Réaliser une conversion de tension 12 V vers 1,0 V/200 A avec un rendement de 90 % en utilisant un contrôleur abaisseur 6 phases double sortie et haute flexibilité

Les circuits intégrés à la demande (ASIC), les circuits logiques programmables sur site (FPGA) et les processeurs utilisés dans les solutions de communications, les serveurs et autres systèmes informatiques de hautes performances requièrent une alimentation principale capable de générer directement une tension de 1,0 V (ou moins) à partir d’une alimentation 12 V ou d’un bus intermédiaire avec un courant de charge maximum pouvant dépasser parfois 200 A. De telles alimentations doivent répondre à de rigoureuses spécifications de rendement et de performances tout en occupant un espace relativement réduit sur la carte électronique. Analog Devices propose sous la référence LTC7852/LTC7852-1 un contrôleur abaisseur 6 phases à double sortie qui permet de réaliser des solutions flexibles et performantes pour ce type d’alimentation.

Le contrôleur LTC7852/LTC7852-1 est conçu pour assurer un haut niveau de rendement. Au lieu d’utiliser des drivers de grille internes, chaque phase du LTC7852 produit une sortie PWM qui s’interface avec des blocs de puissance, des modules DrMOS ou des circuits de commande de grille externes associés à des MOSFET discrets. Les modules DrMOS permettent de réaliser une solution plus compacte et plus efficace en intégrant les MOSFET et les circuits de commande de grille dans un même boîtier. Ces composants sont généralement conçus pour des tensions d’entrée de 12 V. Les circuits de commande de grille externes et les MOSFET se caractérisent par de bonnes performances thermiques et peuvent fonctionner sous des tensions d’entrée plus élevées. L’architecture de détection DCR sub-milliohmique du contrôleur LTC7852 permet de mesurer le courant avec précision à des valeurs de résistance DCR (Direct Current Resistance) de seulement 0,2 m?, avec à la clé une baisse sensible des pertes par conduction. Le LTC7852-1 est spécifiquement conçu pour être associé à des modules DrMOS qui délivrent leurs propres signaux de mesure de courant.

Chaque tension de sortie est mesurée de manière différentielle et fonctionne dans une plage comprise entre 0,5 et 2,0 V (le plafond de 2,0 V s’applique uniquement à la version LTC7852), avec une précision de régulation totale de ±0,5 %. Les contrôleurs LTC7852 et LTC7852-1 étant polarisés à partir d’une alimentation externe de 5 V au lieu de la tension d’entrée, la plage de tension d’entrée du convertisseur n’est pas limitée par le circuit intégré. Sa plage de fréquence de découpage est comprise entre 250 kHz et 1,25 MHz, avec un temps minimum de conduction de 40 ns autorisant des rapports d’abaissement de tension élevés.

Les configurations à 3+3, 4+2 et 5+1 phases pour les deux sorties peuvent être sélectionnées à l’aide de la broche PHCFG. En configuration 3+3, les deux sorties peuvent être mises en parallèle pour constituer un convertisseur à 6 phases avec des courants de charge maximum de 240 A. L’utilisation d’un contrôleur à 6 phases au lieu de deux contrôleurs à 3 phases ou trois contrôleurs à 2 phases simplifie grandement la conception et le routage de la carte. Il est en outre possible de réaliser un montage comptant jusqu’à 12 phases en utilisant seulement deux contrôleurs.

Le LTC7852 est disponible en boîtier GQFN de 5 × 6 mm, et le LTC7852-1 en boîtier QFN de 4 × 5 mm.

Alimentation principale 6 phases à haut rendement

La figure 1 représente un convertisseur LTC7852 à 6 phases 1,0 V/200 A fonctionnant à une fréquence de découpage de 400 Hz avec une entrée 12 V. L’étage de puissance de chaque phase se compose d’un module DrMOS de 5 × 5 mm et d’une inductance ferrite de 0,25 µH avec une résistance DCR typique de 0,325 m?. Le rendement à pleine charge qui en résulte est de 90,0 % (figure 2). La température au point le plus chaud à pleine charge avec un flux d’air de 200 LFM (linear feet per minute) est de 78 °C à température ambiante (figure 3). En raison de la répartition précise du courant, la différence de température entre inductances est inférieure à 6°C.

Figure 1. Synoptique du convertisseur 6 phases 1,0 V/200 A LTC7852 avec modules DrMOS FDMF5820DC. La fréquence de découpage FSWITCH est de 400 kHz.
Figure 2. Courbe de rendement du circuit représenté à la Figure 1 sous une tension d’entrée VIN de 7 V, 10 V, 12 V et 14 V.
Figure 3. Image thermique du circuit représenté à la Figure 1 sous une tension d’entrée VIN de 12 V à pleine charge à la température ambiante de 24 °C et pour un flux d’air de 200 LFM.

Détection DCR sub-milliohmique

Le LTC7852 s’appuie sur une architecture de détection DCR sub-milliohmique propriétaire qui fonctionne en mode « courant de crête » pour améliorer le rapport signal/bruit du signal de mesure de courant. Un filtre de détection DCR aux bornes de l’inductance envoie un signal alternatif amplifié aux broches SNSP et SNSN. Un second filtre, monté en cascade avec le premier, envoie un signal en courant continu aux broches SNSP et SNSAVG. Le LTC7852 amplifie le signal continu et l’additionne au signal alternatif pour reconstruire le signal. Le signal ainsi reconstruit est un multiple de 5 du signal original, ce qui autorise un fonctionnement propre et stable avec des valeurs DCR de seulement 0,2 m?.

Surveillance du courant de sortie et protection contre les surintensités

Les broches IMON1 et IMON2 du LTC7852 produisent un signal proportionnel au courant de charge de leurs voies correspondantes et référencé à la broche V1P5. Ce signal peut être utilisé par un circuit de surveillance de l’alimentation ou par un convertisseur analogique/numérique et un microcontrôleur pour la détection de la charge.

La limitation du courant cycle par cycle représente un avantage natif de l’architecture en mode « courant crête ». La limitation du courant en mode « hiccup » assure un niveau de protection supplémentaire. Si une surintensité est présente pendant plus de 32 cycles, le convertisseur arrête de commuter pendant une période programmée par le condensateur de soft-start. À la fin de cet intervalle, la commutation reprend avec le démarrage progressif. Comme le montre la figure 4, le convertisseur commute pendant une période relativement brève pendant l’anomalie. Il en résulte une contrainte thermique nettement moins élevée sur les MOSFET et les inductances.

Figure 4. Protection contre les surintensités en mode Hiccup et reprise de la commutation.

Conclusion

Le contrôleur abaisseur 6 phases, double sortie, haute flexibilité et hautes performances LTC7852/LTC7852-1 est destiné aux alimentations à haut rendement et haute fiabilité qui utilisent des modules DrMOS, des blocs de puissance ou des MOSFET associés à des circuits de commande de grille externes. Ses caractéristiques incluent une détection DCR (LTC7852), des configurations de phase sélectionnables par l’utilisateur, une référence de tension de 0,5 V avec une précision de régulation totale de ±0,5 %, une mesure différentielle de la tension de sortie, une plage de fréquences de commutation comprise entre 250 kHz et 1,25 MHz, et une protection contre les limitations de courant en mode « hiccup ».

Mike Shriver, ingénieur d’applications senior, et Yingyi Yan, Concepteur de circuits intégrés senior, Analog Devices

Source: com-trail.fr