Au-delà de la fiche technique : Tests en conditions réelles des régulateurs de tension

Dernièrement, j'ai beaucoup travaillé à tester divers composants électroniques. Vous vous demandez probablement pourquoi je ne me contente pas de lire les fiches techniques pour gagner du temps et de l'argent. La réponse est que les fiches techniques, plus souvent qu'elles ne le devraient, ne contiennent pas tous les détails dont vous pourriez avoir besoin pour choisir judicieusement en fonction de votre cas d'utilisation spécifique. Alternativement, la fiche technique pourrait présenter un composant de manière plus favorable que ses performances réelles dans le monde réel. Je veux savoir comment les choix de composants que je fais se comportent dans des tests réels pour les projets que je crée et construis.

Dans un post précédent, j'ai mis en avant les 10 principaux modules de régulateurs à découpage qui ont passé mon processus de test. Cette fois-ci, je vais vous dire comment se sont comportés les régulateurs de tension linéaires que j'ai testés.  

Régulateurs Linéaires vs. Régulateurs à Découpage

Comment Fonctionnent les Régulateurs Linéaires

Les régulateurs de tension linéaires assurent une conversion abaisseuse de tension d'un niveau à un autre. Profondément enfouis sous leur coquille d'époxy, vous trouverez une entrée de comparateur non-inverseur référencée à une tension de bande interdite spécifique, une entrée de comparateur inverseur qui surveille la tension de sortie, et un transistor connecté à la sortie du comparateur. Lorsque la tension d'entrée varie légèrement, le circuit de comparateur à haut gain ajuste la tension de polarisation du transistor, affectant immédiatement la tension et le courant de sortie. En bref, les régulateurs de tension linéaires sont extrêmement efficaces pour produire une tension de sortie constante, indépendamment de la tension d'entrée. Cette réponse rapide leur confère un ratio de rejet de l'alimentation électrique (PSRR) très élevé, ce qui les rend parfaits pour une utilisation avec des circuits en aval sensibles (capteurs, ADC, etc.).

Mais les régulateurs linéaires ne sont pas parfaits, et ils ne sont pas des dispositifs nuancés. Toute différence entre la tension d'entrée et de sortie est dissipée à l'intérieur du régulateur sous forme de chaleur. Par exemple, une sortie de 5V @ 1A à partir d'une entrée de 12V produira (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W de chaleur. 7 Watts d'énergie thermique pour 5 Watts d'énergie électrique n'est pas un bon compromis.

Comment Fonctionnent les Régulateurs à Découpage

Les régulateurs à découpage, ou alimentations à découpage (SMPS), utilisent un commutation haute fréquence combinée à des composants de stockage d'énergie tels que des condensateurs et des inducteurs pour réduire ou même augmenter la tension d'entrée. Leur caractéristique principale est l'efficacité, là où les régulateurs linéaires perdent en efficacité à mesure que l'intervalle de tension d'entrée-sortie augmente ; les régulateurs à découpage peuvent maintenir une haute efficacité sur une large gamme de tensions et de charges.

Les régulateurs à découpage fonctionnent en activant et désactivant rapidement la tension d'entrée du circuit ; en contrôlant le rapport cyclique (ou le ratio de temps d'activation par rapport au temps de désactivation), la tension de sortie peut être ajustée. Lorsque l'interrupteur du régulateur est activé, l'énergie est stockée sous forme de champ magnétique dans un inducteur et est ensuite libérée vers la sortie sous forme de tension régulée. Les condensateurs lissent cette tension qui monte et descend rapidement, fournissant une sortie relativement stable. Ce processus augmente considérablement l'efficacité par rapport à un régulateur linéaire car l'énergie excédentaire n'est pas introduite dans le circuit et n'a pas besoin d'être convertie en chaleur.

