Couverture ElectroniqueS n°127

Après avoir sélectionné le convertisseur DC-DC intégré adapté à l'application, le concepteur se trouve confronté au problème du choix judicieux des composants passifs externes, à savoir l'inductance et le condensateur de sortie. Exemple est pris ici avec un TPS6220x de Texas Instruments. Beaucoup d'applications impliquent la conversion de la tension délivrée par une batterie d'accumulateurs en une tension d'alimentation plus basse. Le rendement est alors le plus souvent la raison essentielle qui justifie l'adoption d'un convertisseur DC-DC. En effet, si un régulateur linéaire est apte à remplir la mission indiquée, son rendement ne pourra en aucun cas égaler celui d'un régulateur à découpage.Une fois le choix d'une architecture à découpage entériné, le concepteur se trouve alors confronté à une multitude d'obstacles, afin de trouver le meilleur compromis possible entre performances, encombrement sur la carte et coût de la solution. Les convertisseurs à découpage sont basés sur des dispositifs de régulation relativement complexes dont le but vise à conserver un rendement élevé, aussi bien à pleine charge qu'à des puissances de sortie très modestes. Les alimentations des c&oelig;urs de processeur actuels exigent du régulateur une réponse « grand signal » rapide et propre. Par exemple, lorsqu'un processeur passe d'un mode d'inactivité à un régime de fonctionnement à pleine vitesse, le courant absorbé par le c&oelig;ur croît très vite de quelques dizaines de microampères à plusieurs centaines de milliampères.A mesure que les conditions de charge évoluent, la boucle de régulation doit répondre rapidement aux nouvelles exigences afin de maintenir la tension dans les limites de régulation. Ce sont l'amplitude et la vitesse de variation de la charge qui déterminent si la réponse de la boucle est appelée réponse « grand signal » ou réponse « petit signal ». Les paramètres « petits signaux » sont définis en fonction du point de fonctionnement en régime établi. Des variations inférieures à 10 % autour de ce point de fonctionnement sont généralement estimées comme étant des variations « petits signaux ».En pratique, l'amplificateur d'erreur est limité par sa vitesse de balayage (slew-rate). Il n'est plus capable de contrôler la boucle lorsque la transition de charge excède sa capacité de réponse. Dans ces conditions, les condensateurs de sortie doivent prendre à leur compte les courants transitoires jusqu'à ce que l'intensité dans l'inductance puisse « rattraper son retard ».Une réponse « grand signal » met temporairement la boucle hors de fonctionnement. Cependant, cette dernière doit réagir de façon harmonieuse lorsqu'elle entre ou quitte une réponse « grand signal ». Notons que plus la bande passante de la boucle est large, plus elle répondra rapidement à un transitoire de charge.Même si la boucle de régulation, d'un point de vue « petit signal »,semble disposer d'une marge de gain et de phase suffisante, un convertisseur à découpage peut cependant présenter une instabilité et une ondulation sur la sortie pendant les transitoires de ligne ou de charge. Lorsque le choix des composants externes se pose, il importe que l'ingénieur soit conscient de ces limitations, faute de quoi sa conception pourrait bien prendre les allures d'un désastre.La sélection du condensateur de sortieLe choix du condensateur de sortie repose sur des considérations d'ondulation du courant et de la tension de sortie, ainsi que de stabilité de boucle.La résistance série équivalente (ESR) du condensateur de sortie et la valeur de l'inductance ont un effet direct sur l'ondulation résiduelle de la tension de sortie. Cette dernière est aisément estimée à l'aide de l'ondulation en courant dans l'inductance (?IL) et de la résistance série du condensateur de sortie.Par conséquent, il faut sélectionner un condensateur présentant la plus faible ESR possible. Par exemple, les condensateurs de 4,7 à 10 µF en technologie X5R/X7R affichent une ESR aux alentours de 10 mO.Des condensateurs plus petits sont acceptables pour de faibles charges, ou lorsque l'application ne requiert pas une faible ondulation résiduelle.L'architecture de boucle de régulation de Texas Instruments donne la possibilité d'utiliser un vaste choix de condensateurs de sortie, et de compenser la boucle de régulation afin d'obtenir une réponse transitoire et une stabilité de boucle optimales. Il est bien évident que la compensation interne est sensible aux caractéristiques du condensateur de sortie, et fonctionne d'autant mieux qu'un ensemble de conditions opératoires sont réunies.Les convertisseurs-abaisseurs de la série TPS6220x disposent d'une compensation de boucle interne. De ce fait, les éléments du filtre L-C externe doivent être sélectionnés en tenant compte des caractéristiques de cette compensation interne. Or, cette dernière est optimisée pour une fréquence de coupure L-C de 16 kHz, ce qui correspond à une inductance de 10 µH associée à un condensateur de 10 µF. En règle générale, le produit LC ne devra pas être fortement modifié lors du choix d'un filtre de sortie différent. Ceci est particulièrement important lorsqu'il s'agira de mettre une inductance ou un condensateur de plus faibles valeurs, qui auront pour effet de déplacer la fréquence de coupure vers le haut.Pendant le temps séparant l'application de la variation de charge et l'activation du Mosfet canal P, le condensateur de sortie doit fournir la totalité du courant requis par la charge. Il survient alors une chute de tension dans l'ESR qui vient se soustraire à la tension de sortie. Plus l'ESR est faible, plus la perte de tension l'est également lorsque le condensateur de sortie fournit le courant de charge. Il est recommandé d'utiliser une inductance de 4,7 µH et un condensateur de sortie de 22 µF (figure 4) pour minimiser la taille de la solution, et pour améliorer le comportement du convertisseur TPS6220x lors des transitions de charge.Christophe Vaucourt, Texas InstrumentsChristophe Vaucourt est ingénieur système chez Texas Instruments en Allemagne, où il travaille depuis trois ans sur le support d'applications et l'élaboration de nouveaux produits de type convertisseurs DC-DC faible puissance. Auparavant, chez Alcatel, il était chargé de la conception d'alimentations sur des téléphones Internet haut de gamme.Pour en savoir plusBibliographie : Fiche technique TPS62200 de Texas Instruments (http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps62200.pdf).Trilogie des inductances 2e édition étendue, ISBN 3-934350-73-9, Wuerth Elektronik.

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