Fiche Architecture
1. Topologies
1.1. Linéaire
1.1.1. Alimentation secteur (AC/DC)
Ces alimentations mettent en oeuvre des transformateurs et un circuit de redressement et filtrage. On peut avoir une solution abaisseuse ou éleveuse de tension en fonction du ratio de tours entre primaire et secondaire.
Redressement monoalternance (half bridge)
Redressement double alternance (full bridge ou center-tap full bridge)
1.1.2. Alimentation DC/DC
L'alimentation linéaire en continue ne permet que de réaliser un régulateur abaisseur.
Le principe du régulateur linéaire est présenté sur la figure suivante:
Un portion de la tension de sortie prélevée avec le pont diviseur R1R2 est appliquée en entrée du comparateur A dont l'entrée négative est connectée à une référence de tension. Le comparateur contrôle le transistor pour asservir la tension de sortie à la valeur souhaitée.
Les LDO sont une technologie avancée de régulateur linéaire qui présentent une très faible chute de tension entre entrée et sortie (Dropout) qui permet de minimiser les pertes.
En effet, la chute de tension entre entrée et sortie est dissipée dans le transistor sous forme d'effet joule.
Exemple:
Vin = 12V, Vout = 5V, I = 0.5A
Puissance en entrée : Pin = Vin x Iout = 6W
Puissance en sortie : Pout = Vout x I = 2.5W
Rendement = Pout / Pin = 2.5 / 6 = 41.7%
Pertes dans le transistor : P = (Vin - Vout) Iout = 3.5W
Dans cette configuration, certains boitiers ne seront pas compatibles et l'utilisation d'un dissipateur sera obligatoire avec les solutions compatibles
La température de jonction est donnée par la relation : Tj = Ta + [(Vin - Vout) x Iout] x RTHja
Avec la température ambiante Ta = 25°C, RTHja la résistance thermique du boitier monté sur une surface de 100mm² de PCB
| Boitier | RTHja | Tj |
| 8-LFCSP (3 x 3mm) | 125°C/W | 462.5°C |
| 8-SOIC avec pad thermique (6 x 8mm) | 111°C/W | 413.5°C |
| DPAK (7 x 6.5mm) | 100°C/W |
375°C |
| TO-220 (15.5 x 10.2mm) | 50°C/W | 200°C |
Or a température de jonction ne doit pas dépasser 125°C.
Dans cette configuration, seul le boitier TO-220 pourrait être utilisé, mais avec la mise en oeuvre d'un dissipateur adapté.
1.2. Découpage
1.2.1. Buck
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- Convertisseur abaisseur de tension à découpage
- Limite les pertes associées au LDO (thermique)
- Présente un bon rendement de conversion
- Mode continu (Forced Continuous Mode), rendement optimal dans la gamme haute de courant,
maisrendementmais rendement faible pour les faibles courants - bonne régulation de la tension de sortie
- Mode PFM ou Eco-mode ou Pulse Skipping Mode ou Power Save Mode, rendement optimal sur toute la gamme, mais régulation moins performante sur les faibles courants avec une discontinuité de la régulation et une ondulation plus forte.
- Malgré la régulation performante et le filtrage de sortie, des composantes de la fréquence de découpage sont présentes en sortie et peuvent perturber le fonctionnement du système.
- Le principe est présenté sur la figure suivante:
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Pendant le première phase, le l'interrupteur (transistor) est fermé, la diode est bloquée, le courant circule dans la branche principale, l'énergie est emmagasinée dans l'inductance. |
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Pendant la seconde phase, l'interrupteur est ouvert, la diode devient passante et le courant emmagasiné dans l'inductance est transféré dans la charge (pas de discontinuité de courant dans l'inductance). Le condensateur permet de filtrer le signal de sortie et de limiter ainsi l'ondulation résiduelle. |
La tension de sortie est ajustée en variant le rapport cyclique de conduction de l'interrupteur.
