Conce­voir un conver­tis­seur abais­seur syn­chrone à faibles IEM pour l’au­to­mo­bile

Le nombre crois­sant de sys­tèmes élec­tro­niques com­plexes dans l’au­to­mo­bile a sus­ci­té une forte de­mande en cir­cuits de ges­tion d’ali­men­ta­tion conju­guant un cou­rant de charge de forte in­ten­si­té, un ex­cellent ren­de­ment et une fré­quence de dé­cou­page éle­vée. Et

Electronique S - - Sommaire - JEFF GRUETTER (LINEAR TECH­NO­LO­GY) Di­plô­mé de l’uni­ver­si­té de Ca­li­for­nie à Berkeley (BSME) et de l’uni­ver­si­té de Ca­li­for­nie du Sud à Los Angeles (MBA), Jeff Gruetter est in­gé­nieur mar­ke­ting pro­duit pour les com­po­sants de puis­sance chez Linear Tech­no­lo­gy, u

Alors que les au­to­mo­biles conti­nuent à être équi­pées d’un nombre crois­sant de sys­tèmes élec­tro­niques des­ti­nés à amé­lio­rer la sé­cu­ri­té, le confort, l’ef­fi­ca­ci­té et les per­for­mances, tout en mi­ni­mi­sant les émis­sions pol­luantes, il n’est guère sur­pre­nant qu’elles né­ces­sitent des so­lu­tions d’ali­men­ta­tion moins en­com­brantes, as­sor­ties de ni­veaux de puis­sance consi­dé­ra­ble­ment plus éle­vés. En outre, avec la pro­li­fé­ra­tion des sys­tèmes sen­sibles aux in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques em­bar­qués dans un vé­hi­cule, la ré­duc­tion des IEM éma­nant des ali­men­ta­tions à dé­cou­page est de pre­mière im­por­tance. Pour les concep­teurs de ré­gu­la­teurs à dé­cou­page, il en ré­sulte des dé­fis sup­plé­men­taires. Se­lon une étude réa­li­sée par Stra­te­gy Ana­ly­tics, la de­mande en pro­duits à se­mi­con­duc­teurs adap­tés de­vrait pro­gres­ser se­lon un taux de crois­sance an­nuel com­po­sé de 5% par an au cours des sept pro­chaines an­nées. Sur un mar­ché es­ti­mé à 41 mil­liards de dol­lars d’ici 2021, l’ana­lyse de Stra­te­gy Ana­ly­tics in­dique que la de­mande en mi­cro­con­trô­leurs et en se­mi-conduc­teurs de puis­sance comp­te­ra pour plus de 40% des re­ve­nus gé­né­rés. Si l’étude four­nit une des­crip­tion très quan­ti­ta­tive des pré­vi­sions de crois­sance des com­po­sants élec­tro­niques dans l’au­to­mo­bile, l’as­pect le plus in­té­res­sant ré­side dans le rôle pré­pon­dé­rant des cir­cuits in­té­grés d’ali­men­ta­tion dans cette pro­gres­sion. Les nou­veaux de­si­gns réa­li­sés à par­tir de ces cir­cuits sont te­nus de pré­sen­ter les ca­rac­té­ris­tiques sui­vantes: - des per­for­mances ro­bustes pour une gamme éten­due de ten­sions, avec no­tam­ment la ca­pa­ci­té à trai­ter des tran­si­toires dé­pas­sant 36V. - des ni­veaux d’in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques (IEM) ex­trê­me­ment faibles. - le meilleur ren­de­ment pos­sible pour mi­ni­mi­ser les pro­blèmes ther­miques et op­ti­mi­ser la du­rée de vie de la bat­te­rie. - la plus faible em­preinte pos­sible. Ce qui im­pose des den­si­tés de puis­sance très éle­vées et des fré­quences de dé­cou­page de 2MHz ou au-de­là, pour main­te­nir le bruit de com­mu­ta­tion hors de la bande ra­dio AM. - un cou­rant de re­pos très bas (moins de 10 μA) afin de per­mettre aux sys­tèmes de sé­cu­ri­té, de contrôle en­vi­ron­ne­men­tal et d’in­fo-di­ver­tis­se­ment de res­ter en fonc­tion­ne­ment, sans épui­ser la bat­te­rie du vé­hi­cule lorsque le mo­teur (et donc l’al­ter­na­teur) est cou­pé. L’ob­jec­tif vi­sé avec l’ac­crois­se­ment du ni­veau de per­for­mance des cir­cuits in­té­grés d’ali­men­ta­tion est de fa­ci­li­ter la concep­tion de sys­tèmes élec­tro­niques de plus en plus com­plexes et nom­breux. Les ap­pli­ca­tions contri­buant à cette dy­na­mique concernent tous les as­pects d’un vé­hi­cule au­to­mo­bile. Ci­tons, par exemple, les nou­veaux sys­tèmes de sé­cu­ri­té, no­tam­ment pour la sur­veillance des voies de cir­cu­la­tion, le contrôle de sé­cu­ri­té adap­ta­tif, les ma­noeuvres de vi­rage au­to­ma­tique et la ré­gu­la­tion de l’éclai­rage des phares. Les sys­tèmes d’in­fo-di­ver­tis­se­ment (té­lé-

