Créer une alimentation Buck-Boost
Dans cette série d'articles, nous examinons la conception et la mise en œuvre des principaux types de régulateurs et de convertisseurs de puissance que vous pourriez utiliser dans un projet électronique. J'ai donné à un ingénieur diplômé que je mentorais une série d'exigences pour démontrer chacun de ces types et j'ai enregistré les résultats ici afin que vous puissiez travailler sur les mêmes exercices et, espérons-le, arriver aux mêmes résultats.
Le prochain régulateur à découpage est le dernier de notre série sur les régulateurs à découpage pour étudiants. Les exigences de conception de mon ingénieur diplômé étaient que l'alimentation électrique devrait être capable de maintenir une tension de sortie stable, même si la tension d'alimentation est supérieure ou inférieure à la tension de sortie requise. En d'autres termes, elle devrait être capable d'augmenter et de réduire la tension d'alimentation pour fournir une sortie stable pour le dispositif de charge. Ce type de régulateur à découpage est extrêmement utile, en particulier pour les dispositifs fonctionnant sur batterie ou les dispositifs avec plusieurs alimentations différentes entre lesquelles il bascule, selon les conditions définies ou le mode de fonctionnement requis.
Mes exigences pour cette conception étaient les suivantes :
- Plage de tension d'entrée de 3,0 à 4,2 V
- Tension de sortie 3,3 V
- Courant de sortie 200 mA
Plusieurs topologies peuvent être utilisées pour réaliser cette opération d'élévation et de réduction de tension à l'aide d'un seul régulateur. Dans cet article, nous discuterons des éléments suivants :
- Convertisseur Buck-Boost
- SEPIC
- Ćuk
- Flyback
Le convertisseur Buck-Boost est un type d'alimentation à découpage qui utilise à la fois les fonctionnalités des convertisseurs boost et buck dans un seul circuit. Une combinaison des circuits d'élévation et de réduction de tension peut fournir une tension de sortie stable sur une large gamme de tension d'alimentation d'entrée. De plus, les convertisseurs boost et buck utilisent des composants très similaires qui sont simplement réarrangés en fonction du type de convertisseur requis.
Dans le schéma ci-dessus, vous pouvez voir les similitudes des deux topologies. De plus, le même inducteur peut être utilisé pour les deux topologies :
Dans la topologie combinée Boost-Buck montrée dans le schéma ci-dessus, vous pouvez voir que l'unité de contrôle, qui est un oscillateur, PWM et contrôleur de rétroaction, a la capacité de sélectionner entre l'opération du convertisseur boost et l'opération du convertisseur buck.
Fonctionnement d'un convertisseur buck
En mode convertisseur abaisseur, le transistor de commutation TR2 est éteint, et le transistor de commutation TR1 est activé et désactivé par le contrôleur PWM à onde carrée utilisant une haute fréquence comme décrit dans la fiche technique du contrôleur.
Lorsque le transistor de commutation TR1 est en position ON, le courant circule à travers l'inductance L, énergisant son champ magnétique et chargeant ensuite le condensateur de sortie C et la charge de sortie. La diode Schottky D1 est éteinte par la présence d'une tension positive à sa cathode.
Lorsque le transistor de commutation TR1 est en position OFF, l'inductance L devient la source de courant tandis que son champ magnétique s'effondre, générant une FCEM et inversant la polarité de la tension à travers l'inductance L. Cela active la diode Schottky D1, permettant au courant de circuler à travers la diode Schottky D2 vers la charge de sortie.
Fonctionnement d'un convertisseur élévateur
En mode convertisseur élévateur, le transistor interrupteur TR1 est activé, et le transistor interrupteur TR2 est commandé par le contrôleur PWM en onde carrée pour s'activer et se désactiver. Lorsque le transistor interrupteur TR2 est activé, le courant d'entrée circule à travers l'inductance L et le transistor interrupteur TR2 vers la borne négative d'alimentation (masse), énergisant le champ magnétique de l'inductance L. Durant cette phase du cycle, la diode Schottky D2 ne peut pas conduire car son anode est maintenue au niveau de la tension de la borne de masse par le transistor interrupteur TR2 fournissant un chemin de conduction.
Durant cette période, la charge de sortie est entièrement alimentée par la charge retenue par le condensateur C, qui a été chargé lors des cycles précédents.
