Figure 4 : La conception des régulateurs Silent Switcher permet également d'obtenir une réponse transitoire rapide, propre et cohérente, ce qui se traduit par un rail de sortie CC stable et puissant malgré les variations de charge. (Source de l'image : Analog Devices)

Enfin, l'intégration de MOSFET haute puissance apporte plusieurs avantages :

• Émissions de bruit réduites grâce à l'élimination de pistes de circuit imprimé pour les MOSFET.
• Performances de l'alimentation d'entrée vers le rail de sortie cohérentes, entièrement spécifiées dans la fiche technique.
• Empreinte globale réduite : ces régulateurs 8 A sont logés en boîtiers LQFN de 6 millimètres (mm) x 4 mm et ne nécessitent que quelques composants passifs compacts pour un circuit complet (Figure 5).

Figure 5 : Un sous-système de régulateur d'alimentation complet basé sur le LT8645S-2 (ou d'autres composants de la même gamme) est compact et présente une nomenclature réduite. (Source de l'image : Analog Devices)

Une dernière question importante subsiste : existe-t-il un compromis ou une pénalité en termes de rendement lors de l'utilisation de ces régulateurs Silent Switcher à haute tension et fort courant ? Après tout, le haut rendement est de loin la principale raison pour laquelle on utilise une alimentation à découpage plutôt qu'une alimentation linéaire.

La réponse est simple : le rendement de ces dispositifs est équivalent aux régulateurs plus bruyants (Figure 6). Il s'étend d'environ 90 % à 96 % de 1 A à 8 A maximum, avec un « niveau idéal » entre 2 A et 4 A.

Figure 6 : Le rendement des régulateurs Silent Switcher 8 A est d'environ 95 %, sauf en cas de valeur de sortie de courant très basse ou très élevée. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les régulateurs à découpage offrent l'avantage majeur d'un haut rendement, mais peuvent aussi être source de bruit rayonné excessif pour le circuit, le système et les réglementations. L'architecture innovante des régulateurs CC/CC Silent Switcher d'Analog Devices permet de surmonter ces obstacles et de combler d'autres lacunes des régulateurs à découpage traditionnels sans compromettre les attributs de performances souhaités.

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Analog Devices, "Monolithic 65V, 8A Step-Down Regulators with Fast Transient Response and Ultralow EMI Emissions"

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, "What Actually Is a Hot Loop?"

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html