ma­tique), qui évo­luent constam­ment et ras­semblent tou­jours plus de fonc­tion­na­li­tés dans un es­pace dé­jà ré­duit, doivent gé­rer un nombre crois­sant d’ap­pli­ca­tions dans le cloud. Les sys­tèmes évo­lués de ges­tion du mo­teur, avec la mise en oeuvre de dis­po­si­tifs de dé­mar­rage/ar­rêt, de trans­mis­sions de charge élec­tro­niques et de contrôle du mo­teur, mais aus­si de ges­tion de la trans­mis­sion et de la caisse, ont pour fi­na­li­té d’amé­lio­rer à la fois les per­for­mances, la sé­cu­ri­té et le confort. Il y a dix ans, ces sys­tèmes n’exis­taient que sur les voi­tures haut de gamme. Ils sont au­jourd’hui de­ve­nus cou­rants dans les mo­dèles de tous les construc­teurs au­to­mo­biles, contri­buant ain­si à ac­cé­lé­rer en­core le dé­ve­lop­pe­ment des cir­cuits d’ali­men­ta­tion pour ce sec­teur. La fi­gure 1 met en évi­dence les in­nom­brables sys­tèmes élec- tro­niques que l’on trouve au­jourd’hui dans une au­to­mo­bile.

La ques­tion des tran­si­toires et des IEM

Bien que la ten­sion no­mi­nale d’un bus de bat­te­rie soit de 12V dans une au­to­mo­bile, elle va­rie de 9 V à 16 V se­lon l’ins­tant où l’al­ter­na­teur as­sure la charge. De plus, la ten­sion pro­duite par une bat­te­rie plom­ba­cide est sou­mise à des va­ria­tions im­por­tantes pen­dant des pé­riodes tem­po­raires. En ef­fet, dans un scé­na­rio de dé­mar­rage à froid ( cold-crank) ou de dé­mar­rage-ar­rêt ( stop-start), la ten­sion de la bat­te­rie peut chu­ter jus­qu’à 3,5 V. In­ver­se­ment, une si­tua­tion de rup­ture de charge ( load dump) peut por­ter le bus de bat­te­rie à un po­ten­tiel de 36V. Les cir­cuits in­té­grés d’ali­men­ta­tion sont dès lors te­nus de ré­gu­ler avec pré­ci­sion une sor­tie en dé­pit des va­ria­tions im­por­tantes de la ten­sion d’en­trée. La fi­gure 2 illustre cette large am­pli­tude de va­ria­tion tem­po­raire de la ten­sion au cours de sé­quences de dé­mar­rage à froid, d’ar­rêt-dé­mar­rage et de rup­ture de charge. Il est à no­ter que le cir­cuit in­té­gré d’ali­men­ta­tion concer­né, à sa­voir le LT8640, ré­gule avec pré­ci­sion la sor­tie à une ten­sion de 3,3 V dans toutes les si­tua­tions. L’en­vi­ron­ne­ment élec­trique au­to­mo­bile est, de fa­çon in­hé­rente, bruyant, alors que de nom­breuses ap­pli­ca­tions sont sen­sibles aux IEM. Par suite, il est vi­tal que les ré­gu­la­teurs à dé­cou­page n’am­pli­fient pas les pro­blèmes en rap­port avec les in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques. Un ré­gu­la­teur à dé­cou­page est gé­né­ra­le­ment le pre­mier com­po­sant ac­tif sur une ligne de bus d’ali­men­ta­tion d’en­trée. Quels que soient les

