Qu'est-ce qu'un régulateur de tension de commutation ?

Les régulateurs à découpage sont un circuit essentiel pour générer efficacement des tensions d'alimentation stables et pour traduire les tensions vers le haut ou vers le bas.

Générer des tensions stables capables de générer des quantités importantes de courant est l’une des tâches fondamentales de la conception électronique. Un modèle de base pour un circuit électronique basse tension ressemble à ceci :

1. Une tension avec une capacité de commande de courant suffisante est fournie comme l'une des entrées principales du système.
2. Cette tension d'entrée, qui peut être trop élevée ou trop variable pour une utilisation directe dans le circuit, est convertie en une ou plusieurs tensions d'alimentation régulées dont les amplitudes correspondent aux spécifications des composants alimentés.
3. Ces composants (microcontrôleurs, amplificateurs opérationnels, etc.) utilisent les tensions d'alimentation régulées pour exécuter les fonctionnalités requises du circuit.

Il existe différentes manières d'y parvenir. Lorsque j'ai commencé à concevoir des circuits, j'ai utilisé des régulateurs de tension linéaires, tels que le vénérable 7805, autant que possible. De nos jours, cependant, il est impossible de nier que les régulateurs à découpage constituent souvent la meilleure méthode et, d'après mon expérience, ils sont d'habitude la méthode supérieure.

Dans cet article, nous discuterons de la nomenclature, puis explorerons les principes de base de la régulation de commutation.

Terminologie du régulateur à découpage

« Régulateur (de tension) à découpage » est peut-être le terme le plus courant et le plus reconnaissable pour désigner cette classe de circuit. Cependant, vous verrez également diverses combinaisons des termes suivants :

• Alimentation à découpage (SMPS)
• Commutateur ou interrupteur
• Convertisseur ou régulateur
• DC / DC

En fait, je préfère « régulateur à découpage » ou « alimentation à découpage », car le « mode à découpage » traduit mieux la nature de ces circuits : la commutation est le mode par lequel ils accomplissent leur tâche de régulation ou de conversion de tension.

Tous ces termes souffrent d'une ambiguïté qui pose rarement problème mais qui mérite néanmoins d'être noté : « régulateur à découpage » ou « alimentation à découpage » pourrait, en théorie, désigner un circuit qui génère un rail d'alimentation à l'aide de commutateurs en conjonction avec soit un inducteur ou un condensateur.

Alimentations à découpage basées sur une inductance ou un condensateur

En pratique, cependant, les termes mentionnés ci-dessus sont réservés aux commutateurs à inductance. La figure 1 est un exemple de régulateur de mode de commutation basé sur une inductance. La grande majorité des alimentations à découpage sont basées sur des inductances. Ce seront l’objet principal de cet article.

Figure 1. Topologie de base d'une alimentation à découpage basée sur une inductance. Image (modifiée) utilisée avec l'aimable autorisation de Wikimedia Commons

Les commutateurs basés sur des condensateurs, tels que l'exemple de circuit de la figure 2, sont généralement appelés alimentations « à pompe de charge » ou alimentations « à condensateur commuté ». Les figures 1 et 2 sont deux exemples de circuits qui produisent une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée.

Figure 2. Topologie de base d'une alimentation à découpage basée sur un condensateur. 

Régulation de tension linéaire

Pensons maintenant à un régulateur linéaire, comme illustré sur la figure 3. Les régulateurs linéaires ne peuvent que réduire la tension, nous savons donc que la tension d'entrée est supérieure à la tension de sortie.

Figure 3. Schéma fonctionnel de régulation de tension linéaire. Image de l'auteur

Un régulateur linéaire nécessite une petite quantité de courant pour fonctionner ; c'est ce qu'on appelle le courant de terre. Le courant de terre est souvent négligeable, alors ignorons-le et supposons que le courant circulant dans le régulateur est égal au courant circulant hors du régulateur et dans le circuit de charge alimenté.