Dans cette topologie, les pertes sont dues principalement aux éléments parasites des composants, les résistances série de l'inductance et des transistors et diode.
La performance du circuit va être un compromis entre la fréquence de commutation et les pertes dans les composants:
- plus la fréquence est basse, plus la valeur de l'inductance est grande, donc plus le boitier sera gros ou les éléments parasites élevés, mais plus les pertes en commutation dans les transistors seront faibles
- plus la fréquence est élevée, plus la valeur de l'inductance est faible, plus le boitier pourra être petit, tout en assurant une résistance serie faible, mais les pertes en commutations seront plus élevées dans les transistors.
- Pour réduire les pertes en commutation la mise en oeuvre de contrôleurs avec transistors discrets permet un gain important pour les applications de puissance, mais au détriment d'une surface plus grande de PCB.
Exemple:
Mise en oeuvre d'un Buck pour générer 5V depuis une source 12V
| Référence | Fréquence de commutation (Fsw) | Rendement | Nombre de composants | Valeur d'inductance (L) | Surface inductance | Surface du circuit |
| LM25007 | 149kHz | 85.4% | 20 | 204.5mm² |
300mm² | |
| LMR51450 | 187kHz | 97.1% | 12 | 652mm² |
716mm² | |
| LM22675-5.0 | 500kHz | 92.7% | 7 | 626.67mm² |
735mm² | |
| TPS562203 | 500kHz | 96.5% | 12 | 4.7uH |
74mm² |
130mm² |
LMR43620MB5-FIXED |
1MHz |
96.5% |
9 |
4.7uH |
146.4mm² |
195mm² |
TPS562242 |
1.3MHz |
95.9% |
13 |
3.3uH |
50.4mm² |
106mm² |
| TPS62163 | 2.4MHz | 91.5% | 5 | 2.2uH | 64mm² | 94mm² |
1.2.2. Boost
1.2.3. Buck-Boost
1.2.4. SEPIC
1.2.5. Cuk
1.2.6. Capacités commutées (Pompe de charges)
1.2.7. Puissance partielle
1.2.8. Convertisseur Isolé
1.3. PMIC
Combinaison de différentes architectures dans un boitier unique pour une optimisation en vue de l'intégration du système. C'est aussi une solution optimisée pour la mise en oeuvre de processeurs et de FPGA: le fabricant du contrôleur/circuit logique s'associe avec un fabricant d'alimentation ou dispose du savoir faire en interne pour proposer un composant d'alimentation dédié à ses poduits (NXP, Analog Devices, TI...)
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- Application specific (Processor, Instrumentation)
- Multiples Buck et Boost/Buck-Boost
- Buck ou Boost + LDO
- Buck, Boosts, Battery Chargers
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2. Synthèse
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Topologie |
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AC/DC |
DC/DC |
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Linéaire |
Découpage |
Linéaire |
Découpage |
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Contrôleur |
LDO |
Non Isolé |
Isolée |
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Caractéristiques |
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Buck |
Boost |
Buck-Boost |
SEPIC |
Cuk |
Puissance partielle |
Capacités commutées |
Forward |
Flyback |
Push-Pull |
Capacitif |
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Taille des composants |
☹ (transfo) |
😐 |
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😊 |
😐 |
😐 |
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😐 |
😐 |
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Occupation du PCB |
☹ |
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😐 |
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😐 |
☹ |
☹ |
☹ |
😊 |
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Matériaux |
☹ |
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☹ |
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Rendement |
☹ |
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☹ |
😐 |
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☹ |
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Fiabilité |
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😐 |
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Réparabilité |
😐 |
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Poids |
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☹ |
☹ |
☹ |
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Impact environnemental |
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Exemples d'évaluation d'impacts environnementaux
2 mini ACV à titre d'exemple sur 2 topologies de bloc d'alim
Recommandations des industriels
à traiter, ventiler ...
