Systèmes électroniques I (complet)

Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion
du canton du Vaud
SYSTEMES ELECTRONIQUES I
PREMIERE PARTIE
Marc Correvon

SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES I , 1ÈRE PARTIE
TABLE DES MATIERES
PAGE
1. INTRODUCTION...........................................................................................................................................1-1
1.1 BUT......................................................................................................................................................1-1
1.2 FILS CONDUCTEURS ET CHAPITRES DU COURS........................................................................................1-1
1.3 CONSIDÉRATIONS TECHNOLOGIQUES.....................................................................................................1-3
1.3.1 Généralités........................................................................................................................... 1-3
1.4 NOTES D’APPLICATIONS.........................................................................................................................1-4
1.5 AVERTISSEMENT ...................................................................................................................................1-4
2. RÉFÉRENCES DE TENSION......................................................................................................................2-1
2.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................2-1
2.1.1 Généralité............................................................................................................................. 2-1
2.1.2 Référence de tension de type « bandgap ».......................................................................... 2-1
2.1.3 Référence de tension de type « diode Zener enterrée » ...................................................... 2-1
2.2 RÉFÉRENCE DE TENSION ISSUE D’UNE DIODE ZENER ..............................................................................2-3
2.2.1 Généralités........................................................................................................................... 2-3
2.2.2 Diode Zener enterrée (buried Zener).................................................................................... 2-4
2.2.3 Références de tension intégrée............................................................................................ 2-6
2.3 RÉFÉRENCE DE TENSION PAR EXPLOITATION DE LA BANDE INTERDITE......................................................2-7
2.3.1 Généralités........................................................................................................................... 2-7
2.3.2 Principe ................................................................................................................................ 2-7
2.3.3 Référence de tension bandgap de Widlar .......................................................................... 2-11
2.3.4 Référence de tension bandgap de Brokaw ........................................................................ 2-12
2.4 RÉFÉRENCE DE TENSION EN TECHNOLOGIE XFET................................................................................2-15
2.4.1 Généralités......................................................................................................................... 2-15
2.4.2 Principe .............................................................................................................................. 2-15
2.5 DÉFINITIONS DES PARAMÈTRES PROPRE AUX TENSIONS DE RÉFÉRENCE................................................2-17
2.5.1 Définition des paramètres .................................................................................................. 2-17
2.6 ETUDE DE LA RÉFÉRENCE DE TENSION REF02.....................................................................................2-20
2.6.1 Description du circuit..........................................................................................................2-20
2.6.2 Exemple de dimensionnement ........................................................................................... 2-21
3. RÉGULATEURS LINÉAIRES DE TENSION..............................................................................................3-1
3.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................3-1
3.1.1 Fonctionnement standard..................................................................................................... 3-1
3.1.2 Fonctionnement en mode LDO ............................................................................................ 3-1
3.1.3 Boucle de réglage et stabilité ............................................................................................... 3-2
3.1.4 Importance de la référence de tension................................................................................. 3-2
3.2 TOPOLOGIES DES RÉGULATEURS LINÉAIRES DE TENSION ........................................................................3-3
3.2.1 Description du fonctionnement............................................................................................. 3-3

3.2.2 Structure de l’élément de ballast .......................................................................................... 3-4
3.2.3 Les régulateurs standards.................................................................................................... 3-6
3.2.4 Les régulateurs LDO ............................................................................................................ 3-7
3.3 STABILITÉ DES RÉGULATEUR LDO .......................................................................................................3-12
3.3.1 Introduction ........................................................................................................................ 3-12
3.3.2 Modèle simplifié par accroissement des composants du régulateur LDO .......................... 3-12
3.3.3 Modèle petits signaux du régulateur LDO .......................................................................... 3-13
3.3.4 Etude de la fonction de transfert en boucle ouverte. .......................................................... 3-14
3.3.5 Paramètres des régulateurs LDO....................................................................................... 3-17
3.4 LIMITATION DU COURANT DE SORTIE.....................................................................................................3-19
3.4.1 Généralités......................................................................................................................... 3-19
3.4.2 Caractéristique rectangulaire de la limitation de courant.................................................... 3-19
3.4.3 Caractéristique réentrante (foldback) de la limitation de courant........................................ 3-22
3.5 PROTECTION THERMIQUE ....................................................................................................................3-24
4. ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE À INDUCTANCE SIMPLE...............................................................4-1
4.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................4-1
4.1.1 Généralités........................................................................................................................... 4-1
4.1.2 Définition des sources et des récepteurs ............................................................................. 4-2
4.1.3 Semiconducteurs disponibles comme fonction interrupteur. ................................................ 4-3
4.2 NOTATIONS UTILISÉES ...........................................................................................................................4-4
4.2.1 Définition .............................................................................................................................. 4-4
4.3 ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE NON RÉVERSIBLES À LIAISON DIRECTE.....................................................4-5
4.3.1 Généralités........................................................................................................................... 4-5
4.4 ALIMENTATION SÉRIE OU ABAISSEUSE DE TENSION..................................................................................4-6
4.4.1 Conduction continue.............................................................................................................4-6
4.4.2 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ......................................... 4-9
4.4.3 Analyse fréquentielle.......................................................................................................... 4-10
4.4.4 Frontière entre le mode continu et intermittent................................................................... 4-11
4.4.5 Conduction intermittente .................................................................................................... 4-11
4.4.6 Caractéristique statique avec tension de sortie constante. ................................................ 4-13
4.4.7 Diagramme structurel......................................................................................................... 4-14
4.5 ALIMENTATION DE TYPE PARALLÈLE OU ÉLÉVATRICE DE TENSION...........................................................4-15
4.5.1 Conduction continue........................................................................................................... 4-15
4.5.2 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ....................................... 4-18
4.5.3 Ondulation de la tension uC. Choix de C ............................................................................ 4-18
4.5.4 Frontière entre le mode continu et intermittent................................................................... 4-19
4.5.5 Conduction intermittente .................................................................................................... 4-20
4.5.6 Caractéristique statique avec tension sortie constante ...................................................... 4-21
4.5.7 Diagramme structurel......................................................................................................... 4-23
4.6 ALIMENTATION À DÉCOUPAGE NON RÉVERSIBLE A LIAISON INDIRECTE....................................................4-24
4.6.1 Généralités......................................................................................................................... 4-24
4.6.2 Hacheur à stockage inductif............................................................................................... 4-24
4.6.3 Conduction continue........................................................................................................... 4-25
4.6.4 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ....................................... 4-28
4.6.5 Frontière entre le mode continu et intermittent................................................................... 4-29
4.6.6 Conduction intermittente .................................................................................................... 4-29
4.6.7 Caractéristique statique avec tension de sortie constante ................................................. 4-31

