Convertisseurs de tension intégrés inductifs : principes fondamentaux

La conversion statique de l’énergie électrique se concrétise notamment par des convertisseurs à découpage. Le propos ici concerne la conversion d’un niveau de tension continue vers un autre, dont l’amplitude est soit plus grande soit plus petite. On parle également de régulateur de tension à découpage, en référence aux régulateurs de tension linéaires. La fonction recherchée est bien de créer un niveau de tension (continue) de valeur précise, pour alimenter une fonction. Dans les produits électroniques de faible puissance, ces convertisseurs sont nombreux. Ils le sont encore plus quand le produit électronique est alimenté par une batterie ou une pile. Tous les appareils nomades répondent à ce critère en général mais un téléviseur moderne, à diodes électroluminescentes, pose les mêmes contraintes de conversion d’énergie, mais dans ce cas la tension initiale est produite à partir du réseau électrique.

Jusqu’à un passé encore récent, le régulateur de tension (type 7805) répondait à l’objectif de générer une tension continue précise (en l’occurrence 5 volts) à partir d’une source primaire de tension continue, plus ou moins régulée (en l’occurrence au moins 9 volts en ce qui concerne le circuit 7805). Avec la démocratisation des batteries de petite taille, il est devenu nécessaire de penser au rendement de conversion, pour un objectif d’autonomie. En effet il existe pour un régulateur de tension linéaire un rendement dans le rapport entre sa tension de sortie et sa tension d’entrée. Si la tension à générer vaut la moitié de la tension d’entrée, 50 % de l’énergie est dissipée en chaleur. Or les produits électroniques utilisent des circuits souvent fabriqués en technologie CMOS, et dont la tension d’alimentation est toujours plus petite avec l’avancement technologique. En outre, les circuits électroniques alimentés par le régulateur de tension peuvent présenter une variation très rapide de consommation (le courant appelé). Pour maintenir la tension de sortie à sa valeur nominale, une boucle de régulation doit être mise en place. Il est aussi nécessaire maintenant d’ajuster en temps réel la valeur de la tension continue. Le rôle de la boucle de régulation, ou boucle fermée ou schéma de contrôle, sera double. Même triple si l’on considère que la tension d’entrée (batterie) va varier inexorablement durant les cycles de décharge et de charge. La boucle de régulation devra là encore maintenir la tension de sortie à sa valeur nominale. Un régulateur linéaire peut le faire mais un convertisseur statique à découpage aussi et il a été montré que son rendement énergétique est supérieur à celui d’un régulateur linéaire de tension [D3075].

Le contexte de cet article est donc l’alimentation de circuits électroniques intégrés à partir d’une tension faible, une batterie par exemple, donc située entre 5 volts (la charge), 3,3 volts (la tension nominale) et 2,7 volts (la tension limite basse) dans le cas d’une cellule lithium-ion standard. Les technologies CMOS sur silicium, avancées, avec lesquelles sont fabriquées les circuits à alimenter, exigent des tensions inférieures à 1,2 volts maintenant. Il s’agira d’un convertisseur abaisseur (dit hacheur série ou buck). Le facteur de conversion entre tension de sortie et tension d’entrée est donc de 0,36 (ce serait le rendement d’un régulateur linéaire). Certaines fonctions exigent par contre des tensions élevées comme l’éclairage à diodes électroluminescentes (12 volts) ou la valeur de tension nécessaire pour l’écriture de données dans une mémoire de type Flash. Le convertisseur aura pour fonction d’élever la tension (il sera appelé hacheur parallèle ou boost). Le troisième cas de convertisseur est appelé buck-boost car il mutualise ses composants pour produire les deux actions.

Chaque circuit intégré fonctionnel au sein d’un produit nécessite une tension d’alimentation spécifique, et un convertisseur à découpage particulier lui est associé, quand il est posé sur une carte (au sein du produit). Un autre circuit avec une tension d’alimentation différente nécessitera un autre convertisseur. On comprend que cette approche explique la place importante dédiée à ces convertisseurs à la surface d’une carte électronique. Il y a donc nécessité « d’intégrer » chaque convertisseur. En pratique le présent article montrera que les composants actifs et la boucle de régulation sont co-intégrés sur la même puce de silicium et les composants passifs connectés à cette puce (on les dira off-chip). Les moyens d’assembler au plus près les composants passifs avec la puce silicium seront discutés dans l’article [D3185].

Une autre approche consiste à faire « entrer » le convertisseur de tension dans la puce qui porte les fonctions électroniques qui cherchent une alimentation. Cette approche est présentée dans l’article [D3186].

Les articles D3185 et D3186 partagent deux fondamentaux : l’étage de puissance du convertisseur qui correspond à un premier choix qui conditionne les performances du convertisseur, et par ailleurs la boucle de régulation qui va donner au convertisseur ses caractéristiques de performances statiques et dynamiques. La performance statique sera la précision sur la tension de sortie tandis que les performances dynamiques caractériseront la capacité du convertisseur à maintenir la tension de sortie à sa valeur nominale quelles que soient les perturbations qui toucheraient le convertisseur.

Aussi seront présentés ici les étages de puissance intégrés les plus utilisés, puis une approche de conception sera proposée pour leur dimensionnement.

L’article [D3183] introduira le rôle de la boucle de régulation et ses objectifs. De multiples stratégies sont possibles, en tension ou en courant, linéaires ou non. L’idée n’est pas ici de proposer une vue exhaustive de la notion de boucle de régulation mais de présenter les approches les plus utilisées et la manière de les dimensionner. L’article [D3184] couvrira les approches dites hystérétiques, ou en mode dit glissant alors que l’article [D3183] traitera des solutions déterministes. Dans le cas des stratégies hystérétiques ou en mode glissant, il sera montré que la fréquence du découpage est fortement variable. Des circuits électroniques comme les radios sans fil s’en accommodent mal. Des solutions de synchronisation sont alors mises en œuvre, également présentées dans l’article [D3184] et illustrées dans l’article [D3185].