Électrotechnique ISD › Alimentation des circuits

Adapter les tensions

La tension fournie par un accumulateur ou un bloc d’alimentation ne correspond pas toujours aux besoins de la charge. Les chapitres suivants présentent deux méthodes permettant de modifier la tension de la source. On veille à fournir toujours une tension constante et capable de débiter, même si le courant de charge varie. L’objectif est une source de tension idéale commandable ou réglable.

LDO

Un LDO (régulateur à faible chute de tension, en anglais « low-dropout regulator ») est un circuit intégré (CI) à tension d’entrée variable et tension de sortie fixe. Un LDO a toujours besoin d’une tension d’entrée plus élevée, qu’il réduit à une tension de sortie plus basse. La tension d’entrée peut varier dans une large plage. La tension de sortie est fixe.

La tension de la batterie à l’entrée du LDO peut donc varier – selon la charge, le SOC, le type de batterie, etc. Elle doit seulement être supérieure à la tension d’entrée minimale indiquée dans la fiche technique du LDO. La tension de sortie a une valeur fixe, également indiquée dans la fiche technique. Vous choisissez donc un LDO selon une plage de tension d’entrée et une tension de sortie adaptées.

La tension de dropout (dropout) est la différence entre la tension d’entrée et la tension de sortie. Les bons LDO fonctionnent déjà avec une tension de dropout de quelques centaines de mV. Avec un bon LDO, vous pouvez par exemple produire une tension de sortie de 3,3 V à partir d’une tension d’entrée de 3,5 V ou plus. Voici un exemple que nous utiliserons tout au long de ce chapitre :

Quatre accumulateurs NiMH AA sont montés en série. Selon le SOC, la tension de sortie d’un accumulateur est comprise entre 1 V et 1,3 V. En série, la tension de sortie vaut [4 V … 5,2 V]. Le microcontrôleur de la charge a besoin d’une tension d’alimentation de 3,3 V. La charge présente au total une résistance (équivalente) R = 100 Ω. Selon le SOC des accumulateurs, il reste au LDO une tension de dropout de [0,7 V … 1,9 V].

\[ \begin{gathered} U_{\mathrm{Akkus}} = [4\,\mathrm{V} \ldots 5{,}2\,\mathrm{V}] \\[4pt] U_{\mathrm{Schaltung}} = 3{,}3\,\mathrm{V} \\[4pt] U_{\mathrm{Dropout}} = U_{\mathrm{Akkus}} - U_{\mathrm{Schaltung}} = [0{,}7\,\mathrm{V} \ldots 1{,}9\,\mathrm{V}] \end{gathered} \]

LDO entre les accumulateurs et le circuit, avec tension de dropout

Un LDO a une tension de dropout minimale, qui dépend en général du courant de sortie. La tension de dropout ne doit pas être inférieure à celle indiquée dans la fiche technique. Elle peut en revanche être supérieure. Il faut seulement ne pas dépasser la tension d’entrée maximale du LDO.

Un LDO a une puissance maximale limitée. L’accumulateur fournit une tension. La charge placée derrière le LDO tire du courant de l’accumulateur. Comme le LDO est en série entre accumulateur et charge, tout le courant de charge le traverse. La tension de l’accumulateur se répartit entre la tension de dropout du LDO et la tension de la charge. On a

\[ \begin{gathered} \text{En général :} \\[4pt] \text{Équation de maille : } U_{\mathrm{Akku}} = U_{\mathrm{Dropout}} + U_{\mathrm{Last}} \\[4pt] \text{Montage en série : } I_{\mathrm{Akku}} = I_{\mathrm{LDO}} = I_{\mathrm{Last}} \\[4pt] \text{Puissance : } P_{\mathrm{Akku}} = P_{\mathrm{LDO}} + P_{\mathrm{Last}} \end{gathered} \]

