Régulateurs de tension pour les appareils IoT et mobiles

Les alimentations et les systèmes de gestion de l'énergie jouent un rôle crucial dans l'extension de la durée de vie et des performances de la batterie d'un appareil mobile. En tant que partie essentielle de ces systèmes, un régulateur de tension est conçu pour maintenir la tension de sortie d'une alimentation à une valeur constante. Il y a plusieurs points à considérer lors du choix d'un régulateur de tension pour un appareil mobile ou IoT. Bien que cela implique souvent un compromis entre le bruit, la gestion thermique et les écarts de régulation, trouver le bon équilibre entre ces points peut aider à garantir que votre prochain appareil mobile fonctionne comme souhaité.

Fonctionnalités souhaitées d'un régulateur de tension

Tout régulateur de tension doit fournir certaines fonctions spécifiques. Premièrement, le régulateur doit augmenter ou diminuer la tension entre la batterie et les différents sous-circuits de l'appareil. La fonctionnalité d'augmentation est requise par les dispositifs à haute tension comme les OLEDs, tandis que la fonction de réduction aide à réduire la puissance consommée par les circuits CMOS numériques. Cela permet une durée de vie de la batterie plus longue et permet de nouvelles fonctionnalités comme des caméras supplémentaires et un retour haptique sans un impact significatif sur la taille de la batterie.

La gestion du bruit et l'isolation de l'alimentation sont critiques dans les appareils mobiles afin de garantir l'intégrité du signal. Les schémas de modulation RF de pointe pour les débits de données en Gbps imposent des exigences strictes sur la distorsion et les artefacts d'interférence. Cela exige que l'on prête une attention particulière à toutes les sources de bruit, en particulier les EMI conduites et rayonnées provenant de l'alimentation.

En termes d'isolation de l'alimentation, un bon régulateur de tension devrait également empêcher les changements dans la tension de sortie de la batterie de propager des signaux transitoires à travers la sortie (comme ceux introduits par un amplificateur de puissance RF pulsé), affectant ainsi les circuits en aval. Enfin, tout régulateur de tension pour tout appareil mobile, qu'il s'agisse d'un smartphone, d'un appareil portable, IoT ou autre, doit avoir une petite empreinte et un faible coût tout en prolongeant la durée de vie de la batterie.

Topologies de régulateur de tension

Régulateurs linéaires : Ils sont généralement composés d'un générateur de tension de référence, d'un amplificateur d'erreur, d'un transistor de puissance, d'un diviseur résistif pour surveiller la tension de sortie, et d'un condensateur de découplage pour assurer la stabilité de la tension sur un bus d'alimentation. Les régulateurs à faible chute de tension (LDO) basés sur des transistors pnp et pFET présentent des caractéristiques de courant de repos différentes pendant la chute de tension, selon la polarité du transistor. Les transistors pFET ne consomment pratiquement aucun courant et ne présentent pas d'augmentation de courant de repos pendant la chute de tension, tandis que les nFETs présentent une augmentation du courant de repos à mesure que la tension d'entrée augmente et se rapproche de la tension de sortie.

Les avantages des convertisseurs linéaires sont leur faible bruit et ondulation, leur taille petite à moyenne, et leur faible complexité et coût. Les inconvénients incluent l'opération de réduction de tension uniquement, et ils ont une efficacité faible à moyenne, bien que cela dépende du courant de charge, de la tension de la batterie et de la dissipation thermique.

Un régulateur linéaire. Figure dans Les fondamentaux de la conception et des applications des LDO. Disponible chez Analog Devices

Régulateurs à capacité commutée : Également appelés convertisseurs à pompe de charge, ils utilisent des condensateurs et plusieurs commutateurs pour fournir une tension de sortie supérieure ou inférieure à la tension d'entrée. Ils stockent et transfèrent l'énergie de l'entrée vers la sortie dans un condensateur volant connecté à des commutateurs numériques.

Les avantages des convertisseurs à pompe de charge incluent une haute efficacité et un faible EMI rayonné par rapport à d'autres régulateurs de tension. Cela est dû à l'utilisation d'un condensateur pour le stockage et le transfert d'énergie, ce qui permet l'utilisation de techniques de commutation douce pour contrôler les commutateurs numériques. Ces convertisseurs n'utilisent pas de rétroaction pour atteindre la régulation, se fiant plutôt au cycle de travail de la période de commutation pour compenser les changements dans la tension de sortie. Ces contrôleurs sont généralement limités aux applications de faible puissance.

Schémas de circuit de régulateur à capacité commutée et formes d'onde d'entrée/sortie

Régulateurs à découpage : Ces régulateurs peuvent augmenter (boost) ou diminuer (buck) la tension d'entrée ; ils sont également capables d'inverser sa polarité. Le convertisseur buck-boost typique consiste en un réseau de commutation qui génère un signal AC, un filtre passe-bas qui transmet la composante DC de ce signal à la sortie, et un réseau de rétroaction pour réguler la tension de sortie en changeant le cycle de travail ou la fréquence du signal AC.

Les caractéristiques de la tension de sortie d'un régulateur à découpage dépendent largement de la qualité du filtre passe-bas, qui est implémenté comme un circuit LC. Le bruit de ripple de la tension de sortie et l'efficacité du régulateur dépendent largement de la taille de l'inducteur, où des inducteurs plus grands réduisent le ripple et l'efficacité du circuit en raison de leurs pertes d'énergie plus importantes à travers leur résistance série équivalente. Ces circuits de régulateur dissipent moins de chaleur, mais ils sont généralement plus complexes, plus grands et plus coûteux que leurs homologues linéaires.

