Il y a quelque temps, nous avons abordé dans un article les avantages et applications des convertisseurs de tension intégrés. Aujourd'hui, nous souhaitons poursuivre ce sujet et vous présenter une autre question importante liée aux systèmes d'alimentation. Convertisseurs et régulateurs linéaires - c’est-à-dire des systèmes remplissant des fonctions similaires, mais de façons complètement différentes. Dans ce texte, nous examinerons en détail les différences entre eux et expliquerons dans quels cas choisir chaque solution
Un convertisseur de tension est un système électronique dont la tâche est de convertir la tension en utilisant la technique impulsionnelle. Il se compose principalement d’un transistor servant de commutateur, d’un élément inertiel - généralement une inductance, d’une diode, ainsi que d’un circuit de commande. [caption id="attachment_70257" align="aligncenter" width="800"]
Fig. 1. Schéma simplifié d’un convertisseur abaisseur de tension[/caption]
Le transistor à passage fonctionne comme un interrupteur contrôlé - il se trouve alternativement en mode coupure, puis saturation (conduction). Ainsi, il ne dissipe quasiment aucune puissance, ce qui permet d’atteindre une grande efficacité. La valeur moyenne de la tension de sortie est contrôlée par la modulation de largeur d’impulsion (PWM) du signal sur la grille du transistor. C’est l’inductance et le condensateur qui assurent la conversion d’une série d’impulsions en courant continu. L’inductance agit comme un « volant d’inertie » - lorsque le transistor clé conduit, elle emmagasine l’énergie dans un champ magnétique. Quand le transistor ne conduit plus, elle devient une source temporaire d’énergie. Le condensateur, quant à lui, stocke la charge électrique, ce qui permet d’atténuer les fluctuations de tension. Ensemble, ils forment un filtre LC - un filtre passe-bas qui « reconstitue » un courant continu à partir des impulsions. Les topologies de régulateurs impulsionnels les plus courantes sont le convertisseur abaisseur de tension (buck) et le convertisseur élévateur (boost). On trouve aussi des configurations combinant les deux fonctions - le buck-boost - ainsi que des régulateurs inversant la polarité de la tension.
Les principaux composants d’un régulateur sont un transistor à passage ainsi qu’une sorte de source de tension de référence - généralement une diode Zener. Le système est contrôlé par une rétroaction négative, qui maintient une tension de sortie constante. [caption id="attachment_70263" align="aligncenter" width="800"]
Fig. 2. Schéma simplifié d’un régulateur linéaire[/caption]
Le transistor régule la valeur du courant qui le traverse en fonction de la différence entre la tension de consigne et la tension de sortie. Le système agit donc comme un diviseur de tension adaptant automatiquement sa résistance selon la tension d’entrée et la charge en sortie. Cela permet de maintenir une tension de sortie constante, tandis que l’énergie excédentaire est dissipée dans le transistor sous forme de chaleur. Ce mode de fonctionnement engendre le principal inconvénient des stabilisateurs : une efficacité relativement faible. Plus précisément, le rendement de conversion de tension est donné par le rapport entre la tension de sortie et la tension d’entrée du régulateur. Cela signifie que plus la différence de ces tensions est grande, plus le rendement sera faible. Dans de nombreux cas, cela engendre de grosses pertes sous forme d’énergie thermique. De plus, ce type de régulateur ne peut que diminuer la tension - les autres configurations possibles avec les régulateurs impulsionnels sont ici indisponibles. Aujourd’hui, la majorité des régulateurs linéaires est disponible sous forme de circuits intégrés. Cela leur confère une grande flexibilité et une facilité d’utilisation. Certains utilisent aussi un diviseur de tension résistif externe, permettant un réglage libre de la tension de sortie.
Voici quelques applications typiques où les avantages des convertisseurs impulsionnels sont particulièrement importants.