Malheureusement, cette approche présente également certains inconvénients. Comme les régulateurs à découpage fonctionnent cycle par cycle, ils ne peuvent pas réagir aux changements de charge ou de tension d'entrée aussi rapidement qu'un régulateur linéaire. Ils subissent souvent des baisses ou des pics de tension momentanés lorsque la charge varie. Étant donné que la tension d'entrée est connectée à la sortie par un inducteur pendant le temps 'on' du commutateur, le bruit dans l'alimentation d'entrée peut se transmettre à la sortie bien plus facilement que dans un régulateur linéaire. De plus, l'action de commutation du régulateur introduit son propre bruit ; lorsque l'inducteur stocke et libère de l'énergie, une fluctuation de tension se produit à la fréquence de commutation.

À noter, il existe plusieurs topologies de régulateurs à découpage, il s'agit donc d'un aperçu très générique et large de leur fonctionnement.

Combiner les régulateurs de tension à découpage et linéaires

Lorsque vous avez une grande différence de tension entre l'entrée et la sortie et que vous avez besoin d'une alimentation sans bruit, vous pouvez utiliser un SMPS en série avec un régulateur linéaire. Le SMPS réduit la tension d'alimentation à une tension d'entrée plus appropriée pour le régulateur linéaire, qui fournit une ligne d'alimentation à faible bruit. Par exemple, supposons que vous avez un capteur de 3,3 V alimenté par une batterie de 12 V. Dans ce cas, vous pourriez utiliser un régulateur à découpage pour passer de 12 V à 4,5 V, puis un régulateur linéaire pour passer de 4,5 V à 3,3 V. Vous pouvez voir un exemple de cela dans un circuit réel en consultant mon article et ma vidéo où j'ai construit une alimentation à double rail à partir d'une batterie de 9V.

Chute de Tension Faible (LDO)

La physique impose des contraintes – il existe un point au-delà duquel les convertisseurs et les régulateurs de tension linéaires ne peuvent plus fonctionner correctement. Ce point dépend généralement, d'une manière ou d'une autre, des besoins en courant du circuit aval. Supposons que vous prévoyez d'utiliser un régulateur linéaire LDO pour fournir une tension stable à un dispositif, tel qu'un microcontrôleur, à partir d'une source amont à tension décroissante, comme une batterie. Dans ce cas, vous voudrez déterminer à quel moment votre circuit cesse de fonctionner, trouver un moyen de détecter cette tension et éteindre le circuit avant que le fonctionnement ne devienne peu fiable.

Tester la performance dans le monde réel

78L09

J'ai testé cinq régulateurs de type 78L09 de 100 mA provenant de Onsemi, STMicroelectronics et Texas Instruments. Je m'attendais à ce que les pièces soient interchangeables puisqu'elles ont toutes des numéros de pièce identiques (voir les résultats ici). Et c'est une bonne chose que je l'ai fait, car elles ne se comportent certainement pas toutes de la même manière !

Tension de chute

La tension de chute est la tension d'entrée la plus basse qui permet aux modules de régulateur de tension de fonctionner comme spécifié.  Cela signifie que pour une sortie régulée de 9 V, le On Semi MC78L09ABPRAG nécessite une tension d'entrée minimale qui est de 9 V + 1,63 V = 10,63 V.  Il y a 170 mV de différence entre la tension de chute des meilleures et des pires pièces, le Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 nécessite 10,8 V pour fonctionner correctement.  Cela signifie que je dois soit concevoir mes solutions pour la pièce la plus défavorable, soit concevoir pour la meilleure et n'accepter aucune substitution.  Mais dans les deux cas, je laisse quelque chose de côté.  Si je conçois pour la pièce la plus défavorable, je vais dissiper de l'énergie supplémentaire sous forme de chaleur, diminuant mon budget énergétique et raccourcissant inutilement la durée de vie de la batterie.  Si je conçois pour la meilleure pièce, je pourrais me menotter à une dépense supplémentaire, ou pire encore, à une pénurie de pièces.  

Si je travaillais pour une entreprise où le responsable des achats disait : « Est-il acceptable de remplacer le 78L09 de Texas Instruments par le 78L09 de OnSemi ? Cela permettrait d'économiser environ 200 dollars au total sur la production. » La réponse devrait être simplement « Oui », mais sans tester la pièce de rechange, vous pourriez découvrir que votre circuit ne fonctionne pas comme prévu, selon la précision avec laquelle vous avez conçu en fonction de la tension de décrochage, de la production thermique ou de la performance en matière de bruit.