conver­tis­seurs si­tués en amont, son im­pact est si­gni­fi­ca­tif sur les per­for­mances glo­bales en ma­tière d’IEM. Mi­ni­mi­ser ces in­ter­fé­rences est alors un im­pé­ra­tif. His­to­ri­que­ment, le re­mède a consis­té à uti­li­ser un boî­tier do­té d’un blin­dage contre les IEM. Ce­pen­dant, un tel choix contri­bue de ma­nière si­gni­fi­ca­tive au coût et à l’en­com­bre­ment de la so­lu­tion, tout en com­pli­quant la ges­tion ther­mique, le test et la fa­bri­ca­tion. Une autre so­lu­tion re­pose sur le ra­len­tis­se­ment des fronts de com­mu­ta­tion du Mos­fet in­terne. Cette dé­marche a pour ef­fet in­dé­si­rable de ré­duire le ren­de­ment et de di­mi­nuer le temps de conduc­tion mi­ni­mal, com­pro­met­tant ain­si la ca­pa­ci­té du cir­cuit in­té­gré à dé­li­vrer des si­gnaux à faible rap­port cy­clique à des fré­quences de com­mu­ta­tion de 2MHz ou plus. L’ob­jec­tif étant d’ob­te­nir un ren­de­ment éle­vé et un en­com­bre­ment li­mi­té, cette ap­proche n’est pas viable.

