Choisir la bonne inductance CMS pour votre convertisseur DC-DC

Comprendre les fondamentaux de la conversion d'énergie en mode commutation est essentiel pour sélectionner l'inductance la plus adaptée à toute application DC-DC. Ce guide, écrit par Mitchell Rhine, Directeur de l'ingénierie chez Signal Transformer, explique les concepts clés et les étapes pratiques.

Les régulateurs de tension linéaires dissipent la puissance sous forme de chaleur : la tension aux bornes du transistor de passage multipliée par le courant de charge équivaut à la puissance gaspillée. En revanche, un convertisseur DC-DC en mode commutation fonctionne en allumant et éteignant rapidement le transistor de puissance avec un cycle de travail qui, après filtrage, délivre la tension de sortie désirée. Lorsque le transistor est passant, la chute de tension est négligeable ; lorsqu'il est bloqué, aucun courant ne circule. Ce comportement de commutation peut réduire la dissipation de puissance près de zéro, permettant des efficacités jusqu'à 95 % – bien plus élevé que les ~50 % typiques des régulateurs linéaires. De plus, la topologie des convertisseurs en mode commutation leur permet de fonctionner comme des circuits buck (abaisseur), boost (élévateur) ou buck-boost (inverseur).

Pour la clarté, nous nous concentrons sur la configuration la plus largement utilisée : un convertisseur buck à fréquence fixe fonctionnant en mode continu.

Fig. 1 : Un convertisseur DC-DC à commutation simple.

Un convertisseur buck de base comprend un interrupteur, une inductance, un condensateur et une diode (voir Fig. 1). En supposant un interrupteur et une diode idéaux (Vsw = 0 et Vd = 0) simplifie l'analyse, mais les conceptions réelles doivent tenir compte des chutes de tension non nulles.

Pendant la période ON, la diode est polarisée en inverse et le courant rampe linéairement de l'entrée vers la sortie à travers l'inductance. Lorsque l'interrupteur s'éteint (OFF), l'énergie stockée dans l'inductance force le courant à continuer de circuler ; la diode devient polarisée en direct, permettant au courant de décroître jusqu'à zéro avant le prochain cycle ON. Cette action de rampe stocke l'énergie dans le noyau magnétique pendant la phase ON et la libère pendant la phase OFF.

Fig. 2 : Forme d'onde du courant dans l'inductance d'un convertisseur buck.

La forme d'onde du courant consiste en une composante DC égale au courant de charge (Iload) et une composante AC qui rampe vers le haut et vers le bas périodiquement. En régime permanent, le courant à la fin d'un cycle de commutation égale le courant au début.

D'après le contrôle du cycle de travail, la tension de sortie est donnée par

Vout = D · Vin (Équation 1)

où D = ton / (ton + toff) et la fréquence de commutation est fsw = 1 / (ton + toff), avec ton = D / fsw.

En ajoutant les chutes de tension aux bornes des composants pendant la période ON (et en supposant Vsw = 0), on obtient

Vin – Vind – Vout = 0 (Équation 2)

En substituant Vind = L · di/dt, où di ≈ Iramp et dt = ton, on obtient

L · Iramp = (Vin – Vout) · ton (Équation 3)

L'équation 3 montre que pour une différence de tension entrée-sortie fixe, le produit de l'inductance et de la rampe de courant est constant. Augmenter L réduit Iramp, tandis qu'un L plus petit augmente le ripple de courant. Si L est choisi trop petit, Iramp peut devenir assez grand pour que le courant dans l'inductance tombe à zéro pendant une partie du cycle – entrant en mode de fonctionnement discontinu.

Un Iramp important n'augmente pas seulement le ripple de tension de sortie mais élève aussi les pertes AC du noyau. Comme règle empirique, Iramp doit rester une petite fraction du courant de charge maximal pour maintenir le ripple et les pertes acceptables.

Le courant de crête maximal que l'inductance doit supporter en régime permanent est

Imax = Iload,max + Iramp/2 (Équation 4)

Bien que Iramp soit indépendant de Iload, il dépend de la tension d'entrée. En considérant la période OFF, avec Vd = 0, on a

Vind – Vout = 0 (Équation 5)

En utilisant Vind = L · di/dt avec dt = toff, on obtient

Iramp = Vout · toff / L (Équation 6)

Puisque Vout est constant, Iramp atteint son maximum lorsque toff (et donc Vin) est au plus haut. Cela détermine le pire cas Imax via l'équation 4.

Avec les exigences d'inductance et de courant de crête établies, l'étape suivante consiste à sélectionner une inductance répondant aux contraintes électriques et mécaniques de la carte. Les inductances blindées ou à faible EMI sont idéales pour les conceptions denses et haute performance – comme celles trouvées dans les appareils IoT – car leur flux magnétique est confiné, réduisant les interférences rayonnées.

Par exemple, la série SCRH de Signal Transformer offre des pièces blindées magnétiquement avec des inductances de 1,0 µH à 180 µH, courants de saturation de 0,15 A à 5,0 A, et hauteurs de boîtier entre 1,9 mm et 4 mm. Si une inductance plus grande est nécessaire, la série SCxxxxC fournit des valeurs de 10 µH à 1 mH, courants de saturation de 0,045 A à 8 A, et hauteurs de 2,92 mm à 7,62 mm. Des séries supplémentaires sont disponibles pour les applications à fort courant ou pour celles nécessitant des inductances non blindées maximisant l'efficacité et la gestion de puissance dans un boîtier bas profil.

Source image vedette : Signal Transformer