Régulateurs à découpage silencieux et efficaces

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Les régulateurs à découpage surclassent leurs homologues linéaires par plusieurs aspects, et en particulier par leur haut rendement dans la conversion de puissance élevée qui est leur domaine d’excellence. Ils possèdent cependant un certain nombre de points faibles. L’un des défis majeurs dans nombre d’applications réside dans les interférences inhérentes aux régulateurs à découpage, car ce type de dispositif produit à la fois des émissions conduites, en particulier en entrée et en sortie, mais aussi des interférences électromagnétiques rayonnées (EMI). Ces interférences électromagnétiques peuvent influencer des composants critiques dans les circuits électriques, ce qui diminue les performances du système. Elles peuvent également nuire à la conformité aux spécifications imposées telles que, par exemple, la limite définie par la norme CISPR 22 classe B pour les émissions rayonnées entre 30 MHz et 450 MHz.

La figure 1 représente une forme d’onde idéalisée sur le nœud de commutation d’une alimentation à découpage. Outre la fréquence de découpage effective en général entre 500 kHz et 3 MHz pour les alimentations non isolées, des fréquences approximativement comprises entre 10 MHz et 1 GHz sont également produites par les transitions de commutation correspondant à des durées de transition situées habituellement entre 1 ns et 100 ns.


Figure 1. Fréquences et interférences associées produites par une alimentation à découpage.

Il est possible de réduire les interférences produites par la commutation rapide en prolongeant le temps de transition. Ralentir les transitions de commutation permet non seulement de décaler les interférences vers des fréquences plus basses, mais également de diminuer leurs amplitudes. La formule V = L × di/dt rend compte du phénomène. Ainsi, en cas de commutation très rapide du courant circulant dans un régulateur à découpage (fronts montants et descendants), il se produit un décalage de tension supérieur pour une inductance parasite fixe. Cette situation provoque aussi l’augmentation des interférences.

Ce constat pourrait conduire à penser qu’il est préférable de travailler avec des transitions de commutation lentes. Concernant l’interférence produite, c’est tout à fait vrai. Malheureusement, ralentir les transitions de commutation s’accompagne de plus de pertes. Au cours d’une transition, le commutateur possède une certaine résistance et il n’est ni complètement passant ni complètement bloqué. Dans cette période, le commutateur a une résistance élevée. Ceci génère des pertes de puissance et réduit le rendement de conversion du régulateur à découpage.

Traditionnellement, les concepteurs devaient choisir entre un rendement élevé avec un haut niveau de bruit ou un rendement de conversion plus faible avec moins d’interférences. Les interférences électromagnétiques peuvent être limitées par l’ajout de filtres et un blindage, mais cela accroît significativement la complexité de fabrication, la taille et les coûts.

Pour concevoir un régulateur à découpage offrant le meilleur rendement, de faibles interférences électromagnétiques et un encombrement réduit, les ingénieurs du groupe ADI Power by Linear™ ont développé la technologie Silent Switcher®. Dans un régulateur Silent Switcher, la boucle de courant à fort rapport di/dt est scindée en deux boucles symétriques, ce qui conduit à deux champs magnétiques qui s’annulent mutuellement, comme le montre la figure 2. Ce dispositif qui permet d’éliminer le bruit réduit en général les interférences électromagnétiques de 20 à 40 dB.

Tension d’entrée Tension de sortie

Figure 2. Annulation du champ grâce à la symétrie des courants commutés.

La figure 2 représente la disposition symétrique des traces et du commutateur. Elle permet la division du courant commuté en deux circuits symétriques. Le premier circuit produit un champ de même puissance, mais d’orientation opposée au second. Ainsi, ces champs d’interférence s’annulent largement mutuellement.

La technologie Silent Switcher et la nouvelle technologie Silent Switcher 2 garantissent également des rapports VIN / VOUT élevés en haute fréquence, tout en maintenant un faible niveau de bruit. Ceci permet d’obtenir des solutions de taille totale réduite. Ces architectures rendent les régulateurs à découpage compacts, silencieux et efficaces.

Frederik Dostal
Analog Devices Inc.