Réinventer la conversion de puissance au point de charge

Demandez à n'importe quel architecte système : « Quel est votre plus gros problème ? » Sa réponse sera probablement que les dispositifs alimentant le système occupent entre 30 et 50 % de l'espace carte, sans parler des composants supplémentaires de filtrage et de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) nécessaires. Dans la plupart des systèmes électroniques, qu'il s'agisse d'applications grand public, de data centers ou de produits réseau, l'alimentation reste l'une des contraintes majeures en matière de réduction de la taille et de la hauteur.

Figure 1 : L'architecture de type abaisseur à deux étages de Murata inclut une pompe à charge suivie d'un régulateur abaisseur à découpage. (Source de l'image : Murata)

Traditionnellement, les architectes système dépendent des convertisseurs de point de charge (POL) abaisseurs pour abaisser le courant des rails de bus, par exemple 12 V, afin d'alimenter les charges du système, telles que les cœurs et les processeurs d'application, les circuits ASIC système et la mémoire. La conversion de type abaisseur a rendu de bons services au secteur pendant plusieurs décennies et a été affinée et améliorée pour créer des solutions robustes et rentables. Cependant, pour faire de réels progrès en matière de densité de puissance, les architectes système doivent aller au-delà des simples améliorations itératives. C'est pourquoi Murata a conçu un convertisseur POL à deux étages composé d'une pompe à charge suivie d'un régulateur abaisseur à découpage, comme le montre la Figure 1.

Pour de nombreuses personnes, l'idée d'une architecture à deux étages pour améliorer le rendement peut sembler contre-intuitive, car le rendement des différents étages se multiplie. Cependant, grâce à des techniques innovantes de condensateur à découpage, la pompe à charge ne subit pratiquement aucune perte, ce qui permet d'obtenir un rendement exceptionnel pour le premier étage de conversion.

En prenant l'exemple typique de 12 Vin à 1 Vout, comme illustré à la Figure 1, la pompe à charge utilise des condensateurs pour diviser la tension d'entrée par un facteur de 3, de 12 V à 4 V. L'inductance de type abaisseur du deuxième étage effectue alors moins de travail dans la conversion finale de 4 V à 1 V de charge. L'utilisation de condensateurs est un point critique, car ils ont une densité d'énergie 400 fois supérieure à celle des inductances. Les solutions qui dépendent du stockage capacitif se traduiront naturellement par une densité de puissance plus élevée. Le régulateur abaisseur du deuxième étage fonctionne quant à lui à partir d'une tension d'entrée de 4 V au lieu des 12 Vin initiaux. Cela permet au dispositif abaisseur d'utiliser des transistors à effet de champ (FET) basse tension et haut rendement qui, associés à une faible inductance de sortie, créent un régulateur abaisseur haut rendement capable de fonctionner à une fréquence très élevée avec une réponse transitoire rapide.

La Figure 2 offre un aperçu plus précis de l'architecture traditionnelle de type abaisseur à un étage par rapport à l'architecture de type abaisseur à deux étages.

Figure 2 : Comparaison d'un convertisseur abaisseur traditionnel à un étage et d'un convertisseur abaisseur à deux étages de Murata. (Source de l'image : Murata).

Prenez l'approche la plus traditionnelle de type abaisseur à un étage de la Figure 2 pour un scénario de 12 Vin à 1 Vout. Le nœud Vx (point médian des FET) oscille entre la masse et Vin, en plus des pics d'énergie stockés dans l'inductance de fuite et les parasites. Cette approche signifie que des FET à plus haute tension sont requis et que des EMI sont susceptibles de poser problème en raison de la variation rapide de la tension et l'oscillation. L'inductance accomplit tout le travail et sa valeur est relativement élevée, ce qui a un impact négatif sur le rendement et la réponse transitoire. De plus, le FET haut potentiel n'est conducteur que pendant 1/12 du temps dans le scénario 12:1 V. Cela conduit à un courant pulsé très élevé à l'entrée, qui nécessite un découplage supplémentaire pour réduire les effets sur les EMI conduites. Ce fonctionnement à très faible rapport cyclique limite également la capacité de fonctionnement à des fréquences de commutation très élevées.

Comparez cette approche à l'implémentation à deux étages de Murata illustrée à la Figure 2. La pompe à charge réduit la tension par paliers entiers – dans cet exemple, de 12 V à 8 V, puis à 4 V – de sorte que chaque étage ne reçoive que 4 V et puisse utiliser la technologie FET basse tension et haut rendement. Le régulateur abaisseur effectue la dernière étape de la conversion 4:1 V. La majeure partie du travail a déjà été effectuée par la pompe à charge capacitive du premier étage. Cette architecture réduit l'inductance du deuxième étage, ce qui permet une conception compacte extra-plate, pouvant fonctionner à des fréquences élevées avec une excellente réponse transitoire.

La pompe à charge du premier étage est implémentée sous la forme de deux phases s'exécutant hors phase à un rapport cyclique de 50 %. Le dispositif abaisseur du deuxième étage fonctionne à un rapport cyclique plus proche de 25 %, ce qui réduit le courant d'entrée et le courant pulsé. Les deux facteurs se combinent pour minimiser l'ondulation d'entrée et le profil EMI du convertisseur. En résumé, l'architecture à deux étages de Murata présente une amélioration du rendement, de la taille, du profil et des EMI.

Pour en savoir plus, regardez le webinaire de Murata « How Murata is changing the power density paradigm ».