Un haut ren­de­ment de ri­gueur

Fort heu­reu­se­ment, cer­tains mo­dèles de cir­cuits in­té­grés spé­ci­fiques ont été op­ti­mi­sés pour avoir si­mul­ta­né­ment une fré­quence de com­mu­ta­tion ra­pide, un fort ren­de­ment et de faibles temps de conduc­tion mi­ni­maux. Ces mo­dèles offrent gé­né­ra­le­ment des ni­veaux d’émis­sion IEM ré­duits de plus de 20 dB, à des fré­quences de com­mu­ta­tion aux alen­tours de 2 MHz et avec un ren­de­ment de 95 %. Cer­tains d’entre eux bé­né­fi­cient d’une op­tion d’éta­le­ment de spectre qui a pour ef­fet de ré­duire les émis­sions IEM de 10 dB sup­plé­men­taires. Ces ré­sul­tats sont ob­te­nus sans com­po­sants ou blin­dage ad­di­tion­nels, ce qui consti­tue une avan­cée si­gni­fi­ca­tive en ma­tière de concep­tion de ré­gu­la­teurs à dé­cou­page. Pour les cir­cuits de ges­tion de l’ali­men­ta­tion, un fonc­tion­ne­ment avec un ren­de­ment éner­gé­tique éle­vé est im­por­tant dans l’en­vi­ron­ne­ment au­to­mo­bile, pour deux rai­sons prin­ci­pales. En pre­mier lieu, plus la conver­sion de l’éner­gie est ef­fi­ciente, elle gé­nère de cha­leur. La cha­leur étant l’en­ne­mi de la fia­bi­li­té à long terme de tout sys­tème élec­tro­nique, la bonne ges­tion de ce pa­ra­mètre im­plique gé­né­ra­le­ment la pré­sence de dis­si­pa­teurs ther­miques. Ce qui a pour ef­fet de com­plexi­fier la so­lu­tion glo­bale, qui se­ra aus­si plus coû­teuse et plus en­com­brante. En se­cond lieu, l’éner­gie élec­trique gas­pillée dans les vé­hi­cules hy­brides ou élec­triques ré­duit de ma­nière di­recte leur au­to­no­mie de conduite. Jus­qu’à une pé­riode ré­cente, les cir­cuits in­té­grés mo­no­li­thiques haute ten­sion pour la ges­tion d’ali­men­ta­tion et les dis­po­si­tifs de re­dres­se­ment syn­chrone à haut ren­de­ment s’ex­cluaient mu­tuel­le­ment. En ef­fet, les pro­cé­dés mis en oeuvre pour réa­li­ser les cir­cuits in­té­grés n’étaient pas à même de rem­plir les deux ob­jec­tifs de haute ten­sion et de fort ren­de­ment. De telle sorte que les so­lu­tions les plus ef­fi­caces fai­saient ap­pel à des contrô­leurs haute ten­sion fonc­tion­nant avec des Mos­fet ex­ternes pour ef­fec­tuer le re­dres­se­ment syn­chrone. Vis-à-vis des ap­proches mo­no­li­thiques, ces confi­gu­ra­tions sont re­la­ti­ve­ment com­plexes et vo­lu­mi­neuses pour des ap­pli­ca­tions d’une puis­sance in­fé­rieure à 25 W. Fort heu­reu­se­ment, il existe au­jourd’hui sur le mar­ché de nou­veaux cir­cuits in­té­grés de ges­tion d’ali­men­ta­tion of­frant à la fois une haute ten­sion et un ren­de­ment éle­vé grâce à un dis­po­si­tif in­terne de re­dres­se­ment syn­chrone. Il existe plu­sieurs voies pour mi­nia­tu­ri­ser une so­lu­tion de conver­sion d’éner­gie. En gé­né­ral, le com­po­sant le plus en­com­brant n’est pas le cir­cuit in­té­gré lui-même, mais les in­duc­tances et les conden­sa­teurs ex­ternes. En aug­men­tant la fré­quence de com­mu­ta­tion du cir­cuit in­té­gré de 400kHz à 2MHz, il est pos­sible de ré­duire consi­dé­ra­ble­ment les di­men­sions de ces élé­ments (au ni­veau de l’em­preinte le gain est ap­proxi­ma­ti­ve­ment d’un fac­teur quatre).

