Tester les limites de rendement de votre LDO

Si vous concevez une carte de circuit imprimé destinée à être alimentée par autre chose qu'une alimentation de table, vous devrez choisir un régulateur de puissance à placer sur votre carte. Comme n'importe quel autre composant, votre régulateur a des caractéristiques de fonctionnement énoncés dans le résumé du produit, et des spécifications plus détaillées que vous trouverez dans la fiche technique. Il est facile de négliger les petits détails de vos fiches techniques, pourtant, ce sont ces derniers qui déterminent comment votre composant interagit avec le reste de votre système.

Les régulateurs de puissance comme les LDO sont simples à placer et à utiliser dans votre conception. Ils sont littéralement plug and play. Les LDO à sortie fixe les plus simples nécessitent 3 bornes et quelques résistances externes pour être utilisés correctement. Le rendement des LDO ne peut être garanti à une valeur spécifique, mais cette valeur est liée à la limite de courant à laquelle votre carte peut accéder pendant le fonctionnement. Avant de câbler une entrée haute tension à un LDO, assurez-vous de lire ces lignes directrices pour vous assurer que vous pouvez fournir suffisamment de puissance.

Qu'est-ce qui détermine le rendement des LDO ?

Les LDO sont simples et fonctionnent toujours selon le même principe : le composant abaisse une tension d'entrée jusqu'à la sortie souhaitée, et l'énergie électrique excédentaire est dissipée sous forme de chaleur. Les LDO sont réglables de l'extérieur avec un diviseur de tension, et vous avez besoin de quelques condensateurs d'entrée/sortie pour un filtrage supplémentaire. Chaque LDO a une équation simple qui détermine son rendement :

Lorsque l'entrée est proche de la tension de sortie, le rendement est proche de 100 %. Notez que cette équation ne s'applique que lorsque le différentiel de tension (sortie - entrée) est supérieur au niveau de tension de décrochage (généralement moins de 1 V à faible courant, et jusqu'à 1,5 V à fort courant). Tant que vous êtes dans cet état, le LDO régulera correctement l'entrée pour produire une sortie à faible bruit et à faible ondulation. Les LDO les plus simples produisent une valeur fixe, ou la sortie peut être ajustée selon les besoins avec les résistances externes. Comme la tension de sortie est fixée à une certaine valeur, l'augmentation de la tension d'entrée n'entraîne pas une augmentation continue de la sortie, de sorte que le rendement diminue.

Alors quel est le problème avec les points ci-dessus ? Où le rendement se dégrade-t-il soudainement ? Pour le savoir, nous devons examiner la tension et le courant de sortie. Dans le cas d’un différentiel de tension d'entrée élevé, il y a une chute du rendement et de la puissance de sortie.

Tension et courant de sortie

Il y a une spécification importante que vous devez regarder dans la fiche technique de votre LDO : le courant de court-circuit. Il s'agit du courant le plus important que le dispositif peut fournir, et cette valeur varie en fonction du différentiel de tension d'entrée. Rappelez-vous que la tension et le courant de sortie sont fixes et n'augmenteront pas si la tension d'entrée est augmentée, donc les meilleures pratiques dictent que la valeur d’entrée doit être légèrement supérieure à la valeur de la tension de sortie. C'est la raison pour laquelle vous voyez normalement des LDO utilisés pour de faibles chutes, telles que 5 V à 3,3 V pour des exigences de courant connues.

Il y a un autre point qui est important lorsque l'on considère le courant de court-circuit et le différentiel de tension : le courant de court-circuit diminue également lorsque le LDO est piloté avec un différentiel de tension très élevé. Ceci est assez important car certains LDO, comme un LDO avec une sortie de 3,3 V, auront une tension d'entrée différentielle aussi élevée que 30 V. Avec un différentiel de tension d'entrée élevé, le courant de court-circuit chute et devient limité, ce qui limite à son tour la puissance totale de sortie.

L'exemple ci-dessous montre la courbe du courant de court-circuit en fonction du différentiel d'entrée pour le LT1086CM de Linear.

Ce composant a une gamme de sorties possibles avec une limite élevée sur la tension d'entrée. Si vous travaillez avec une entrée élevée (plus de 20 V de tension différentielle), le composant ne pourra pas fournir plus de 100 mA. Il faut en tenir compte lors de la sélection d'une stratégie de régulation pour votre carte, ainsi que pour déterminer l'élévation potentielle de la température.

Chaleur et élévation de température

Dans votre conception, il faut également tenir compte du fait que la puissance perdue est dissipée sous forme de chaleur. La puissance perdue dans un LDO est égale à :

Là encore, lorsque les tensions d'entrée et de sortie sont proches, la perte de puissance est minime, mais le fonctionnement à un différentiel élevé avec un courant de sortie de quelques ampères peut entraîner une surchauffe et une panne.

Un exemple : une valeur typique de résistance thermique jonction-ambiance pour un LDO est d'environ 25 deg-C/W. Il est possible que le LDO brûle et tombe en panne. Reprenons l'exemple ci-dessus avec le LT1086 piloté avec une tension différentielle de 25 V pour une charge exigeant 1,5 A. En raison de la limite de courant à l'entrée élevée, la chaleur est générée à un taux d'environ 2,5 W dans ce cas, ce qui équivaut à une augmentation de la température du boîtier d'environ 62,5 Celsius. Si vous aviez fonctionné près de l'extrémité supérieure de la gamme d'entrée basse avec une différence de tension de seulement 8 V à 1,5 A, vous auriez dissipé environ 12 W, ce qui aurait donné une augmentation de température d'environ 300 Celsius. Dans un tel contexte, le composant serait tombé en panne.

Le verdict : Les LDO sont excellents s'ils sont utilisés correctement

Si vous utilisez un LDO, veillez à rester dans les bonnes limites de fonctionnement pour vous assurer que l'appareil fonctionne comme vous le souhaitez. Si cela ne vous dérange pas de générer beaucoup de chaleur et de fonctionner à faible courant, n'hésitez pas à faire fonctionner votre LDO à une tension d'entrée élevée avec une grande différence de tension. Soyez simplement prêt à accepter un rendement très faible dans ce cas. Si, au contraire, vous faites fonctionner le dispositif dans une valeur d’entrée comprise entre deux bornes plutôt qu’une unité fixe, ce que vous pouvez voir sur quelques graphiques dans la fiche technique, vous aurez le meilleur rendement possible avec un faible dropout et un courant disponible élevé.

Une bonne solution est d'avoir un régulateur à découpage comme régulateur primaire avec la sortie connectée à un LDO. Les régulateurs à découpage sont intéressants car ils utilisent des circuits réactifs pour moduler la puissance de sortie au lieu d'un élément résistif, mais cela crée un bruit de commutation vu à la sortie. Cependant, l'utilisation du LDO fournit une régulation supplémentaire jusqu'à des fréquences de ~100 kHz.

Une autre option consiste à transformer directement la tension de ligne en une valeur juste supérieure à la tension de décrochage. Malheureusement, avec des composants réels, il n'est pas possible de transformer la tension à n'importe quelle valeur, il faut utiliser un composant standard avec un rapport de transformation spécifique. Pour obtenir la tension d'entrée spécifique dont vous avez besoin pour un LDO, vous devrez peut-être utiliser un transformateur personnalisé. Gardez donc cela à l'esprit avant d'essayer de réguler la tension de ligne pour l'utiliser avec un LDO.

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