Le meilleur rendement de conversion est la principale raison pour laquelle les convertisseurs remplacent d’autres solutions. Cette caractéristique est cruciale dans les systèmes d’alimentation haute puissance. Moins de pertes d’énergie signifie moins de chaleur inutile à dissiper. Cela diminue aussi la consommation globale du système. C’est la raison principale pour laquelle ils sont aujourd’hui privilégiés dans les alimentation secteur, les postes à souder à onduleur, ou les chargeurs de véhicules électriques.
Comme mentionné plus tôt, le rendement d’un régulateur linéaire dépend du rapport tension de sortie / tension d’entrée. Plus la différence est grande, plus le rendement diminue. Autrement dit, plus on abaisse la tension, plus on perd d’énergie sous forme de chaleur. Pour illustrer cela, considérons un exemple : dans un appareil alimenté en 24V, on veut générer un rail 3,3V nécessaire à l’alimentation de la logique basse tension. Si on utilise un régulateur linéaire, le rendement sera : 
Ce qui signifie que la vaste majorité de l’énergie fournie, c’est-à-dire 86,25%, sera dissipée sous forme de chaleur. De telles pertes entraînent une forte augmentation de la consommation globale. De plus, dissiper efficacement cette grande quantité de chaleur peut poser problème. En revanche, notre convertisseur PSR1-783R3C peut réaliser cette conversion avec une efficacité pouvant atteindre 90%. Il offre également une large gamme de tensions d’entrée, et son boîtier compact intégré SIP le rend très facile à utiliser. Nous vous invitons à découvrir notre offre de convertisseurs DC et AC de la marque allemande renommée PEAK Electronics.
Pour les appareils alimentés par batterie, l’efficacité énergétique est également cruciale. Lors de la conception, on vise généralement à maximiser l’autonomie batterie. Le meilleur rendement des convertisseurs impulsionnels est alors un atout majeur. Certains peuvent atteindre une efficacité de 96%, impossible à obtenir avec les stabilisateurs linéaires. Un autre point est la chute de tension (dropout) caractéristique des régulateurs linéaires, typiquement entre 1V et 2V - cela signifie que la tension d’entrée doit être supérieure d’au moins cette valeur à la tension de sortie cible. Dans les appareils à alimentation batterie, c’est un problème car la tension des cellules diminue avec la charge et le déchargement. Par exemple, pour une pile alcaline LR6/AA nominale 1,5V, la tension peut tomber jusqu’à 0,8V. Par conséquent, pour obtenir la tension de sortie souhaitée, il est nécessaire d’assembler plusieurs cellules en série. Une solution possible est d’utiliser des régulateurs LDO (Low Dropout) à faible chute de tension - moins de 200mV. Toutefois, cela ne résout pas toujours complètement le problème. Prenons l’exemple d’un circuit 3,3V alimenté par une batterie Li-Ion NCM14500-850mAh nominale 3,6V. Pour réduire la tension, on utilise un régulateur LDO avec un dropout de 120mV. L’évolution de ses tensions entrée et sortie lors du déchargement sera alors : 
Comme le montre ce graphique, la tension de sortie désirée ne se maintient pas tout au long de l’utilisation - après un certain temps elle chute sous 3,3V. Si notre circuit ne peut pas fonctionner correctement sous cette tension, nous perdons environ 25% du temps d’utilisation de la batterie. Comment résoudre ce problème ? La solution la meilleure est d’utiliser un convertisseur - plus précisément en configuration buck-boost. Il permet de maintenir une tension de sortie constante quel que soit l’état de charge de la batterie, utilisant ainsi pleinement la capacité de celle-ci.
Bien que les convertisseurs soient généralement meilleurs, les régulateurs linéaires restent très utilisés dans de nombreux cas. Pourquoi ? Voyons les situations où un stabilisateur simple est un meilleur choix qu’un convertisseur impulsionnel.