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Industriel |
Verbatim |
Etape Roue de Brezet |
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ATLANTIC |
Piles? Batterie? Condensateur, SuperCap, Energy harvesting... |
0 ; 1 |
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EMKA |
réduire le poids des alimentations permet de réduire les emballages car réduit de beaucoup les poids des produits (SWaP : Size Weight and Power) |
2 |
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4MOD |
Une alimentation adaptée au dispositif. S'assurer que le moyen d'alimentation choisi soit le plus optimal par rapport aux fonctions espérées du produit. |
0 ; 2 |
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4MOD |
Alimentation "standard" (Ex: USB-C permettant de minimiser l'impact d'un câble supplémentaire et d'un adaptateur secteur --> mettre ACV à l'appui) |
0 |
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ATLANTIC |
Alim à découpage ou linéaire ?
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1 |
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ATLANTIC |
Dimensionnement (au plus juste) Comment optimiser l'arbre d'alimentation ? |
1 ; 2 |
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BODET |
Choisir la bonne typologie de convertisseur pour maximiser les rendements (DC/DC vs LDO qui sont souvent moins efficaces) Même pour des applications ultra-low power, le choix du DC/DC peut-être pertinent et permet souvent d'allonger l'autonomie de l'équipement car le mode Boost est possible. Attention, dans ce cas précis, il faut choisir avec soin le convertisseur qui doit être prévu pour minimiser sa consommation propre (rechercher des convertisseurs plutôt orientés "Energy Harvesting"). |
1 ; 5 |
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BODET |
Bien identifier les modes d'énergie de l'équipement (ALLUME, ETEINT, VEILLE RAPIDE, VEILLE PROFONDE, TRANSPORT, etc…) et les budgets de consommation associés. L'idée étant de pouvoir choisir les régulateurs en conséquence |
5 |
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BODET |
Faire un arbre d'alimentation avec les rendements renseignés pour chaque régulateur (exemple d'outil Ptree, voir image ci-contre). Cf Annexes |
1 ; 2 |
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Critères principaux de choix d'une alim externe sur étagère |
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LACROIX |
ü Bon dimensionnement de la puissance ü Rendement essentiel ü Conso à vide / en veille |
5
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LACROIX |
ü Capacités environnementales compatibles avec l'utilisation (pour éviter pannes juvéniles et améliorer durabilité) ü MTBF : durabilité à titre comparative |
6 |
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LACROIX |
Masse totale + dimensions/matière boitier méca, emballage, déchets, etc. |
2 |
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Critères principaux d'éco-conception d'une alim interne (mêmes critères que sur alim externe mais sous-ensembles où on a la main sur la conception) |
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LACROIX GUILLEMOT |
ü Bon dimensionnement de la puissance § Alimentation se défini autour d'un noyau magnétique --> choix juste de la bonne carcasse magnétique qui va définir la capacité en puissance de l'alimentation (qté cuivre etc) § Choix juste de la taille des semi-conducteurs de puissance (surface de silicium) ü Rendement essentiel § Choix de topologie la plus performante selon le besoin (bon // entre courant et tension en fonction de l'usage) § Chasse aux consommations inutiles (rapport conso à vide) ü Conso à vide / en veille § Chasse au consommation inutiles (ex : circuit mal dimensionné) |
5 |
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LACROIX |
ü Capacités environnementales compatibles avec l'utilisation (pour éviter pannes juvéniles et améliorer durabilité)
ü MTBF : durabilité à titre comparative § Choix de composant à haute durée de vie (évaluation du Failure In Time) § Evaluation de la durabilité via un plan d'essai pertinent pour trouver des pistes pour l'améliorer (ex : MTBF : durabilité à titre comparative) |
6 |
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EMKA |
voir si plusieurs fonctions peuvent-être réalisées par un seul module (au lieu de penser un module, une fonction) |
0 |
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