Lorsque le transistor interrupteur TR2 est désactivé, l'inductance L est énergisée, et le condensateur C est partiellement déchargé. Durant cette phase du cycle, l'inductance L génère une FCEM. L'énergie de la FCEM dépendra à la fois du taux de changement du courant lorsque le transistor interrupteur TR2 s'active et se désactive, et aussi de l'inductance.
À ce stade, la polarité à travers l'inducteur L est inversée, et la tension de FCEM (force contre-électromotrice) s'ajoute maintenant à la tension d'entrée, de sorte qu'elle est désormais supérieure à, ou au moins égale à, la tension d'entrée. La diode Schottky D2 est maintenant en position ON, et donc le circuit alimente la charge de sortie et charge le condensateur C afin qu'il soit prêt pour la prochaine phase du cycle où l'interrupteur à transistor TR2 est ON.
La fonction de transfert entre l'entrée et la sortie peut être exprimée par :
Fonctionnement d'un convertisseur SEPIC
Un SEPIC, ou Convertisseur Inductif Primaire à Extrémité Unique, est un type de convertisseur qui peut également réduire, augmenter, ou fournir une tension égale à celle de l'alimentation électrique à la charge de sortie. La topologie du convertisseur SEPIC est typiquement basée sur un convertisseur élévateur et un convertisseur abaisseur-élévateur inversé. Ce type de convertisseur est populaire pour les applications de batteries en raison de son efficacité et de sa fiabilité.
Lorsque le transistor commutateur S1 est activé, le courant circule à travers l'inducteur L1, et le courant à travers L2 devient négatif. L'énergie circulant à travers L1 provient de la source d'entrée. La diode D1 est activée, et le condensateur C1 fournit l'énergie électrique et augmente l'amplitude du courant circulant à travers l'inducteur L2. Cela augmente l'énergie stockée dans son champ magnétique, le courant étant fourni par le condensateur C2.
Lorsque le transistor commutateur S1 est désactivé, le courant circulant à travers le condensateur C1 devient égal au courant circulant à travers l'inducteur L1. Puisque les inducteurs ne permettent pas un changement de courant instantané, le courant circulant à travers l'inducteur L2 sera toujours dans une direction négative. Par conséquent, lorsque le transistor commutateur S1 est désactivé, l'énergie vers la charge de sortie est fournie par les inducteurs L1 et L2. Le condensateur C1 sera chargé pendant cette période par l'inducteur L1.
La fonction de transfert entre l'entrée et la sortie peut être exprimée par :
Fonctionnement d'un convertisseur Ćuk
Le convertisseur Ćuk (également appelé le convertisseur inversant à deux inductances) est un convertisseur SEPIC inversant avec une topologie flyback. Ce convertisseur est similaire aux autres de cette liste en ce sens qu'il est capable d'opérations d'élévation et de réduction de tension. L'énergie utilisée par le convertisseur est transférée au condensateur une fois que l'interrupteur à transistor est ouvert. Cela signifie que l'élément principal de stockage d'énergie dans le circuit du convertisseur Ćuk est le condensateur, contrairement à la plupart des autres topologies d'alimentation électrique à découpage où l'élément principal de stockage d'énergie est une inductance.
La topologie utilise soit deux inductances séparées, soit un seul composant appelé une inductance couplée.
Le convertisseur Ćuk se compose de deux inductances, deux condensateurs, un interrupteur à transistor et une diode. Ce convertisseur est de type inversant, ce qui signifie que la tension de sortie est négative par rapport à la tension d'entrée.
Le condensateur C1 est utilisé pour transférer l'énergie à haute fréquence. Il est connecté alternativement à l'entrée et à la sortie du convertisseur Ćuk entre un commutateur à transistor parallèle et une diode. Deux inductances, L1 et L2, sont utilisées pour transformer la source de tension d'entrée E et la source de tension de sortie U en sources de courant. Pendant un court instant, les inductances peuvent être considérées comme des sources de courant car elles sont capables de maintenir un courant constant. Charger le condensateur de sortie C2 avec la source de courant (l'inductance) est une méthode pour éviter la limitation de courant résistive et la perte d'énergie associée.
Le convertisseur Ćuk peut fonctionner en mode de courant continu, en mode de courant discontinu et en mode de tension discontinue.
La fonction de transfert entre l'entrée et la sortie peut être exprimée par :
Fonctionnement d'un convertisseur flyback
Un convertisseur flyback est un convertisseur à découpage DC-DC isolé qui peut élever ou abaisser une tension d'entrée. Ce convertisseur utilise une isolation galvanique pour séparer la sortie de l'entrée. Une inductance divisée est utilisée pour former un transformateur pour cette isolation.
