Fréquence de découpage : quels sont les paramètres à prendre en compte ?

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Les alimentations à découpage fonctionnent à une fréquence qui est soit fixe, réglable ou synchronisée sur une horloge externe. La valeur de cette fréquence détermine les dimensions et, par conséquent, le coût des condensateurs et des inductances utilisés. On constate actuellement une tendance favorable à l’augmentation des fréquences de découpage dans le but de faciliter la conception de circuits compacts et peu coûteux.

Les oscillateurs intégrés aux régulateurs à découpage sont spécifiés quant à la fréquence avec une tolérance qui est généralement très large. Par exemple, le convertisseur abaisseur monolithique ADP2386 affiche une tolérance garantie de ± 10 % par rapport à la fréquence de découpage définie. D’autres circuits intégrés couramment utilisés sont spécifiées à ± 20 %, voire davantage. Un convertisseur ADP2386 dont la fréquence de découpage est fixée à 600 kHz par une résistance RT peut commuter à 540 kHz jusqu’à 660 kHz dans les cas extrêmes —, compte tenu de la variation de ± 10 % autorisée.

Figure 1. Convertisseur abaisseur ADP2386 dont la fréquence de découpage est fixée par une résistance RT.

Cette variation de la fréquence de découpage de 20 % maximum doit être prise en compte lors de la conception du schéma, car les courants crête aux bornes de l’inductance diffèrent en fonction de la fréquence de découpage effective. En conséquence, l’ondulation du courant dans l’inductance a un effet direct sur l’ondulation de la tension de sortie.

Figure 2. Ondulation du courant d’inductance crête à crête, influencée par la variation de la fréquence de découpage.

La figure 2 décrit l’effet de la fréquence de découpage sur l’ondulation du courant d’inductance. La fréquence de découpage nominale de 600 kHz est représentée en bleu ; la fréquence de découpage minimale (540 kHz) en violet, et la fréquence maximale (660 kHz) en vert. À une valeur nominale de 600 kHz, on observe une ondulation du courant crête à crête de 1,27 A lorsque le régulateur commute à 540 kHz. Cependant, à une valeur de fréquence programmée identique, à savoir 600 kHz, un régulateur à découpage peut également commuter à 660 kHz, ce qui correspond à une ondulation du courant de 1,05 A. Dans cet exemple, une différence de 220 mA dans l’ondulation du courant dans la bobine peut être enregistrée en raison de la variation de la fréquence de découpage entre deux composants. Cet écart se produit sur l’ensemble de la plage de température admissible.

Le réglage de la limite de courant d’un régulateur à découpage doit être ajustée, en tenant compte de ce phénomène. Les courants de crête doivent être suffisamment faibles pour garantir que les protections contre les surintensités ne s’activeront pas en régime de fonctionnement normal.

Il convient de noter que les autres variations susceptibles de se produire — qu’il s’agisse des valeurs des inductances ou des condensateurs — n’ont pas été prises en compte dans cet exemple.

En ce qui concerne l’ondulation de la tension de sortie, la variation correspondante au niveau de l’ondulation du courant donne les valeurs indiquées à la figure 3. Le circuit est conçu de telle sorte qu’une ondulation de tension de 4,41 mV se produit à une fréquence de découpage de 600 kHz. Pour une fréquence de découpage de 540 kHz, l’ondulation de la tension est de 5,45 mV ; à 660 kHz, on observe une ondulation de la tension de 3,66 mV.

Figure 3. Variations de l’ondulation de la tension de sortie en fonction de la fréquence de découpage dans un régulateur à découpage.

Pour cet exemple, la seule variation prise en compte concerne la fréquence de découpage dans la plage de température admissible. En pratique, d’autres variables existent, telles que la variation des valeurs réelles de l’inductance et des condensateurs. Ces valeurs sont également affectées par la température de fonctionnement. Cependant, on peut également supposer que dans la plupart des cas, la variation effective de la fréquence de découpage n’atteindra pas les valeurs limites de ±10 %. Normalement, ce comportement apparaîtra autour de la valeur typique, au milieu de la plage spécifiée. Pour une prise en compte systématique de l’ensemble des variables dynamiques d’une alimentation électrique, une analyse de Monte-Carlo apportera les réponses recherchées. Ici, les variations des différents composants et paramètres sont pondérées en fonction de la probabilité de leur occurrence et liées les unes aux autres. Les analyses de Monte-Carlo peuvent être effectuées au moyen du logiciel de simulation LTspice® d’Analog Devices, disponible gratuitement.

Pour plus d’informations sur la façon de faire varier les paramètres dans une simulation LTspice, veuillez consulter l’article Worst-Case Circuit Analysis with Minimal Simulation Runs de Gabino Alonso et Joseph Spencer.

Frederik Dostal, ingénieur d’applications (FAE), Analog Devices

Source: com-trail.fr