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Au cours des dernières décennies, l'augmentation de l'efficacité énergétique est devenue un défi clé dans la conception électronique, particulièrement dans le domaine des dispositifs alimentés par batterie et des alimentations électriques. Bien que couramment employées, les méthodes traditionnelles de redressement de tension et de protection contre la polarité inverse sont loin d'être idéales en raison de pertes de puissance significatives, qui augmentent les besoins thermiques et imposent des contraintes de conception.
Cet article se concentre sur une approche innovante de cette question, à savoir l'utilisation de MOSFETs en tant que diodes de redressement de substitution. Ces transistors, utilisés comme des diodes idéales, offrent une réduction significative des pertes de puissance et éliminent le besoin de systèmes de refroidissement complexes et coûteux. Dans la première partie, nous nous concentrerons sur l'utilisation de MOSFETs au lieu de diodes dans les circuits d'entrée visant à protéger les systèmes contre la polarité inverse. Dans la deuxième partie, nous analyserons également comment les avancées supplémentaires dans les techniques de contrôle des MOSFET peuvent révolutionner la conception des alimentations électriques, conduisant à des systèmes avec une efficacité énergétique encore plus grande et des dimensions plus petites.
Dès le début du développement des dispositifs mobiles alimentés par batterie, un défi pour les concepteurs a été d'assurer une protection efficace contre la polarité inversée tout en minimisant la perte de puissance. L'approche classique de la protection contre la polarité inversée implique l'utilisation d'une diode de redressement en série avec l'alimentation électrique, comme présenté sur la Figure 1. Ces diodes, placées dans le circuit d'alimentation, permettent au courant de ne couler que dans une direction, empêchant ainsi les dommages causés par une polarité inversée. Le premier pas vers l'optimisation, améliorant l'efficacité d'environ 50 %, a impliqué le remplacement de la diode de redressement par une diode Schottky, ce qui a réduit la chute de tension de 0,6-0,7V à environ 0,3-0,4V. Bien que cette méthode soit couramment utilisée, elle présente des inconvénients, tels que des chutes de tension et des pertes de puissance. Malgré le développement de diodes spécialisées pour les applications sur batterie avec une chute de tension de 250-300mV (à faibles courants), la solution classique est encore loin d'être optimale.
Figure 1 : Protection classique contre la polarité inversée
L'approche présentée dans la Figure 1 était acceptable pendant longtemps pour les dispositifs alimentés par batterie à efficacité énergétique, les pertes de puissance étant en quelque sorte "intégrées aux coûts" de tels dispositifs. Cependant, cette solution était totalement inadaptée pour les dispositifs plus gourmands en énergie. Parmi ces dispositifs, on trouve divers équipements automobiles conçus pour l'auto-installation, tels que les radios CB, les systèmes audio de voiture et les systèmes multimédias. Dans ces cas, il était courant d'utiliser une diode d'entrée en parallèle avec le récepteur alimenté, comme le montre la Figure 2. Malheureusement, cette configuration ne fournissait pas une protection à 100% contre les dommages du circuit en cas de polarité incorrecte.
Figure 2 : Protection contre la polarité inversée utilisée dans les dispositifs à fort courant
Avec la popularisation et la disponibilité des transistors MOSFET, une solution efficace a émergé sous la forme d'un MOSFET utilisé dans une configuration de diode, comme le montre la Figure 3.
Figure 3 : MOSFET comme protection contre la polarité inversée :
A) Utilisation d'un MOSFET à canal P B) Utilisation d'un MOSFET à canal N
La configuration de diode idéale offre une faible chute de tension, déterminée par la valeur RDS(ON) du transistor et le courant de charge. Par exemple, avec un courant de 1 A et un RDS(ON) = 10 mΩ, la chute de tension à travers le transistor n'est que de 10 mV. Cette valeur est négligeable par rapport à la chute de tension à travers une diode classique (600 mV) ou une diode Schottky (350 mV).
La configuration présentée dans la Figure 3, utilisant un transistor MOSFET, présente un inconvénient qui n'est pas significatif du point de vue de la protection contre la polarité inverse des dispositifs, mais rend impossible de qualifier la configuration ci-dessus de diode idéale. Si une tension capable d'ouvrir le MOSFET apparaît du côté de la charge, alors une tension apparaîtra à l'entrée. Par conséquent, lors de l'utilisation d'une batterie ou de grandes capacités du côté de la charge (comme montré dans la Figure 4), un circuit supplémentaire ou un pilote dédié disponible sur le marché est nécessaire.
Figure 4 : Le circuit cesse de fonctionner lorsque une grande capacité ou une tension capable d'ouvrir le transistor apparaît du côté de la charge
Sur le marché, nous pouvons trouver de nombreuses solutions prêtes à l'emploi qui agissent comme des contrôleurs pour des diodes idéales, telles que :
Si les méthodes traditionnelles de protection contre la polarité inverse ont rempli leur fonction, l'utilisation de MOSFETs présente une alternative plus efficace et efficiente, ouvrant la voie à des avancées dans la conception des alimentations et l'efficacité énergétique. Pour une protection classique contre la polarité inverse, comme dans les dispositifs alimentés par batterie ou ceux alimentés par une source externe, un circuit simple utilisant un seul transistor MOSFET est suffisant. Cependant, pour augmenter la fiabilité et pour maintenir les propriétés d'une diode placée à l'entrée, il est nécessaire d'utiliser des circuits plus avancés disponibles sur le marché de nombreux fabricants à des prix très bas.