Efficiency

En vérifiant l'efficacité à plusieurs points de tension d'entrée, vous pourriez voir une différence de 10 à 15 pour cent sous des charges très légères. Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais si vous fonctionnez sur batterie ou si vous avez un boîtier qui ne peut pas facilement dissiper l'énergie thermique dans l'environnement, ce léger changement pourrait affecter négativement la durée de vie et le cycle de fonctionnement de votre conception. 

Heureusement, lorsque nous atteignons les courants maximaux de ces régulateurs, ils sont tous à quelques pour cent l'un de l'autre. Nous perdons le composant de Texas Instruments à sa tension nominale maximale de 24 V. En comparaison, les quatre autres régulateurs peuvent fonctionner jusqu'à 30 volts en entrée.

Avec une entrée de 11,9V et une charge de 8 milliampères, j'ai mesuré entre 6 et 18 millivolts de bruit sur tous les composants. Lorsque nous passons à une charge de 30 milliampères, chacun des régulateurs présente un bruit RMS à un millivolt près l'un de l'autre. Supposons que vous alimentiez un dispositif sensible et à faible courant, comme un amplificateur à haut gain, avec ces régulateurs. Dans ce cas, la différence de bruit entre les régulateurs pourrait ne pas être idéale si vous passez à une pièce de rechange sans la tester au préalable.

Bien que je ne recommanderais pas de faire fonctionner un régulateur linéaire à la tension d'entrée maximale qu'il peut supporter, le bruit à 30 volts d'entrée peut varier considérablement entre les différents fabricants.

Alors, quel régulateur devriez-vous choisir ? J'ai écrit une requête SQL très longue pour agréger toutes les données de test, mettre en évidence les chiffres notables et classer les régulateurs que j'ai testés. Les classements privilégient une faible tension de chute moyenne, une haute efficacité et un faible bruit.

Aux positions une et deux, nous avons le Microchip MCP1700 et le MCP1702. Je les ai testés dans leurs variantes de 3,3 et 5 volts, respectivement. Ces régulateurs ont certains des plus faibles abaissements de tension parmi tous ceux que j'ai testés, ce qui les classe très bien. Leur performance en termes de bruit est également excellente, mais, comme avec les régulateurs à découpage que nous avons examinés la dernière fois - ils nécessitent une charge minimale pour un fonctionnement stable ; elle est juste beaucoup plus faible que celle de leurs homologues à découpage. 

Les données de bruit ont été collectées avec mon oscilloscope de la série Rigol MSO5000, qui a un plancher de bruit relativement élevé. À l'avenir, je prévois de retester tous les régulateurs avec mon Rohde et Schwarz MXO44 ou Keysight MXR, qui ont des planchers de bruit bien plus bas. 

L'efficacité est l'autre paramètre clé pour le classement, et la série Microchip MCP1700 se comporte très bien... pour des régulateurs linéaires. Les graphiques d'efficacité montrent clairement la relation linéaire entre la tension d'entrée et l'efficacité.

Ensuite dans le classement, nous avons le LF50CV de STMicroelectronics, un régulateur de cinq volts et demi-ampère. Le graphique pourrait donner l'impression que la tension de décrochage est plus élevée que celle du régulateur MCP1702 de cinq volts. Cependant, ce régulateur peut fournir le double du courant - au maximum de 250mA du MCP1702, le LF50CV est un peu meilleur en termes de performance de décrochage. En termes d'efficacité, c'est à peu près la même chose que le MCP1702, ce à quoi nous nous attendons. 

Les données de bruit sont assez similaires aux données de décrochage. Juste en regardant le graphique, il semble que le LF50CV soit bien plus bruyant, mais il s'agit plus d'une question de tendance à doubler la charge. Par exemple, avec une alimentation de 8 volts et une charge de 250mA, le MCP1702 a un bruit RMS de 3.79mV, tandis que le LF50CV est à 3.46mV pour une charge de 270mA.

