Convertisseur Buck : dimensionnement des composants

 Régulateurs à découpage

Si vous n'avez encore jamais travaillé avec des convertisseurs à découpage, et d'autant plus si vous n'avez jamais choisi de composants pour ces derniers, l'affaire peut sembler un peu compliquée de prime abord.

La diversité et le nombre des circuits intégrés de commutation, les nombreuses fiches techniques et notes d'application associées, les réseaux de compensation, les calculs à rallonge, etc. Nombreux sont les obstacles qui ont pu se dresser en travers de votre chemin et qui vous ont peut-être poussé à privilégier des régulateurs linéaires moins complexes.

Bien que les régulateurs linéaires, tels que les LDO, aient certainement leur place dans de nombreuses conceptions, en tant qu'ingénieur de conception du XXI^e siècle, vous devrez forcément un jour vous confronter aux régulateurs de commutation.

Ces derniers sont par ailleurs un outil incroyablement précieux pour tout ingénieur électronique. Amélioration des capacités de puissance, efficacité, augmentation et réduction de la tension, isolation, etc. : ce ne sont que quelques-uns des nombreux avantages que les régulateurs à découpage peuvent vous offrir.

Dans la première partie de cette série d'articles, nous allons nous pencher sur le dimensionnement des composants du régulateur à découpage le plus commun : le convertisseur Buck.

Les articles suivants seront consacrés à d'autres topologies (telles que Boost), à la sélection et au dimensionnement des composants ainsi qu'au schéma de montage et au routage.

Cet article donne un aperçu très condensé des étapes à suivre. Pour plus d'informations, n'hésitez pas à visionner cette vidéo.

Présentation du convertisseur Buck

Nous allons donc aujourd'hui nous concentrer sur le convertisseur Buck, ou convertisseur abaisseur.

Comme son nom l'indique, ce convertisseur convertit une tension continue en une tension de plus faible valeur. Il s'agit de la topologie de régulateur à découpage la plus courante et son fonctionnement est étonnamment simple.

La topologie d'un convertisseur Buck est illustrée ci-dessus. Notez qu'il s'agit là d'un schéma de base, susceptible de varier.

Le commutateur S est généralement un MOSFET. Le contrôleur qui apparaît en dessous contrôle la tension appliquée à la grille via un driver de grille appropriée qui, pour faire simple, ouvre et ferme l'interrupteur.

Plus la durée d'activation de l'interrupteur est prolongée, plus la tension de sortie augmentera par rapport à la tension d'entrée.

Le réseau de sortie (inducteur L avec Cout) peut être considéré comme un filtre passe-bas destiné à réduire les harmoniques de commutation tout en stockant l'énergie lorsque l'interrupteur est éteint.

Nous avons besoin de la diode de redressement D dans le cas où l'interrupteur serait ouvert et où l'énergie est stockée dans l'inducteur. Sans cela, l'énergie stockée n'aurait nulle part où aller.

Enfin, la tension de sortie est détectée par le contrôleur via un réseau de retour (RFB1 et RFB2) et comparée à une référence interne. Cela permet au contrôleur de fonctionner avec une commande en boucle fermée.

Caractéristiques requises et choix du circuit intégré

Le dimensionnement d'un régulateur à découpage varie en fonction de l'application à laquelle il est destiné. Toutefois, il est nécessaire que les paramètres suivants soient définis (avec des exemples de valeurs indiqués) :

• Plage de tension d'entrée,
• Tension nominale de sortie,
• Courant de sortie (de charge) maximum.

Une fois ces informations connues, nous pouvons sélectionner un circuit intégré de convertisseur Buck adapté en utilisant la recherche de composants de distributeurs habituelle.

N'oubliez pas que certains circuits intégrés incluent le commutateur et la diode de redressement, alors que d'autres non.

Courant maximum de commutation

Une fois notre circuit intégré choisi, nous pouvons calculer la valeur de crête du courant au niveau du commutateur, de la diode et de l'inducteur. Il est important d'évaluer le courant au moins au niveau de ces composants.

Le calcul du courant maximal de commutation implique quatre étapes :

1. Déterminez le cycle de fonctionnement D, en fonction de la tension d'entrée V(In) et de sortie V(Out) ainsi que de l'efficacité d.
   D=V(Out)/(V(In)*d)
2. Calculez le courant d'ondulation de l'inducteur I(L,Ripple) à l'aide d'une valeur d'inductance moyenne L et de la fréquence de commutation f(SW) indiquée dans la fiche technique.
   I(L,Ripple)=(V(In)-V(Out))*D/(f(SW)*L)
3. Vérifiez si le circuit intégré Buck choisi peut fournir le courant de sortie maximal requis.
4. Enfin, calculez le courant de crête.
   I(SW,max)=I(Load)+0,5*I(L,Ripple)

Choix de l'inducteur

Le choix d'une valeur d'inductance appropriée est l'un des aspects clé de la conception d'un convertisseur Buck.

Nous devons concevoir pour le pire des cas, c'est-à-dire le plus petit courant de charge moyen attendu, ce qui se traduit par la plus grande inductance. Cela améliorera l'efficacité globale de notre régulateur.

Compte tenu de tous nos paramètres de conception connus, l'inductance minimale requise est égale à :

L(min)=V(out)*(V(in)-V(out))/(k*I(Load)*f(SW)*V(In))

k est un facteur généralement compris entre 0,2 et 0,4. Assurez-vous d'utiliser la tension d'entrée maximale attendue pour V(In).

Condensateurs d'entrée et de sortie

Calculer la valeur de la capacité électrique d'entrée et de sortie requise n'est pas une tâche facile.

Le choix du condensateur de sortie est généralement le plus important des deux, car il aura une influence directe sur la stabilité et l'ondulation de tension. Par chance, ces informations sont généralement indiquées dans la fiche technique.

Assurez-vous de vérifier les diélectriques et les tensions nominales des condensateurs.

Réseau de retour

Le réseau de retour, généralement constitué d'un diviseur de tension, détermine la tension de sortie.

Le circuit intégré choisi s'accompagnera d'une tension de référence de précision V(FB) (indiquée dans la fiche technique du circuit intégré) à laquelle cette tension de retour sera comparée.

Nous pouvons ensuite choisir nos résistances de rétroaction de manière à obtenir la tension de sortie souhaitée.

V(Out)=V(FB)*(1+R(FB1)/R(FB2))

L'ordre de grandeur des résistances de rétroaction est généralement compris entre plusieurs dizaines et centaines de kOhms. Veillez à utiliser des résistances avec une tolérance de 1 %. 
 
Cet article donne un très bref aperçu des calculs généralement impliqués dans le dimensionnement d'un convertisseur Buck. N'oubliez pas de visionner cette vidéo pour un exemple pratique et obtenir plus d'informations.

Découvrez bientôt un prochain article consacré à ce sujet, qui vous en apprendra davantage sur les bonnes pratiques de conception d'un régulateur à découpage avec Altium Designer.