Régulateur de tension : linéaire ou à découpage ?

Un condensateur vous a-t-il déjà explosé à la figure ? 

C'est ainsi que ma carrière de concepteur électronique a démarré. J'ai également mal calculé le budget de consommation électrique de ce qui était initialement censé être un « simple » projet. 

J'ai terminé avec un prototype de circuit imprimé doté d'un régulateur de tension brûlant sur lequel on aurait facilement pu faire cuire un œuf... Ou pire encore.

Depuis, j'ai réalisé que l'élégance et la sophistication importent peu en matière de conception de circuits imprimés. 

Si vous faites une erreur lorsque vous configurez les circuits de gestion de l'alimentation, votre circuit imprimé est pour ainsi dire inutile. Le calcul du budget de la consommation électrique, la température ambiante, et, dans mon cas, le choix d'un composant essentiel de gestion de l'alimentation, comme un régulateur de tension, peuvent assurer le succès ou causer la perte de votre projet de circuit imprimé.

À quoi sert un circuit de gestion de l’alimentation dans un système embarqué ?

En plus de dix ans passés à concevoir des systèmes embarqués, j'ai pu constater une évolution fulgurante des microcontrôleurs. Nous sommes passés du légendaire Zilog au processeur moderne Cortex M4. 

Des technologies telles que le Bluetooth LE et ZigBee ont contribué à révolutionner un peu plus le secteur des systèmes embarqués. Toutefois, le circuit électrique doit être parfaitement conçu. 

Si ce n'est pas le cas, ces petits composants technologiques très cool ne sont que de « pièces » qui finissent par sentir très mauvais lorsqu'elles commencent à grésiller, à fondre, puis à brûler. 

Si l'on oublie quelques instants le condensateur, on peut alors se concentrer sur le régulateur de tension, qui se trouve au cœur d'un circuit électrique parfaitement conçu. Comme son nom l'implique, celui-ci fournit une source stable de tension qui permet au système embarqué de fonctionner en toute stabilité. 

Les régulateurs de tension dans les PCB reçoivent une entrée à haute tension avant de diminuer, puis de stabiliser la tension à un niveau requis pour le bon fonctionnement du dispositif électronique. 

Avant que les composants 3,3 V ne deviennent populaires, nous étions limités aux microcontrôleurs de 5 V (MCU) et aux circuits intégrés (IC). 

Le LM7805 était un numéro de pièce bien connu à l'époque, car il correspondait à un simple régulateur de tension linéaire de 5 V. Sa simplicité le rend toujours aussi populaire aujourd'hui. 

Lorsque le 3,3 V est devenu une tension de fonctionnement courante, le LM1117-33 est devenu un régulateur de tension linéaire relativement efficace.

Limites des régulateurs de tension linéaires

À une certaine époque, les circuits intégrés ont eu la capacité de s'adapter à une tension de 3,3 V, et parallèlement, les microcontrôleurs ont connu une phase d'évolution rapide. 

Les anciens concepteurs se sont concentrés sur le nombre d'entrées/sorties d'un microcontrôleur. 

Ils se sont ensuite intéressés au nombre de fonctionnalités intégrées, telles que les technologies UARTS, Ethernet, USB, ainsi qu'à la capacité de traitement croissante. 

Finalement, les régulateurs de tension linéaires ont été poussés au maximum de leurs limites. 

Ces dissipateurs thermiques pratiques refroidissent les régulateurs de tension dans les PCB      

Lorsqu’elles avaient affaire à des régulateurs de tension linéaires, de nombreuses personnes commettaient une erreur de débutant : définir un courant nominal absolu. 

C’était un problème majeur, car le régulateur de tension LM7805 est spécifié comme étant à 5 V, 1,5A. 

Cela ne signifie cependant pas qu'il est capable de gérer ce niveau de tension sans faire fondre quelques composants, au mieux, ou prendre feu en cours de route. 

Au moins trois paramètres supplémentaires sont à prendre en compte avant de sélectionner un régulateur de tension linéaire.        

Bien choisir un régulateur de tension linéaire

Le niveau de puissance dissipée se calcule en fonction de la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie. On peut ensuite multiplier ce chiffre par le courant de charge. Si vous convertissez la tension de 12 V à 5 V et que votre système intégré consomme 100mA, cela signifie que la puissance dissipée est de 0,7W.      

Ceci étant dit, on peut noter que le LM7805 est capable de fonctionner à une température supérieure à 125 °C. Au-delà de cette limite, on commence à constater des phénomènes indésirables tels que la fonte et la combustion des composants.

Mais un LM7805 typique dans un package TO-220 peut résister à une température de 65 °C/W. Cela signifie que pour chaque watt, on constate une augmentation de 65 °C en plus de la température ambiante. 

Dans certaines régions, la température moyenne est de 35 °C, ce qui implique que le LM7805 fonctionne à 100 °C, température légèrement inférieure à la limite maximale autorisée. 

Toutefois, vous disposez de moins de 10 % du courant nominal maximal de 1,5A. 

Régulateur linéaire vs. régulateur à découpage (ou de commutation)

Les caractéristiques du régulateur de tension linéaire ne font pas de lui le candidat idéal en termes de systèmes à exigences de puissance élevée, car la chaleur générée peut endommager le régulateur dans les PCB ou détériorer les composants voisins. 

Ceci a ravivé l'intérêt porté aux régulateurs à découpage, également appelés régulateurs de commutation.      

Comme son nom l'indique, le régulateur à découpages' allume et s'éteint à un rythme très rapide, ce qui offre une source d'énergie stable et efficace.      

Il peut dissiper la chaleur très efficacement, ce qui permet de réduire la température, ainsi que les risques de défaillance.  

Les régulateurs à découpage (ou de commutation) sont très efficaces en tant que régulateur de tension dans les PCB

J'ai utilisé le LM2576, un régulateur à découpage populaire qui fonctionne à 75 % de son efficacité lorsqu'il convertit une tension de 3,3 V. Il produit une partie de la chaleur que vous pouvez constater avec un régulateur linéaire comparable, ce qui le rend idéal pour les applications qui ont besoin de convertir une tension élevée en une tension basse. 

Il convient également aux systèmes intégrés qui fonctionnent systématiquement à haute capacité.

Régulateurs de tension de commutation et régulateurs de tension linéaire : comment choisir ?

Malgré toute l'efficacité qu'un régulateur de tension à découpage est capable de fournir, deux critères l'empêchent néanmoins d'être la meilleure option : son prix et les composants passifs obligatoires.      

Ceux-ci peuvent s'avérer significatifs et être 30 fois plus chers qu'un régulateur de tension linéaire et deux condensateurs.

En outre, un régulateur de commutation nécessite un plus grand nombre de composants passifs. 

Lorsque les composants passifs sont plus nombreux, la maintenance s'avère largement plus complexe. Vous devez vous assurer de sélectionner soigneusement la valeur des inducteurs et des condensateurs, ce qui se traduit automatiquement par un besoin supplémentaire d'espace sur le circuit imprimé.

En résumé, si vous travaillez sur une application simple qui ne consomme pas beaucoup d'électricité, un régulateur de tension linéaire est un choix judicieux. 

Mais si vous travaillez sur un projet à forte puissance ou que vous essayez de passer d'une tension industrielle de 24VDC à un système de 3,3 V, vous devez peut-être envisager l'utilisation d'un régulateur de tension à découpage.