Vous pouvez voir que la topologie du convertisseur DC-DC à rétroaction est assez similaire à celle du convertisseur boost-buck ; la différence est qu'un transformateur est utilisé à la place d'une inductance. Les principes de fonctionnement pour ces deux types de convertisseurs sont également très similaires.
Lorsque l'interrupteur est en position ON, la bobine primaire du transformateur est connectée à la source de tension d'entrée. Cela permet à l'intensité du courant dans la bobine primaire d'augmenter, et le champ magnétique autour de la bobine primaire stocke de l'énergie dans le transformateur. La tension induite dans la bobine secondaire est négative, ce qui signifie que la diode est polarisée en inverse, et le condensateur de sortie fournit la charge de sortie.
Lorsque l'interrupteur est en position OFF, le courant de la bobine primaire diminue, et le champ magnétique se réduit. La tension de la bobine secondaire est positive, et le courant circule à travers la diode polarisée en direct pour fournir de l'énergie au condensateur et à la charge de sortie.
La fonction de transfert entre l'entrée et la sortie peut être exprimée par :
Il existe d'autres types d'alimentations électriques à découpage DC-DC avec la capacité d'augmenter et de réduire les tensions, mais nous laisserons la discussion de ces derniers pour une autre fois.
Fonctionnement d'un convertisseur boost-buck
La topologie choisie par mon ingénieur diplômé pour cette tâche était un convertisseur boost-buck. Cependant, toutes les autres topologies que nous avons discutées seront également capables de réaliser l'opération requise pour cette tâche, vous pouvez donc expérimenter avec ces différentes topologies. Expérimenter avec différentes topologies et essayer d'obtenir les mêmes résultats peut sembler inutile au premier abord, mais ces exercices augmenteront significativement vos connaissances et votre compréhension des alimentations électriques. Le meilleur de tout, cela vous donnera un avantage si jamais vous êtes confronté à une tâche ou un emploi, ou un exercice universitaire/college, où vous devez choisir une alimentation pour un dispositif ou une application.
Le CI choisi par mon ingénieur diplômé était le Texas Instruments TPS63000, qui est un dispositif à prix moyen avec une tension de sortie ajustable positive et la capacité de maintenir 1.2 A de courant de sortie en mode abaisseur et 800 mA de courant de sortie en mode élévateur.
Ce CI a été choisi en raison de son bas prix, de sa bonne disponibilité, de son haute efficacité à la charge requise (jusqu'à 200 mA), il est assez bon marché et simple en termes de superposition de composants et de disposition de PCB.
Ce CI est conçu principalement pour les appareils portatifs alimentés par batterie, en particulier ceux alimentés par deux ou trois piles alcalines, NiCd, NiMH, ou une seule pile lithium-polymère ou lithium-ion.
Ce régulateur de CI peut être acheté chez la plupart des distributeurs de composants électroniques tels que Mouser, Digi-Key, Farnell, Arrow, Vertical, RS Components.
Le TPS63000 fait partie de la série TPS6300X de régulateurs boost-buck DC-DC qui ont une tension de sortie ajustable. Les deux autres dispositifs de cette série ont des tensions de sortie fixes de 3,3 V et 5 V. Nous avons choisi la variante à tension ajustable en raison de la flexibilité qu'elle offre. Avec juste quelques calculs supplémentaires et en changeant quelques composants, le régulateur peut facilement être converti d'une sortie de 3,3 V à une sortie de 5 V et vice-versa.
Ce régulateur de CI est équipé des fonctions d'activation du dispositif (EN), de verrouillage sous tension, de protection contre la surchauffe, et de mode d'économie d'énergie.
La fonction Activation du Dispositif (ou EN) permet de contrôler le régulateur, en le désactivant si nécessaire. Cette fonction utilise une broche EN dédiée, qui peut être mise à l'état haut lorsque l'opération du régulateur est activée et à l'état bas lorsque le régulateur doit être désactivé. Cette fonction peut être contrôlée par un MCU, un dispositif d'observation ou de supervision, ou en utilisant un simple transistor ou une porte logique.
