Simulation de convertisseur Buck dans Altium Designer

Tout nouveau circuit imprimé que vous souhaitez créer nécessite une source d'alimentation, et la puissance que vous devez fournir est souvent issue d'une source non régulée qui génère plus de bruit. Une sortie d'un redresseur double alternance contiendra par exemple une ondulation résiduelle au niveau du port de sortie. Il peut également s'agir du bruit d'un convertisseur en amont. Dans d'autres cas, vous utiliserez la puissance d'une batterie, et la sortie tension/courant de la batterie change avec le temps ou en fonction de la température.

Quelle que soit la situation, il est généralement possible de trouver un convertisseur CC-CC ou un LDO approprié auprès d'un distributeur, et vous pouvez facilement l'ajouter à votre carte. Lorsque vous concevez des circuits haute puissance (généralement à très haute tension et/ou à intensité de courant élevée), vous devez créer un régulateur de toute pièce et le placer sur le routage de votre circuit imprimé. Lors de la conception d'un convertisseur Buck, vous pouvez facilement exécuter une simulation de convertisseur Buck directement dans l'éditeur de schémas d'Altium Designer. Voici comment accéder à ces fonctionnalités dans la toute dernière version d'Altium Designer.

Démarrage d'une simulation de convertisseur Buck

L'éditeur de schémas d'Altium Designer comprend un moteur SPICE qui permet de créer des simulations directement à partir de vos données de conception. D'autres plateformes fournissent des outils similaires, mais elles vous obligeront à exporter vos données de conception et de simulation vers un programme externe d'analyse à un moment donné. En revanche, dans Altium Designer, vous pouvez tout faire, y compris saisir immédiatement votre schéma en tant que nouveau schéma de circuit imprimé.

Une fois le circuit de votre convertisseur Buck achevé, vous pouvez accéder aux outils de simulation de l'éditeur de schémas. Vous devrez suivre les étapes suivantes pour exécuter une simulation de convertisseur Buck pour votre circuit :

1. Définir vos sources de tension. Il suffit d'utiliser la bibliothèque de composants Simulation Sources.IntLib du panneau des composants pour avoir accès à toute une série de sources de simulation. Vous devez simuler une entrée CC (ou une entrée CA redressée) et une source de modulation de largeur d'impulsion (MLI) pour la commutation du MOSFET côté haut (voir ci-dessous pour plus d'informations).
2. Placer des sondes pour effectuer pour les mesures souhaitées. Le moteur SPICE d'Altium Designer renvoie le courant, la puissance et les tensions de différents signaux et composants individuels. Vous pouvez également placer des sondes de tension, de courant ou de puissance sur votre schéma pour recueillir des mesures sur des nœuds ou des composants spécifiques.
3. Créer un profil de simulation. Ouvrez l'éditeur de schémas et cliquez sur le bouton « Simulate » dans la barre du menu principal. Vous pouvez maintenant accéder à toutes les fonctionnalités de simulation SPICE en cliquant sur « Edit MixedSim Profile ». Vous pouvez renommer votre profil selon votre choix et configurer un certain nombre d'autres paramètres.

L'objectif d'une simulation de convertisseur Buck est d'analyser la façon dont le rapport cyclique du signal de MLI, la charge et tout autre composant affectent la puissance de sortie de votre convertisseur Buck. Vous devez également analyser l'ondulation, idéalement avec une source de courant alternatif et un pont redresseur. Il est conseillé de commencer par la topologie de base du Buck (voir ci-dessus) et d'ajouter d'autres fonctionnalités après avoir choisi les composants appropriés.

Modélisation de la source de MLI

Il est possible de modéliser la source de MLI à l'aide d'une source pulsée. J'ai placé une source de tension sur le schéma ci-dessus, mais vous devez alimenter la grille du MOSFET par un courant spécifique. Dans une simulation, vous pouvez placer une source de courant en VPULSE ou placer une résistance en série avec VPULSE. Les deux méthodes peuvent être utilisées pour définir une source de MLI permettant de commuter le MOSFET.

Notez que toutes les sources de courant alternatif ou de commutation ont un courant maximum qui peut être absorbé par un appareil en aval, donc ce n'est pas une mauvaise idée d'utiliser une source de courant contrôlée par tension pour analyser le comportement du circuit de votre convertisseur d'alimentation. Vous pouvez afficher les informations de simulation de la source de tension du panneau Properties pour régler la fréquence de commutation et le rapport cyclique. Il suffit de régler la largeur d'impulsion (rapport cyclique) et la période (fréquence) pour ajuster votre source de MLI modélisée (voir les paramètres ci-dessous).