Passons maintenant au régulateur Texas Instruments LM3940IT d'un ampère, 3,3 volts - la chute de tension est légèrement meilleure que celle du MCP1700. Les choses deviennent assez intéressantes en regardant le graphique de l'efficacité. L'efficacité à faible charge de ce régulateur chute brusquement, le premier des régulateurs que nous avons examinés à montrer cette chute abrupte. Dans l'ensemble, il est quelques pourcents moins efficace que le MCP1700 une fois que l'efficacité atteint un point linéaire.

Le bruit du LM3940IT est également intéressant, bien que je soupçonne en connaître la raison. Dans l'ensemble, la performance en matière de bruit est exceptionnelle et très stable à des charges extrêmement légères. Je pense que les grandes variations dans le graphique sont des erreurs de mesure - spécifiquement, le régulateur commençant un arrêt thermique. J'ai attaché chacun de ces régulateurs à un énorme dissipateur thermique avec de la pâte thermique haute performance et des ventilateurs des deux côtés... mais cela n'est toujours pas suffisant pour évacuer la chaleur hors du composant pour certains composants. Le bruit moyen du LM3940IT sur toutes les tensions et charges est le meilleur de tous les régulateurs testés, même avec ces pics de bruit étranges.

En cinquième position, mais loin d'être le dernier du classement, se trouve un autre composant de Texas Instruments, le TL780-12KCS. Il s'agit d'un régulateur de sortie de 12 volts à 1,5 ampère. Étant donné le courant élevé et la tension de sortie, je m'attends à une chute de tension raisonnablement importante par rapport aux composants que nous avons déjà examinés. Les données ne déçoivent pas - avec une charge de 1,5 ampère, vous voudrez donner à ce régulateur au moins 15 volts pour laisser une petite marge de variance entre les composants. Avec cette charge, vous devrez gérer 4,5 watts de chaleur perdue ! Sans surprise, le régulateur est entré en arrêt thermique lorsqu'il alimentait une charge de 1,5 ampère à partir d'une entrée de 30 volts. Pourtant, ce n'était pas le premier à atteindre l'arrêt thermique lors des tests.

L'efficacité est celle à laquelle on pourrait s'attendre, outre la chute brutale à faible charge, tout comme nous l'avons vu avec le dernier composant TI. C'est un régulateur très bon marché, donc je peux comprendre pourquoi vous pourriez vouloir le choisir plutôt qu'un régulateur à découpage - mais si le bruit de sortie n'est pas un problème, alors il coûtera probablement plus cher de gérer thermiquement que de choisir un régulateur linéaire de style remplacement à découpage.

Alors, examinons le bruit, car si vous regardez un régulateur comme celui-ci, ce n'est pas pour son efficacité ! Il y a une légère instabilité sous les charges les plus légères, mais cela disparaît rapidement. Sa performance en termes de bruit est relativement constante sur toute sa plage de charge.

Pour conclure notre exploration des régulateurs linéaires, revenons à la question centrale : quand faut-il utiliser un régulateur linéaire plutôt qu'un régulateur à découpage ? Comme nous l'avons vu, la réponse dépend d'un équilibre entre efficacité, bruit et gestion thermique. Les régulateurs linéaires sont le choix privilégié pour les applications où le faible bruit est crucial, en particulier dans les circuits analogiques sensibles. Cependant, leurs inconvénients en termes d'efficacité, surtout sous des charges élevées et des différences de tension d'entrée à sortie significatives, ne peuvent être ignorés.

Le parcours à travers ces 35 régulateurs linéaires a révélé un paysage fascinant de variances de performance. Même au sein de la même famille de composants, nous avons observé des différences qui pourraient avoir un impact significatif sur la performance et les considérations de conception de votre projet. Cela souligne l'importance des tests dans le monde réel et de ne pas se fier uniquement aux spécifications des fiches techniques.

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