Combiner des régulateurs linéaires et à mode commuté est une technique courante pour générer plusieurs tensions d'alimentation dans un appareil mobile. Le concepteur de l'alimentation électrique doit considérer les caractéristiques de la source d'énergie (batterie) et de la charge pour choisir la solution de circuit optimale pour un sous-circuit particulier. Par exemple, comme les processeurs des dispositifs mobiles sont fabriqués en utilisant une architecture de transistor de plus en plus fine (10 nm ou moins), ce qui réduit leurs besoins en tension et en courant d'alimentation, le courant de repos du circuit régulateur devient un pourcentage plus important du courant de charge et a un impact plus grand sur l'efficacité du circuit.

Régulateurs de tension pour produits mobiles

Maxim Integrated, MAX8863

Le régulateur de tension linéaire MAX8863 fournit une tension d'alimentation fiable plus élevée (de 2,5 V à 6,5 V) avec un courant de sortie allant jusqu'à 120 mA dans un petit boîtier SOT23 à 5 broches. Le dispositif utilise un transistor de passage PMOS, permettant au courant d'alimentation de 80 µA de rester indépendant de la charge. Ces dispositifs sont idéaux pour les équipements portables fonctionnant sur batterie tels que les téléphones cellulaires ou d'autres dispositifs IoT qui fonctionnent avec une variété de normes de signalisation. Un réseau diviseur de résistance externe peut également être utilisé pour ajuster la tension de sortie :

Les dispositifs disposent d'un fonctionnement en mode Dual : leur tension de sortie est prédéfinie... ou peut être ajustée avec un diviseur de résistance externe. D'autres caractéristiques incluent l'arrêt en basse puissance, la protection contre les courts-circuits, la protection contre la surchauffe, et la protection contre l'inversion de batterie. [D'après la fiche technique du MAX8863]

Le MAX8864, une variante du MAX8863, inclut également une fonction de décharge automatique. Cette fonction décharge activement la tension de sortie à la terre lorsque le dispositif est mis en mode d'arrêt.

Diagramme de bloc fonctionnel, de Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Tout le monde aime prendre des selfies, et beaucoup de gens ont besoin de téléconférencer via leurs ordinateurs portables. Ces activités, et les dispositifs qui utilisent abondamment les LED, nécessitent un régulateur de tension capable de fournir une sortie stable pour ces composants particuliers. Le régulateur à capacité commutée MAX1576 est conçu pour réguler le rétroéclairage et le flash de l'appareil photo avec jusqu'à 8 LED blanches dans les dispositifs mobiles (boîtier QFN fin à 24 broches, 4 mm x 4 mm). Quatre LED peuvent être alimentées jusqu'à 30 mA pour le rétroéclairage, tandis que les quatre LED restantes dans le groupe flash peuvent être pulsées jusqu'à 100 mA par LED :

Le MAX1576 utilise deux résistances externes pour régler les courants LED principaux et de flash à pleine échelle (100%). Quatre broches de contrôle sont utilisées pour le gradation des LED par contrôle série ou logique à 2 bits par groupe. ENM1 et ENM2 règlent les LED principales à 10%, 30%, ou 100% de l'échelle complète. ENF1 et ENF2 règlent les LED de flash à 20%, 40%, ou 100% de l'échelle complète. De plus, connectez une paire de broches de contrôle ensemble pour un contrôle de gradation par impulsion série à un seul fil.

Diagramme des broches et exemple de circuit avec le régulateur à capacité commutée MAX1576 (d'après la fiche technique du MAX1576)

Analog Devices, LT1738

Le régulateur à découpage LT1738 d'Analog Devices est un contrôleur DC/DC à régulation de taux de variation avec un bruit ultra faible. Les régulateurs à découpage sont connus pour être assez bruyants en raison du signal de commutation PWM, mais le LT1738 utilise des taux de variation de tension et de courant contrôlés dans un commutateur MOSFET N-canal externe. Cet appareil émet un bruit rayonné beaucoup moins intense que d'autres régulateurs à découpage de puissance et d'empreinte similaires, ce qui en fait un excellent choix pour une utilisation dans de nouveaux appareils mobiles et IoT.

Les taux de variation de courant et de tension peuvent être réglés indépendamment pour optimiser le contenu harmonique des formes d'onde de commutation par rapport à l'efficacité. Le LT1738 peut réduire la puissance harmonique haute fréquence jusqu'à 40 dB avec seulement de légères pertes en efficacité. Le LT1738 utilise une architecture en mode courant optimisée pour les topologies à interrupteur unique... L'oscillateur interne peut être synchronisé à une horloge externe pour un placement plus précis des harmoniques de commutation.

Diagramme de bloc du régulateur à découpage LT1738 (tiré de la fiche technique du LT1738).

Votre prochain appareil mobile ou IoT doit conserver et gérer correctement l'énergie afin de prolonger sa durée de vie utile. Vous pouvez y parvenir avec le bon régulateur de tension et d'autres composants spécifiquement conçus pour les applications mobiles et IoT. Essayez d'utiliser notre guide de sélection de pièces pour déterminer la meilleure option pour votre prochain produit.

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