Dans les paramètres de simulation ci-dessus, j'ai utilisé un front d'impulsion adapté de 100 ns qui monte lentement. C'est suffisant pour effectuer la modélisation, car la largeur et la période d'impulsion sont beaucoup plus grandes. Une fois la source de MLI définie, vous pouvez activer certaines analyses dans votre profil de simulation.

Éléments à analyser lors d'une simulation de convertisseur Buck

Dans une simulation de convertisseur Buck, l'élément important à prendre en compte est le comportement en régime transitoire. Il n'est pas nécessaire d'aller jusqu'à l'analyse des pôles et des zéros car vous pouvez prouver, en vous basant simplement sur la contre-réaction des transistors, que la sortie du convertisseur Buck va entrer dans un cycle limite. Il vous suffit donc d'analyser comment le signal oscillant de MLI transforme la tension de sortie. Il est préférable de faire cela dans le domaine temporel en utilisant une simple analyse en régime transitoire.

Notez qu'à moins d'avoir placé des filtres d'IEM sur l'entrée / la sortie et d'utiliser un circuit PFC, il n'y a aucune raison d'extraire la fonction de transfert tant que l'inductance est de la taille correcte. Pour obtenir le courant d'ondulation souhaité, la taille d'inductance requise, les paramètres de MLI et les tensions d'entrée doivent correspondre à l'équation suivante :

Une fois encore, vous travaillez généralement avec des fréquences suffisamment basses pour ne pas avoir à vous soucier des effets de la limitation de bande passante dans votre FET. Pour en savoir plus sur la sélection de la bonne fréquence de MLI et des vitesses de transmission appropriées, consultez cet article.

Passage à l'étape de votre routage avec la saisie de schémas

Si vous êtes satisfait du circuit de votre convertisseur d'alimentation et que vous êtes prêt à le raccorder au reste de votre système, plusieurs possibilités s'offrent à vous :

• Intégrer votre circuit dans des schémas hiérarchiques. Si vous disposez d'un schéma de niveau supérieur, vous pouvez importer le convertisseur dans un système plus vaste en utilisant les fonctionnalités de conception hiérarchique d'Altium Designer. Cliquez ici pour voir comment cela fonctionne pour les systèmes complexes.
• Créer un routage de PCB. Si le convertisseur fonctionne de manière autonome, il vous suffit d'utiliser l'outil intégré de saisie de schémas pour créer votre routage. Cliquez ici pour consulter le guide sur la création d'un nouveau routage à partir de votre schéma.

Lorsque vous êtes prêt à effectuer le routage de votre nouvelle carte, il vous suffit de créer un PCB et d'utiliser l'outil intégré de saisie des schémas pour importer vos composants dans un nouveau routage. Vous pouvez maintenant commencer à organiser les composants de votre nouveau routage.

Si vous connaissez déjà les convertisseurs de commutation, vous savez qu'ils peuvent générer un bruit important dans vos circuits. Le mécanisme de base repose sur un puissant champ magnétique lors de la commutation du FET, qui induit ensuite un courant quelque part dans le circuit en aval. Le second mécanisme est un problème d'ondulation, qui peut se propager à travers le convertisseur et produire un bruit à la sortie. Les IEM induites n'importe où dans le circuit de votre convertisseur Buck, que ce soit en raison du bruit engendré par les commutations ou d'une source RF externe, peuvent se produire sur le signal de sortie si l'étage de sortie n'est pas isolé. Pour en savoir plus sur la suppression du bruit des convertisseurs de commutation, consultez cet article.

Si vous avez besoin d'avoir accès aux meilleurs outils de conception de circuits, de simulation et de routage de PCB au monde, essayez d'utiliser la gamme complète des fonctionnalités de conception d'Altium Designer®. Vous aurez tout ce dont vous avez besoin pour créer une nouvelle carte pour votre convertisseur CC-CC, effectuer une simulation de convertisseur Buck et trouver les composants de votre carte. La fonctionnalité Manufacturer Part Search vous permet de vous procurer les modèles de composants dont vous avez besoin pour votre conception directement auprès des principaux distributeurs et fabricants de composants.

En permettant aux concepteurs de travailler de chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent, la solution Altium Designer disponible sur Altium 365  offre à l'industrie électronique un degré d'intégration inégalé qui était jusqu'à présent réservé au secteur informatique.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page produit pour obtenir une description plus détaillée des fonctionnalités ou visionner l'un des webinaires à la demande.