LDO entre les accumulateurs et le circuit, courant ILDO et tension de dropout

\[ \begin{gathered} \text{Exemple : 4 accumulateurs AA en série avec } U_{\mathrm{Schaltung}} = 3{,}3\,\mathrm{V} \text{ et } R_{\mathrm{Schaltung}} = 100\,\Omega\text{ :} \\[4pt] U_{\mathrm{Akkus}} = 5{,}2\,\mathrm{V} \\[4pt] U_{\mathrm{Dropout}} = U_{\mathrm{Akkus}} - U_{\mathrm{Schaltung}} = [0{,}7\,\mathrm{V} \ldots 1{,}9\,\mathrm{V}] \\[4pt] U_{\mathrm{Dropout,Max}} = 1{,}9\,\mathrm{V} \\[4pt] I_{\mathrm{LDO}} = I_{\mathrm{Schaltung}} = \frac{U_{\mathrm{Schaltung}}}{R_{\mathrm{Schaltung}}} = \frac{3{,}3\,\mathrm{V}}{100\,\Omega} = 33\,\mathrm{mA} \\[4pt] P_{\mathrm{LDO,Max}} = U_{\mathrm{Dropout,Max}} \cdot I_{\mathrm{LDO}} = 1{,}9\,\mathrm{V} \cdot 33\,\mathrm{mA} = 62{,}7\,\mathrm{mW} \end{gathered} \]

La puissance absorbée par un LDO est le produit du courant qui le traverse par la tension de dropout. Cette puissance est entièrement convertie en chaleur. Le LDO peut donc devenir très chaud. Sa puissance est donc limitée à une valeur maximale (fiche technique). Vous pouvez donc utiliser le LDO soit avec peu de courant et une tension d’entrée élevée, ce qui donne une forte tension de dropout, soit avec un fort courant et une tension d’entrée moins élevée.

Un LDO n’est pas une source de tension idéale. Il a quelques propriétés réelles, mais en général bien meilleures que celles des accumulateurs. Sa tension de sortie ne dépend par exemple pas du SOC. Nous nous rapprochons ainsi de plus en plus d’une source de tension continue idéale. Plus la tension de dropout est élevée, meilleures sont en général les propriétés réelles du LDO.

Le LDO a une résistance de sortie. Une tension interne baisse donc avec le courant de sortie. Mais cette tension interne n’est pas la tension de sortie. Tant que la tension de dropout est suffisante, vous ne le remarquez pas en sortie, car le LDO compense cet effet en interne.

Convertisseurs continu-continu

Les convertisseurs continu-continu (DC/DC) produisent, à partir d’une tension continue d’entrée variable, une autre tension continue de sortie fixe. Un grand avantage est que la tension de sortie peut aussi être supérieure à la tension d’entrée. Avec les quatre accumulateurs NiMH AA de [4 V … 5,2 V], vous pouvez par exemple réaliser avec un convertisseur DC/DC une tension d’alimentation de 12 V pour des amplificateurs opérationnels. Si votre circuit a besoin de plus de tension que l’accumulateur ne peut en fournir, vous avez donc trois possibilités : utiliser un autre accumulateur, mettre plusieurs accumulateurs en série ou utiliser un convertisseur DC/DC.

On utilise parfois aussi des convertisseurs DC/DC lorsque la tension de sortie est (nettement) inférieure à la tension d’entrée et que le courant est important. Prenons un exemple. On a :

\[ \begin{gathered} U_{\mathrm{Akkus}} = 18\,\mathrm{V} \text{ (batterie de perceuse)} \\[4pt] \text{Objectif : } U_{\mathrm{Schaltung}} = 5\,\mathrm{V} \\[4pt] \text{Courant de charge du circuit : } I_{\mathrm{Schaltung}} = 1\,\mathrm{A} \\[4pt] P_{\mathrm{Schaltung}} = 5\,\mathrm{V} \cdot 1\,\mathrm{A} = 5\,\mathrm{W} \\[4pt] \text{Solution avec LDO : } P_{\mathrm{LDO}} = U_{\mathrm{Dropout}} \cdot I_{\mathrm{Schaltung}} = (18\,\mathrm{V} - 5\,\mathrm{V}) \cdot 1\,\mathrm{A} = 13\,\mathrm{W} \\[4pt] P_{\mathrm{Akkus}} = P_{\mathrm{LDO}} + P_{\mathrm{Schaltung}} = 18\,\mathrm{W} \end{gathered} \]