Le verrouillage en sous-tension empêche le régulateur de démarrer lorsque la tension d'alimentation d'entrée est inférieure à la tension seuil du régulateur. Cette fonction évite un fonctionnement incorrect du régulateur lorsque la tension d'alimentation d'entrée est hors limites. Lorsque la tension d'alimentation d'entrée est dans les limites, le régulateur redémarre automatiquement.
La fonction de protection contre la surchauffe permet au régulateur de s'éteindre lui-même lorsque la température interne détectée dépasse un seuil défini, protégeant ainsi le circuit intégré et le reste du circuit.
Le mode d'économie d'énergie utilise une broche PS/SYNC dédiée. Avec la broche mise à l'état haut, le mode d'économie d'énergie est désactivé, et avec mise à l'état bas, il est activé. Connecter un signal d'horloge à cette broche nous permettra de mettre en œuvre une synchronisation de fréquence.
Conception schématique
Vous verrez que la conception schématique n'était pas compliquée car à la fois la conception du circuit et les composants requis étaient recommandés dans la fiche technique du dispositif.
Comme d'habitude pour la première étape, la tension de sortie a été réglée à 3,3 V en utilisant la formule suivante donnée dans la fiche technique :
Toutes les valeurs des variables peuvent être trouvées dans la fiche technique. La tension de retour VFB est d'environ 500 mV, et notre tension de sortie requise VOUT est de 3,3 V. La résistance R2 doit être inférieure à 500 kΩ, donc pour commencer, la valeur choisie était de 200 kΩ.
La valeur initialement calculée de R1 était de 1,12 MΩ. Pour plus de commodité, cette valeur a été modifiée pour être de 1 MΩ et en utilisant cette valeur, la valeur calculée de R2 devient 178 kΩ.
La fiche technique recommandait également d'ajouter un condensateur de feedforward supplémentaire Cff en parallèle avec R2 pour fournir un retour plus stable et améliorer la performance de contrôle. La formule pour calculer le condensateur de feedforward était également fournie dans la fiche technique comme suit :
Ainsi, en utilisant cette équation, la valeur du condensateur calculée était de 2,2 pF.
La fiche technique inclut également quelques recommandations d'inductances ; cependant, mon ingénieur diplômé a décidé de calculer et de sélectionner l'inductance par lui-même. La formule requise était également donnée dans la fiche technique :
D'abord, le cycle de travail du mode boost a été calculé :
Comme il s'agit du cycle de travail en mode boost, la valeur de la tension d'entrée Vin utilisée doit être la plus basse tension de fonctionnement à laquelle le convertisseur fonctionnera dans l'application. Dans notre cas, il s'agit de 3,0 V. La tension de sortie Vout est de 3,3 V.
Maintenant, comme nous avons calculé le cycle de travail en mode boost, les autres variables sont :
La fréquence de commutation du convertisseur f = 2,5 MHz
La valeur de l'inductance peut être modifiée au cours des calculs, mais nous commençons avec une valeur de 2,2 uH, comme cela était recommandé dans la conception du circuit de la fiche technique.
Le courant de sortie a été choisi à 300 mA pour fournir une marge d'erreur suffisante.
L'efficacité du convertisseur a été choisie à 0,94. Cela a été lu à partir des courbes d'efficacité fournies dans le graphique de la fiche technique :
La valeur lue sur le graphique est approximative, mais n'ayez pas peur d'utiliser des valeurs approximatives en ingénierie car toute conception électronique est basée sur l'utilisation de marges et de valeurs approximatives.
En utilisant ces valeurs, le courant de pointe de l'inducteur calculé est :
L'inducteur LQH31CN2R2M03L produit par Murata a été choisi. Son inductance est de 2,2 uH, son courant nominal est de 430 mA, et il a la même petite taille qu'un SMD 1206.
Le condensateur d'entrée, suivant les recommandations de la fiche technique, devrait être d'au moins 4,7 uF, et la valeur du condensateur de sortie devrait être d'au moins 15 uF. Cependant, ces valeurs peuvent être augmentées au-delà de ces recommandations car cela réduira l'ondulation de tension d'entrée et de sortie. Mon ingénieur diplômé a choisi pour cette application d'utiliser un condensateur de 10 uF pour l'entrée et deux condensateurs de valeurs de 10 uF et 22 uF pour la sortie.
Il y a aussi un filtre passe-bas RC supplémentaire pour la broche d'alimentation de contrôle VINA. Les valeurs du filtre RC pour la résistance et le condensateur ont été prises de la fiche technique.
Les connecteurs choisis cette fois étaient des blocs de jonction à bande disponibles chez Molex.