Mais, pour le faire ef­fi­ca­ce­ment, le cir­cuit in­té­gré d’ali­men­ta­tion doit ga­ran­tir un haut ren­de­ment à des fré­quences plus éle­vées, ce qui, jus­qu’ici, n’était pas en­vi­sa­geable. Tou­te­fois, la ve­nue de nou­veaux pro­cé­dés et l’usage de tech­niques de concep­tion in­édites ont sus­ci­té le dé­ve­lop­pe­ment de cir­cuits in­té­grés d’ali­men­ta­tion syn­chrones, afin d’ob­te­nir un ren­de­ment ex­cé­dant 95% avec une fré­quence de com­mu­ta­tion de 2MHz. Ce fonc­tion­ne­ment à haut ren­de­ment mi­ni­mise les pertes d’éner­gie et éli­mine la né­ces­si­té de dis­si­pa­teurs ther­miques. Il a aus­si pour avan­tage de main­te­nir le bruit de com­mu­ta­tion hors de la bande de fré­quence AM. De nom­breux sous-sys­tèmes élec­tro­niques doivent fonc­tion­ner dans les modes «veille» ou «d’ac­ti­vi­té main­te­nue», en ti­rant un cou­rant de re­pos mi­ni­mal sur la ten­sion ré­gu­lée. Ces cir­cuits se trouvent dans la plu­part des sys­tèmes élec­tro­niques de ges­tion de la na­vi­ga­tion, de la sé­cu­ri­té et du mo­teur. Cha­cun de ces sous­sys­tèmes peut ex­ploi­ter plu­sieurs mi­cro­pro­ces­seurs et mi­cro­con­trô­leurs. La plu­part des voi­tures haut de gamme font par­fois ap­pel à plus de 150 pro­ces­seurs DSP, dont près de 20% de­meurent en ac­ti­vi­té per­ma­nente. Dans ces sys­tèmes, les cir­cuits in­té­grés de conver­sion d’éner­gie tra­vaillent dans deux modes dif­fé­rents. Dans le pre­mier, lorsque le vé­hi­cule est en marche, les cir­cuits qui ali­mentent ces DSP fonc­tionnent gé­né­ra­le­ment à la pleine in­ten­si­té du cou­rant four­ni par la bat­te­rie ou le sys­tème de charge. Dans le se­cond, lorsque le mo­teur du vé­hi­cule est cou­pé, les mi­cro­pro­ces­seurs de ces sys­tèmes doivent res­ter ac­tifs. Pour les cir­cuits qui les ali­mentent, ce­la im­pose la dé­li­vrance d’une ten­sion constante avec un cou­rant de bat­te­rie ab­sor­bé mi­ni­mal. Comme plus de 30 de ces pro­ces­seurs à fonc­tion­ne­ment conti­nu sont par­fois si­mul­ta­né­ment ac­tifs, il en ré­sulte une de­mande de puis­sance si­gni­fi­ca­tive pour la bat­te­rie, même lorsque le mo­teur est cou­pé. Glo­ba­le­ment, des cen­taines de mil­li­am­pères de cou­rant peuvent s’avé­rer né­ces­saires pour ali­men­ter ces pro­ces­seurs, ce qui au­ra sou­vent pour ré­sul­tat de mettre à plat une bat­te­rie en quelques jours.

