poly-4-conversion DC

09/09/2015
Conversion DC-DC
(énergie pour systèmes nomades)
Généralités

Alternatif/continu

Fonctionnement sur batteries et accumulateurs
 Nécessité d’adapter le niveau de tension.
 NiMH par pack 1.2 [V]
 pile bouton lithium 3 [V]
?
 Électronique 3.3 [V], 1.8 [V], 1.5 [V]
 LCD (tension négative, positive élevées (20 [V])
 Mémoire flash 12 [V]
 Audio (alimentation propre)
 Tension variable lors de la décharge
 Compenser les chutes de tensions dues au courant de charge
 Plusieurs niveaux de tension nécessaires pour une seule application (processeur,
mémoire, affichage, communication)
 Les circuits numériques travaillent souvent à des tensions plus faibles que les circuits
analogiques
2
 La polarisation des circuits analogiques varie avec la tension d’alimentation (performances aussi)
1
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Conversion DC-DC

Rôle : fournir une tension continue indépendamment du courant
consommé par la charge et de la variation de la tension d’entrée

3 solutions pour la conversion DC-DC
 1- Régulateur linéaire
  LDO (low drop output)
 Régulateur à découpage
 2- Avec inductance
 3- À capacités commutées
3
1. Régulateur linéaire

Principe

asservissement par rapport à une tension de référence
Généralités


4
avantages, +

Bloc de base de beaucoup de source d’alimentation

Robuste, Faible bruit

Très peu cher (parmi les composants les moins chers, 0,30-0,40 €)
inconvénients 
Rendement faible

Dissipation thermique

Tension de sortie plus faible que la tension d’entrée
Vcommande=G(Vref-aVs)
IS=KVcommande
pour KG grand
VS=Vref/a
2
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1. Régulateur linéaire

Rendement

puissance utile : Pu=Vs.Is

puissance délivrée par la batterie : Pbatt=Vbatt.(Is+Ielec)
Tension de sortie [V]
puissance
perdue chute
de tension
puissance perdue
circuit de contrôle
et chute de tension
Courant de sortie [A]
100%
Rendement
60%
Is grand
Is faible
0%
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1. Régulateur linéaire

Comparaison et choix
Standard
LDO
Quasi-LDO
Chute de tension
-- (1.5-2.5 [V])
++ (0.1-0.8 [V])
(0.9-1.5 [V])
Courant de régulation
++ (< 10 [mA])
-- (< 20 -40 [mA])
(< 10 [mA])
10 [A]
1 [A]
7-8 [A]
Quelques mA
75-150 µA
Alimentation à partir
du secteur
Dispositifs sur batteries
Courant de charge max
Courant de repos
Applications
La chute de tension n’est pas
un problème dans ce cas
Choix : courant maximum de sortie, type de tension d’entrée (batterie, AC), précision
de la tension de sortie (5%, 2%), courant de veille, fonctions spécifiques (extinction,
indication d’erreur, protection thermique,…)
Globalement, les régulateurs linéaires : rendement 40 à 50% maximum
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2. Régulateur à découpage abaisseur (buck)
pour que le rendement soit bon il ne faut pas utiliser d’éléments dissipatifs
utilisation d’inductance

Principe : transfert d’énergie de la source vers la charge en utilisant les interrupteurs
K1 et K2. K1 et K2 ne doivent pas être simultanément ouverts ou fermés.
0<t<αT
:
K1 fermé, K2 ouvert
αT <t<T
:
K1 ouvert, K2 fermé
<is>=αI
<vc>=αE < E
Ps=<vsis>=E<is>= αEI
Pc=<vcic>=E<is>= αEI
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2. Régulateur à découpage à élément inductif

Rendement élevé (> 80%)

Elément inductif
 Perturbations électromagnétiques
 Bruit de commutation
 Intégration
Intégration
Difficile de
l’élément
inductif
Fairchild semiconductors
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3. Régulateur à découpage à capacités commutées