Ces connecteurs sont faciles à souder et peuvent être utilisés avec des fils à connecteur femelle, qui sont facilement disponibles partout et peuvent transporter 200 mA de courant sans problème.
Tous ces choix ont conduit à ce schéma conçu pour le régulateur boost-buck TPS63000 DC-DC :
Conception de PCB
Vous verrez que la conception du PCB était également assez simple pour cet exercice. Les recommandations ont été prises à partir de la fiche technique, et seuls des changements de conception minimaux étaient nécessaires.
Le placement des composants a d'abord été effectué selon les recommandations de la fiche technique :
Comme nous avons deux masses séparées pour la masse d'alimentation PGND et la masse du circuit de contrôle GND, qui sont connectées avec le composant Net Tie, le Net Tie a été placé en bas près de la broche GND :
L'étape suivante dans la disposition du PCB était de router manuellement les pistes. Cette technique permet un contrôle plus facile du flux de courant dans le PCB et peut montrer de nombreux détails.
Les considérations thermiques pour la conception du PCB n'étaient pas très strictes car la conception était prévue pour des applications à courant de sortie
En calculant la dissipation de puissance à 3,3 V avec une sortie de 200 mA, plus l'inclusion des pertes de dissipation résultant d'une efficacité d'environ 90 %, nous obtiendrons :
De larges polygones ont été utilisés pour les pistes d'entrée et de sortie, ainsi que pour les plans de masse en haut et en bas. Ils ont été évalués comme étant plus que suffisants pour l'application.
Les polygones de puissance ont ensuite été ajoutés :
Enfin, les plans de masse ont été ajoutés aux couches supérieure et inférieure :
Conclusion
Il existe de nombreuses applications dans les gadgets électroniques modernes où la capacité combinée à augmenter et à diminuer une tension dans un seul régulateur est requise. Cela est particulièrement nécessaire pour les applications sur batterie, car la tension de la batterie a tendance à diminuer pendant la décharge. D'autres applications pourraient être les supercondensateurs ou un régulateur capable de fonctionner à partir de plusieurs alimentations, par exemple, utilisant habituellement une batterie mais passant à une alimentation USB lorsqu'il est connecté pour recharger la batterie.
J'ai discuté de plusieurs topologies différentes disponibles pour les régulateurs de tension à élévation et à réduction. Cela inclut un convertisseur boost-buck non isolé, un convertisseur SEPIC, un convertisseur Ćuk, et un convertisseur flyback isolé. Celui que vous devriez choisir dépendra de l'application, du budget, de toute difficulté de circuit ou opérationnelle, de la disponibilité, et de nombreux autres aspects. Expérimenter avec l'utilisation de différentes topologies pour vos applications peut être une excellente idée car cela développe votre connaissance à leur sujet. Il se pourrait bien qu'un jour, on vous demande de concevoir un circuit nécessitant un tel régulateur ; il vous sera plus facile de choisir entre ces topologies si vous les avez toutes déjà essayées.
La conception des composants de cette application n'était pas compliquée car la fiche technique comprend des explications, recommandations et directives assez claires. Cependant, dans d'autres situations, vous pourriez trouver que la conception de circuits pour des régulateurs à élévation et à réduction de tension peut nécessiter des circuits très compliqués, impliquant de nombreux calculs et un choix minutieux des composants. D'autres topologies peuvent également nécessiter l'utilisation de plus de composants inductifs, ce qui tend à augmenter la complexité du circuit et le coût de mise en œuvre du design.
Vous avez vu que la conception du PCB pour ce convertisseur était également relativement facile car la fiche technique fournissait la recommandation de disposition, qui a été facilement adaptée. Cependant, pour les applications avec des courants de charge plus élevés, la conception du PCB peut devenir très compliquée en raison des exigences de gestion thermique plus complexes. De plus, pour les applications nécessitant des courants plus élevés, il sera nécessaire de considérer les effets EMI.
Vous pouvez trouver les fichiers de conception de nombreux de mes projets publiés sous la licence open-source MIT sur GitHub. Vous êtes libre d'utiliser n'importe lequel des circuits ou projets comme vous le souhaitez, même pour des projets commerciaux. Vous trouverez les détails des dispositifs dont nous discutons dans ma vaste bibliothèque open-source Altium Designer Library. Vous trouverez également les détails d'une énorme gamme de différents composants contenus dans cette bibliothèque également.
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