Évi­ter les in­ter­fé­rences dans la bande AM

En consé­quence, il est né­ces­saire de ré­duire consi­dé­ra­ble­ment les cou­rants de re­pos de ces cir­cuits in­té­grés d’ali­men­ta­tion pour pré­ser­ver la du­rée de vie de la bat­te­rie, mais sans ac­croître les di­men­sions ou la com­plexi­té des sys­tèmes élec­tro­niques. Une ten­sion d’en­trée éle­vée et de faibles cou­rants de re­pos ont sou­vent consti­tué des exi­gences in­com­pa­tibles pour un conver­tis­seur DC-DC. Il y a une dé­cen­nie, plu­sieurs construc­teurs au­to­mo­biles ont fixé un ob­jec­tif de cou­rant de re­pos in­fé­rieur à 100μA pour tout conver­tis­seur DC-DC à fonc­tion­ne­ment per­ma­nent. La barre est au­jourd’hui plu­tôt pla­cée à une va­leur in­fé­rieure à 10 μA. Pour y par­ve­nir, une nou­velle gé­né­ra­tion de cir­cuits in­té­grés, ca­rac­té­ri­sés par des cou­rants de re­pos in­fé­rieurs à 2,5 μA en mode veille, a vu le jour. Jus­qu’à pré­sent, il n’exis­tait pas non plus de méthode ga­ran­tis­sant la sup­pres­sion des IEM, tout en rem­plis­sant les ob­jec­tifs de ren­de­ment, tous pa­ra­mètres qui dictent le choix d’un cir­cuit in­té­gré d’ali­men­ta­tion. Le ré­gu­la­teur LT8640 « Silent Swit­cher » sa­tis­fait à ces deux de­mandes. Le LT8640 est le deuxième com­po­sant d’une gamme de ré­gu­la­teurs buck (ha­cheur sé­rie) « Silent Swit­cher » syn­chrones à ten­sion éle­vée. Il est ici ques­tion d’un ré­gu­la­teur à dé­cou­page abais­seur syn­chrone, ac­cep­tant une ten­sion de 42V en en­trée, apte à dé­li­vrer un cou­rant conti­nu de 5 A(7 A en va­leur crête). Comme l’in­dique la fi­gure 3, les émis­sions IEM se si­tuent entre 10 dB et 30dB sous les va­leurs li­mites sti­pu­lées par la norme CISPR 25, classe 5, sans éta­le­ment de spectre. Les condi­tions sont les sui­vantes : fré­quence de dé­cou­page de 2 MHz, cou­rant de charge de 4 A, pas de blin­dage IEM. Une tech­nique d’éta­le­ment de spectre a pour ef­fet de faire chu­ter ces ni­veaux de 5dB à 10dB sup­plé­men­taires, dans la bande de fré­quence la plus cri­tique pour l’au­to­mo­bile. Cette com­bi­nai­son ré­duit les ni­veaux des IEM de plus de 25dB par rap­port aux ré­gu­la­teurs à dé­cou­page à l’état de l’art. Un sché­ma d’ap­pli­ca­tion ty­pique du LT8640 est re­pré­sen­té fi­gure 4. Le re­dres­se­ment syn­chrone éli­mine le re­cours à des diodes ex­ternes, ce qui se tra­duit par un ren­de­ment ac­cru et une so­lu­tion moins en­com­brante. La fré­quence de dé­cou­page est ici de 1MHz, avec une in­duc­tance de 3,3 μH. Le ren­de­ment ob­te­nu est de 96%. Ce­pen­dant, comme l’in­dique la fi­gure 5, un fonc­tion­ne­ment à 2MHz évite tout pro­blème d’in­ter­fé­rences avec la bande ra­dio AM. Une in­duc­tance de 2,2 μH est alors suf­fi­sante pour ob­te­nir un ren­de­ment de 95 %, en­core ex­cellent. Le ré­gu­la­teur LT8640 s’ap­puie sur une concep­tion par­ti­cu­lière qui, en mi­ni­mi­sant les pertes de com­mu­ta­tion, ga­ran­tit ce ren­de­ment éle­vé à des fré­quences de dé­cou­page de 2MHz et plus. La gamme de ten­sions d’en­trée du LT8640, com­prise entre 3,4 V et 42 V, en fait un choix idéal pour les ap­pli­ca­tions au­to­mo­biles et in­dus­trielles. Les com­mu­ta­teurs in­ternes du LT8640 gé­nèrent en sor­tie un cou­rant conti­nu at­tei­gnant 5 A, avec des pics d’in­ten­si­té de charge de 7 A, pour une ten­sion de 0,97 V seu­le­ment. Dans un fonc­tion­ne­ment en mode ra­fale ( Burst Mode), le LT8640 af­fiche un cou­rant de re­pos de 2,5μA. Dans un vé­hi­cule au­to­mo­bile, les sys­tèmes tou­jours connec­tés ne pré­sen­te­ront pas l’in­con­vé­nient de sou­ti­rer trop d’éner­gie à la bat­te­rie. Dans toutes les condi­tions de fonc­tion­ne­ment, la ten­sion de dé­chet du LT8640 est de seu­le­ment 100 mV à 1A. Ce qui lui per­met de ré­pondre à tous les scé­na­rios, no­tam­ment le dé­mar­rage à froid du vé­hi­cule. De plus, le temps de conduc­tion mi­ni­mal li­mi­té à 40ns au­to­rise une fré­quence de com­mu­ta­tion constante de 2MHz d’une en­trée 16V vers une sor­tie 1,5 V. Les concep­teurs ont alors la pos­si­bi­li­té d’op­ti­mi­ser le ren­de­ment tout en évi­tant les bandes de fré­quences cri­tiques, sen­sibles au bruit. Le boî­tier QFN à 20 broches (3 x 4 mm) du LT8640, et une fré­quence de com­mu­ta­tion suf­fi­sam­ment éle­vée pour faire ap­pel à des conden­sa­teurs et à des in­duc­tances ex­ternes de faibles di­men­sions, se tra­duisent par une so­lu­tion de grande com­pa­ci­té, ther­mi­que­ment ef­fi­ciente.

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