4.6.8 Diagramme structurel......................................................................................................... 4-33
5. TRANSFORMATEURS POUR ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE.......................................................5-1
5.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................5-1
5.1.1 Relations de base................................................................................................................. 5-1
5.1.2 Circuits magnétiques............................................................................................................5-6
5.2 MODÈLE DU TRANSFORMATEUR ...........................................................................................................5-10
5.2.1 Généralités......................................................................................................................... 5-10
5.2.2 Transformateur idéal .......................................................................................................... 5-11
5.2.3 Modélisation du transformateur idéal ................................................................................. 5-11
5.2.4 Transformateur avec inductance magnétisante.................................................................. 5-12
5.3 PERTES DANS LES CIRCUITS MAGNÉTIQUES..........................................................................................5-16
5.3.1 Généralités......................................................................................................................... 5-16
6. ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE À TRANSFORMATEUR..................................................................6-1
6.1 CONVERTISSEUR À STOCKAGE INDUCTIF AVEC ISOLATION GALVANIQUE ...................................................6-1
6.1.1 Montage FLYBACK.............................................................................................................. 6-1
6.1.2 Conduction continue.............................................................................................................6-3
6.1.3 Limite de la conduction continue .......................................................................................... 6-2
6.1.4 Fonctionnement en conduction intermittente........................................................................ 6-3
6.1.5 Considération sur le transfert d’énergie................................................................................ 6-4
6.1.6 Dimensionnement du transformateur d’un montage Flyback ............................................... 6-6
6.2 CONVERTISSEUR DE TYPE SÉRIE AVEC ISOLATION GALVANIQUE...............................................................6-9
6.2.1 Montage FORWARD............................................................................................................ 6-9
6.2.2 Etude du fonctionnement ..................................................................................................... 6-9
6.3 CONVERTISSEUR DE TYPE SYMÉTRIQUE AVEC ISOLATION GALVANIQUE ..................................................6-15
6.3.1 Montage PUSH-PULL (pont complet) ................................................................................ 6-15
6.3.2 Etude de fonctionnement ................................................................................................... 6-15
6.4 ÉVALUATION ET DIMENSIONNEMENT DES CONVERTISSEURS DC-DC .....................................................6-19
6.4.1 Généralités......................................................................................................................... 6-19
6.4.2 Stress et taux d’utilisation des semiconducteurs (transistor).............................................. 6-19
7. DIMENSIONNEMENT DES ÉLÉMENTS DES ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE ...............................7-1
7.1 INTRODUCTION......................................................................................................................................7-1
7.2 LES CONDENSATEURS...........................................................................................................................7-1
7.2.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................. 7-1
7.2.2 Paramètres caractéristiques d’un diélectrique...................................................................... 7-2
7.2.3 Modèle équivalent ................................................................................................................ 7-2
7.2.4 Les principales technologies ................................................................................................ 7-3
7.2.5 Les condensateurs dans les alimentations à découpage..................................................... 7-5
7.3 LES MATERIAUX MAGNETIQUES ..............................................................................................................7-6
7.3.1 Les matériaux....................................................................................................................... 7-6
7.3.2 Grandeurs caractéristiques des matériaux magnétiques ..................................................... 7-6
7.3.3 Les matériaux magnétiques et les corps de bobines............................................................ 7-7
7.3.4 Dimensionnement d’une inductance .................................................................................. 7-13
7.3.5 Dimensionnement d’un transformateur .............................................................................. 7-14
7.4 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE ...............................................................................................7-21
7.4.1 Les MOFSET ..................................................................................................................... 7-21