Principe
La conversion est réalisée en commutant périodiquement une capacité.
1
0<t<αT
:
K1 et K3 fermés
2
αT<t<T
:
K2 fermé
1
2
Exprimer Vs en fonction de Ve
2
1
Une capacité CL en sortie permet de lisser la tension.
9
3. Régulateur à découpage à capacités commutées

Exemple : ST662A, régulateur à capacités commutées pour mémoire flash
Capacitor
Charge Pump C1
Charge Pump C2
Input C3
Output C4
Decoupling C5
Type
Ceramic
Ceramic
Eletrolytic Tantalum
Eletrolytic Tantalum
Ceramic
Value µF
0.22
0.22
4.70
4.70
0.10
10
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3. Régulateur à découpage à capacités commutées
 Pas d’inductance
 Simple à utiliser
 Intégrable
 Faible coût
 À la fois élévateur et abaisseur de tension
 Rendement (60 à 90%) pour un point
LM2757, régulateur à capacités commutées
pour écran OLED
de fonctionnement optimal
 Faible puissance (< 1[W])
 Bruit de commutation
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[RAMADASS2006]
0.18 [µm] CMOS process.
8[mA], 0.3-1.1[V]. Capacité de
transfert intégrée
Comparaison
Régulateur linéaire
Régulateur à découpage
inductif
Régulateur à découpage à
capacités commutées
Rendement
40-50%
70-90%
60-90% *
Intégration
+++
--
+
Coût
+++
-
+
Simplicité
+++
-
+
Gamme
puissance
[kW]
[kW]
< 1 [W]
Qqs 10 [mA] max.

3 solutions

Choix dépend de l’application
* pour des rapports de conversion donnés
 Coût/autonomie
 Perturbations, bruit
 Évolutions vers solutions à capacités commutées pour les applications
portables

Compromis efficacité/décharge de la batterie
 Efficacité moyenne tenant compte de la décharge de la batterie, efficacité
effective (une efficacité de 99% n’est pas utile si on ne récupère que 20% de
l’énergie de la batterie)
 Profondeur de décharge
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Conversion DC-DC : exemple
Exemple de calcul d’efficacité effective dans le cas Li-ion et LDO
Tension de sortie : 3.3 [V]
Tension pleine charge : 4.1 [V]
Tension à vide : 2.5 [V]
Courant de décharge moyen : 700 [mA]
Temps de décharge : 108.22 [min]
LDO :
Chute de tension 150 [mV] : 3.45 [V]
Temps de décharge utile: 71.15 [min]
Inutilisé : 37.07 [min]
Watt.heure utilisés : 3.17 [W.h] soit 58%
Watt.heure non-utilisés : 1.34 [W.h] soit 42%
Efficacité moyenne : 87.9%
Efficacité effective : 50.8%
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Dans la pratique: combinaison de solution
LDO pour composants
numérique, RF et batterie
de sauvegarde
Faible bruit
Stabilité
Régulateur à découpage
inductif pour les
charges lourdes et
éclairage.
Forts courants
(rendement)
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[WONG]
PMIC : power management IC
LDO : low-drop output regulators
GPO : general purpose output
DVM : dynamic voltage management
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Dans la pratique: combinaison de solution
LDO pour composants numérique,
RF et batterie de sauvegarde
Faible bruit
Stabilité
Régulateur à découpage inductif
pour les charges lourdes et
éclairage.
Forts courants
(rendement)
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Bibliographie

[DAY2007] Micheal Day and Bill Johns, Texas Instrument « What’s the best DC/DC
topology for your Li-ion powered portable ? »

[QI2006] Qi Deng, Microchip Technology « DC/DC converters: regulated charge-pump vs.
Inductor-based »

[SIMPSON] Chester Simpson, National Semiconductor « Linear and Switching Voltage
Regulator Fundamentals »

[SCHUESSLER1999] James E. Schuessler « Efficiency and Power Utilization Data
Guide DC/DC Conversion Choices in Battery operated Devices »

[WONG] Jim Y. Wong, National Semiconductor « Power Management Design for
Applications Processors »
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