Pensons maintenant au pouvoir. Nous calculons la puissance électrique comme la tension multipliée par le courant, et comme la sortie a courant égal mais tension plus basse par rapport à l'entrée, la puissance doit être perdue quelque part. Vous pouvez aussi imaginer que le régulateur linéaire est un simple élément résistif avec une chute de tension :

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

Dans ce cas, la puissance dissipée du régulateur linéaire, P_REG est:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

L’un des composants d’un régulateur linéaire est en fait un interrupteur : il ne s’agit pas d’un interrupteur électromécanique, mais d’un transistor capable de fonctionner comme un interrupteur purement électrique. Cependant, nous n'appelons pas un régulateur linéaire un régulateur à découpage car l'interrupteur ne s'allume ni ne s'éteint ; au lieu de cela, le commutateur fonctionne dans un état intermédiaire dans lequel il présente une résistance importante, et cette résistance dissipe la puissance et permet une réduction de la tension.

La régulation linéaire est simple et très efficace, mais elle est inefficace. Le commutateur fonctionne dans un état résistif intermédiaire et dissipe des quantités d’énergie potentiellement importantes sous forme de chaleur. Sauf si vous souhaitez que votre régulateur fonctionne comme un régulateur ainsi que  un radiateur électrique, cette énergie est gaspillée.

Régulation de tension à découpage

Cela nous amène au concept de régulateur à découpage. Si nous pouvons maintenir l’interrupteur entièrement activé ou complètement désactivé (en d’autres termes, si nous pouvons éviter cette région intermédiaire à forte dissipation de puissance), nous pouvons créer un régulateur beaucoup plus efficace. Mais notre discussion sur le régulateur linéaire suggère que la puissance gaspillée est nécessaire pour réduire la tension. Ce qu'il faut faire?

C'est là que l'inducteur entre en jeu. Un inducteur stocke et libère de l'énergie de telle manière que le courant qui le traverse ne peut pas changer instantanément. L'action de commutation marche/arrêt conduit à un courant d'inductance qui augmente et diminue progressivement. Lorsqu'une inductance est combinée à un condensateur, le filtre LC résultant peut lisser une forme d'onde marche/arrêt en une tension relativement stable. L'amplitude de la tension lissée est déterminée par le cycle de service de la forme d'onde marche/arrêt.

Par exemple, jetons un œil à la figure 4. Après filtrage, différents cycles de service (dans cet exemple, 10 %, 50 % et 90 %) correspondent à différents niveaux de tension continue (indiqués par les courbes rouges). Ces niveaux de tension continue ne sont pas parfaitement plats car certaines ondulations subsistent après filtrage.

Figure 4. Niveaux de tension continue en fonction du rapport cyclique PWM. Image de l'auteur

Ainsi, nous pouvons allumer et éteindre l'interrupteur à haute fréquence, puis utiliser la modulation de largeur d'impulsion et le filtrage pour créer la tension de sortie CC souhaitée. Nous pouvons également surveiller un signal de retour et ajuster le cycle de service PWM en fonction des conditions de charge. Il s'agit du mode de fonctionnement de base des circuits régulateurs à découpage : filtrage inductif pour fournir un courant de charge constant malgré l'action de commutation marche/arrêt ; feedback et PWM pour réguler la tension.

Même si le commutateur fonctionne à haute fréquence, il passe la plupart de son temps dans les états de faible dissipation de puissance (c'est-à-dire les états complètement activé et complètement désactivé). C'est pourquoi les régulateurs à découpage peuvent être bien plus efficaces que les régulateurs linéaires.

Bien sûr, il existe de nombreux détails et variantes que je n’ai pas mentionnés, mais si vous comprenez tout cela, vous disposez d’une base solide pour une étude plus approfondie.

Exemple de circuit régulateur de tension de commutation : le convertisseur Buck

La figure 5 montre la topologie de base d'un convertisseur abaisseur, également appelé convertisseur abaisseur. Il utilise un fonctionnement en mode commutation pour réduire l'amplitude d'une tension d'entrée CC. (Notez qu'à proprement parler, il ne s'agit pas d'un régulateur de tension puisqu'il n'inclut pas le sous-système de rétroaction nécessaire pour maintenir une tension stable malgré des conditions de charge variables.)

Figure 5. Exemple de type de circuit régulateur de tension à découpage : le convertisseur abaisseur.