Avec cette solution, l’énergie de la batterie est surtout transformée en chaleur dans le LDO, et seule une petite partie est utilisée dans le circuit. Le rendement de la solution indique le pourcentage de la puissance de la batterie réellement utilisé dans la charge. Pour les circuits alimentés par batterie en particulier, le rendement doit être le plus élevé possible, sinon il faut une batterie beaucoup trop grosse. Ici, on a :

\[ \text{Rendement } \eta = \frac{P_{\mathrm{Last}}}{P_{\mathrm{Akkus}}} = \frac{5\,\mathrm{W}}{18\,\mathrm{W}} = 27{,}8\,\% \]

Les convertisseurs DC/DC fournissent leur tension de sortie avec un rendement élevé, typiquement entre 70 % et 95 %, selon les tensions d’entrée et de sortie et selon le courant de charge. Pour la solution ci-dessus, un convertisseur DC/DC avec un rendement supposé de η = 80 % serait avantageux. Son rendement est meilleur que celui du LDO, car il ne transforme pas l’excès de tension en chaleur dans un composant : il convertit l’énergie à l’aide d’interrupteurs à commutation rapide et d’accumulateurs (bobine, condensateur). C’est pourquoi le courant d’entrée est beaucoup plus faible que le courant de sortie.

Vous pouvez calculer le courant d’entrée – et donc la sollicitation des accumulateurs – à partir du rendement. On a :

\[ \begin{gathered} \text{Tension d’entrée } U_{\mathrm{Ein}} = 18\,\mathrm{V} \\[4pt] \text{Tension de sortie } U_{\mathrm{Aus}} = 5\,\mathrm{V},\; I_{\mathrm{Aus}} = 1\,\mathrm{A} \\[4pt] \text{Puissance de sortie } P_{\mathrm{Aus}} = 5\,\mathrm{W} \\[4pt] \text{Rendement } \eta = 80\,\% \text{ : } P_{\mathrm{Ein}} = \frac{P_{\mathrm{Aus}}}{\eta} = 6{,}25\,\mathrm{W} \\[4pt] \text{Courant d’entrée } I_{\mathrm{Ein}} = \frac{P_{\mathrm{Ein}}}{U_{\mathrm{Ein}}} = \frac{6{,}25\,\mathrm{W}}{18\,\mathrm{V}} = 347\,\mathrm{mA} \end{gathered} \]

Avec le LDO, on tire 1 A des accumulateurs. Un convertisseur DC/DC n’en tire qu’environ un tiers. Pour abaisser une tension, un convertisseur DC/DC est surtout intéressant lorsque la tension d’entrée est bien supérieure à la tension de sortie et que le courant est important. Comparé à un LDO, il transforme alors relativement peu de puissance inutilement en chaleur.

Les convertisseurs DC/DC sont relativement chers et prennent pas mal de place sur une carte. On ne trouve donc pas cette solution dans les circuits bon marché et/ou petits.

Comme la tension de sortie d’un convertisseur DC/DC contient de fortes perturbations à haute fréquence, on place presque toujours un filtre passe-bas derrière. Comme un LDO agit comme un filtre passe-bas, on monte souvent des LDO derrière les convertisseurs DC/DC. Ces LDO ne reçoivent alors qu’une tension de dropout aussi faible que possible, sinon le bilan énergétique du circuit redevient mauvais.

Fin