Comme évoqué, la tension de sortie du convertisseur monte et descend à chaque cycle. Le condensateur en sortie a pour but de lisser ces variations, mais ne peut les éliminer totalement. Ainsi, la sortie de convertisseur présente toujours de petites interférences haute fréquence, appelées ondulations ou bruits. En général, elles sont assez faibles pour ne pas perturber l’équipement alimenté, mais certains appareils sont particulièrement sensibles, notamment le matériel audio ou d’instrumentation de précision. Dans ces cas, il faut garantir une alimentation bien stabilisée. Ceci requiert une conception soignée du convertisseur, incluant l’usage de condensateurs de découplage, ferrites, et circuits amortisseurs (snubbers). Cela augmente la complexité et le coût - c’est donc un autre cas où un régulateur linéaire peut être préférable. Les interférences électromagnétiques rayonnées peuvent aussi poser problème. Les convertisseurs fonctionnent souvent à des fréquences allant jusqu’à plusieurs dizaines de MHz, ce qui en fait une source importante de parasites électromagnétiques (EMI). Une émission excessive peut perturber le fonctionnement des circuits voisins et compliquer la conformité à la norme CEM. Choisir un régulateur linéaire permet d’éviter ces difficultés.
Un des avantages incontestés des régulateurs linéaires est leur simplicité d’emploi. Ils sont largement disponibles sous forme de circuits intégrés, et l’alimentation consiste en général en pas plus de trois composants. L’implémentation ne pose pas de problème, même pour un électron novice. Le seul inconvénient peut être la dissipation thermique, surtout en puissance élevée. Lire aussi : Refroidissement des composants électroniques Pour les convertisseurs, l’implémentation est souvent plus complexe. Le concepteur doit choisir des composants répondant à des spécifications précises. Un mauvais choix peut empêcher le convertisseur de fonctionner correctement. La conception du circuit imprimé doit être soignée - un positionnement serré des éléments et des connexions adéquates sont essentielles. Cela nécessite davantage d’expérience et de connaissances d’ingénierie. Une complexité plus grande implique aussi des coûts plus élevés. Le volume sur la carte PCB est aussi important - pour les appareils portables compacts, chaque millimètre carré compte. Un nombre plus élevé de composants nuit à l’optimisation de l’espace.
Chaque convertisseur consomme un petit courant permanent - appelé courant de repos. Il est nécessaire pour assurer les fonctions internes : suivi de la tension, génération des références, commutation des transistors, etc. Ce courant est tiré même sans charge - ainsi un convertisseur peut décharger une batterie lorsque l’appareil est inactif depuis longtemps. Les régulateurs, en raison de leur architecture, ont un courant de repos bien plus faible. Cela est important pour des systèmes longtemps en veille - les régulateurs linéaires permettent alors une consommation réduite. Il convient aussi de noter que le convertisseur atteint son meilleur rendement uniquement sous charge optimale - en dehors de ce régime, son efficacité diminue et peut devenir inférieure à celle du régulateur linéaire. Il est donc toujours utile de consulter les données techniques - l’efficacité s’évalue aisément via les courbes fonction du courant de charge.
Pour revenir à la question du titre - quelle solution choisir ? Quel système est le mieux adapté ou offre la meilleure efficacité ? Malheureusement, il n’y a pas de réponse unique. Chaque cas doit être étudié séparément par des calculs ou estimations. La conception électronique présente de nombreux détails et prendre la bonne décision demande beaucoup de savoir et d’expérience. C’est l’une des raisons pour lesquelles de plus en plus d’entreprises font appel à des bureaux d’études externes. Si vous envisagez cette option, ne cherchez pas plus loin - l’équipe expérimentée d’InterElcom se fera un plaisir de réaliser votre projet ! Nous proposons des solutions complètes - du cahier des charges jusqu’à la production. De plus, notre offre de composants électroniques est l’une des plus attractives sur le marché polonais. Nous vous invitons à découvrir l’offre de services d’InterElcom et à demander un devis gratuit.
