Régulateur de convertisseur Buck ou régulateur à faible chute de tension pour DC, AC et RF : quel est le meilleur ?

C’est une question tellement basique qu’on oublie souvent d’y répondre : quand faut-il utiliser un régulateur à faible chute de tension (LDO) plutôt qu’un régulateur buck ? Certains aspects importants du choix d’un LDO par rapport à un convertisseur buck sont les types de composants alimentés, le courant total tiré du régulateur et la tolérance à la chaleur des composants.

Dans un article précédent, j’ai examiné certains des facteurs qui limitent l’efficacité des LDO, notamment la construction du composant et la façon dont il réagit à une tension d’entrée plus élevée que son niveau de chute. Avec un convertisseur buck, ce problème est moindre. Cependant le taux de modulation ON/OFF des éléments de commutation est également un point important à prendre en compte. Il s’agit de questions complexes liées à la structure des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde aussi appelé MOSFETs que nous n’allons pas détailler dans cet article. Nous vous proposons d’examiner plusieurs cas dans lesquels vous pouvez opter pour un convertisseur buck au lieu d’un LDO comme étage de sortie final dans une stratégie de régulation de puissance.

Comparaison entre un convertisseur buck et un LDO

Si vous souhaitez utiliser un convertisseur buck ou un LDO pour certaines parties de votre système, ou pour alimenter l’ensemble de votre carte, vous devez prendre en compte le type de composants que vous devez alimenter et la quantité d’énergie qu’ils consomment. Voici les principaux points auxquels vous devez penser lors de la sélection des composants du régulateur et de la conception de vos circuits:

Chacun de ces aspects des circuits régulateurs joue un rôle important dans différents types de circuits. Pour mieux comprendre ces différences, examinons trois systèmes typiques : CC (courant continu), circuits analogiques et RF (radio fréquence).

Circuits CC

Travailler en CC ou courant continu est facile tant que la tension d’entrée à réguler est proche de la tension de sortie dont vous avez besoin. Si vous travaillez en courant continu, les LDO sont généralement le meilleur choix. Mais pour opter pour les LDO, vous devez travailler à faible courant, ou avec une tension différentielle minimale au-dessus de la tension de perte. Ainsi, il existe deux cas où les LDO sont la meilleure option :

1. Un différentiel faible sur une gamme de courants. Dans le pire des cas, lorsque vous optez pour un courant élevé, vous allez générer beaucoup de chaleur et la température du dispositif deviendra alors trop élevée ;
2. Un différentiel élevé, mais avec un faible courant. Il s’agit également d’un problème d’efficacité et de dissipation de chaleur.

Si vous faites fonctionner un LDO en dehors de ces limites, vous risquez de surchauffer le dispositif, ce qui provoquera une panne. Dans ce cas, optez pour un convertisseur buck, notamment lorsque vous travaillez avec un différentiel d’entrée-sortie élevé.

Pour un processeur numérique plus rapide, comme l’une des variantes plus rapides du MSP430 ou du STM32, vous aurez des problèmes d’intégration de l’alimentation si vous n’utilisez pas de plan d’alimentation. Cela peut entraîner des fluctuations de tension supérieures à 100 mV sur le rail d’alimentation. Cependant, ces fluctuations sont généralement assez faibles et la régulation du LDO est maintenue. La situation est différente si vous avez plusieurs circuits numériques intégrés dans des blocs différents qui consomment tous un courant important. Il est alors conseillé de séparer les composants en différents étages parallèles.

Circuits analogiques

Un LDO est également très utile pour alimenter un circuit analogique, car ce type de dispositif a un faible bruit de sortie. J’ai déjà utilisé un LDO de quelques Watts de puissance dans des circuits CC et analogiques. Cependant, ce type d’installation nécessite l’ajout d’un dissipateur thermique au boîtier pour réguler la chaleur due au courant élevé et au différentiel. L’analogique est un défi, car les circuits sont sensibles au bruit. Il est donc préférable d’utiliser un LDO. En effet, les composants basiques produisent généralement 50 à 60 dB en sortie de puissance. Si vous devez alimenter des circuits analogiques de forte puissance avec une alimentation CC, un régulateur buck est préférable. Cela nous incite à réfléchir à de nouvelles stratégies à mettre en place dans la conception des alimentations RF.

Circuits et composants Radio Fréquence (RF)

Les systèmes RF tels que les amplificateurs peuvent être alimentés par un LDO, bien que les problèmes de l’efficacité et de la production de chaleur se posent. Pour les systèmes de faible puissance, comme un module WiFi (par exemple, ESP32 ou SimpleLink), un LDO est parfait, car il fonctionne à une puissance modérée. Si vous avez des problèmes de chauffe ou besoin d’une puissance élevée pour des signaux modulés, vous devrez utiliser un convertisseur buck.

La construction de systèmes RF avec un convertisseur buck CC peut être un défi. Le principal problème est le bruit. Cependant de nombreux circuits intégrés RF (comme un MCU avec une radio intégrée) ont un LDO intégré qui assure la régulation. Il suffira donc de fournir une alimentation sans bruit aux broches d’alimentations. Vous pouvez employer un filtrage passif sur la sortie avec un condensateur et une inductance pour aider à stabiliser la sortie CC.

Si vous devez travailler à haute puissance et à haute fréquence tout en utilisant des signaux modulés, sachez qu’il s’agit d’un sujet plus avancé qui nécessite un article à part entière. J’en parlerai très prochainement.

Passer d’une alimentation de banc à une carte réelle

Si vous utilisez une alimentation de banc régulée et que vous la branchez directement sur un module ou une carte de développement, il n’y aura pas de problème. Les alimentations de banc sont spécifiquement conçues pour être multifonctionnelles et fournir un faible bruit de commutation par le biais de diverses techniques (fonctionnement multiphase, fréquences de la modulation de largeur d’impulsions plus élevées, grandes ferrites, etc.). Cependant, si vous souhaitez construire une carte personnalisée, vous avez besoin d’outils pour vous aider à élaborer vos schémas de régulation de puissance. Ces outils vous permettent également de créer la disposition de vos circuits.

Une fois que vous avez décidé d’utiliser un convertisseur buck ou un LDO et que vous êtes prêts à créer votre circuit imprimé, vous aurez accès à un ensemble complet de fonctions de mise en page et de routage dans CircuitMarket. Les utilisateurs peuvent créer des schémas détaillés pour les circuits de régulation de puissance et transférer instantanément leurs données dans un nouveau schéma de circuit imprimé. Tous les utilisateurs de CircuitMaker ont également accès à un espace de travail personnel sur la plateforme Altium 365. Ils peuvent télécharger et stocker des données de conception dans le cloud et visualiser facilement les projets via un navigateur Web dans une plateforme sécurisée.

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