Cet article compare les avantages de l’utilisation de la mesure du courant par résistance DC de l’inducteur dans les contrôleurs buck-boost à quatre commutateurs par rapport aux solutions traditionnelles.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Le convertisseur buck-boost à quatre commutateurs est populaire et bien connu pour générer une tension de sortie régulée au-dessus, en dessous ou égale à la tension d’entrée. Il déconnecte également l’entrée/la sortie (I/O) en cas de conditions de défaut extrêmes, telles que des courts-circuits d’entrée ou de sortie. En plus des protections contre les surintensités et les surtensions, les convertisseurs buck-boost à quatre commutateurs sont largement utilisés dans les dispositifs alimentés par batterie, les systèmes automobiles et les applications industrielles polyvalentes.
Nouvelle Technologie : Mesure du Courant par DCR de l’Inducteur
Alors que les précédents contrôleurs buck-boost à quatre commutateurs utilisaient des résistances de mesure de courant externes, le LTC7878 est le premier contrôleur buck-boost à quatre commutateurs conçu en utilisant la résistance DC de l’inducteur (DCR) pour la mesure du courant de l’inducteur. Mis en œuvre avec un nouveau schéma de contrôle en mode courant crête, il possède une limitation de courant crête cycle par cycle intégrée, que le régulateur soit en mode buck, boost ou buck-boost. Avec une plage de tension d’entrée large de 5 V à 70 V, la sortie peut être régulée de 1 V à 70 V avec une précision de ±1%. Ce nouveau convertisseur buck-boost élimine les pertes de puissance et réduit la taille de la solution en ne nécessitant pas de résistances de mesure de courant. En même temps, il abaisse le coût du système en éliminant les résistances de mesure de courant de forte puissance coûteuses. La mesure du courant par DCR de l’inducteur fournit également des informations continues sur le courant de l’inducteur, ce qui permet un contrôle en mode courant crête unifié et une opération parallèle facile dans des configurations multiphases multi-IC.
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Mesure du Courant de l’Inducteur dans les Convertisseurs Buck-Boost à Quatre Commutateurs
De nombreux contrôleurs buck-boost à quatre commutateurs nécessitent deux ou plusieurs résistances de mesure pour mesurer le courant I/O et le courant de l’inducteur pour un fonctionnement en boucle fermée. Analog Devices a des contrôleurs buck-boost uniques qui nécessitent une seule résistance de mesure pour mesurer le courant utilisé dans la boucle de contrôle en mode courant. La Figure 1 montre une méthode de mesure de courant référencée au sol utilisée dans de nombreux produits traditionnels. Elle est simple et facilement mise en œuvre à l’intérieur de l’IC. Cependant, elle ne peut mesurer le courant de l’inducteur que lorsque le commutateur B ou C est activé ; c’est le courant de vallée de l’inducteur en mode buck ou le courant de crête en mode boost, respectivement. Les options de conception du PCB seront limitées car les deux MOSFETs (B et C) sont connectés à la résistance de mesure de courant et doivent être placés près l’un de l’autre.
Figure 1. Mesure de courant référencée au sol dans les convertisseurs buck-boost à quatre commutateurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 2 montre une méthode de mesure de courant référencée au nœud de commutation utilisée dans certains autres contrôleurs buck-boost. La résistance de mesure de courant est placée en série avec l’inducteur, ce qui permet de mesurer le courant de l’inducteur en continu. Cependant, la tension sur la résistance de mesure au niveau du nœud de commutation oscille entre la tension d’entrée et la masse lorsque les commutateurs A et B s’allument/se coupent. Cela nécessite que le circuit de mesure de courant ait un très haut rapport de réjection de mode commun (CMRR) pour minimiser le bruit de mode commun. Comparé à des dizaines de volts en mode commun, le signal de courant de l’inducteur mesuré est seulement de 50 mV à 100 mV – un signal qui pourrait être facilement distordu pendant la commutation de la puissance. Les comparateurs de courant sont déconnectés pour contourner le bruit, et leurs entrées sont désactivées, comme montré dans la Figure 2. De brèves périodes de masquage omettent de courtes périodes d’information sur le courant de l’inducteur, bien que le signal mesuré soit continu.
Figure 2. Mesure de courant référencée au nœud de commutation dans les convertisseurs buck-boost à quatre commutateurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 3 montre la méthode de mesure de courant par DCR de l’inducteur utilisée dans le LTC7878. En faisant correspondre la constante de temps du réseau de mesure RC avec l’inductance et la DCR (L/DCR = Rs × Cs), le courant de l’inducteur est converti en signal de tension sur le réseau de mesure (Cs), et le gain est la DCR de l’inducteur. Le comparateur de courant est intégré sous le circuit BST1/SW1, qui oscille avec le nœud de commutation VIN-GND pendant le fonctionnement. En raison de la même tension de mode commun sur le comparateur de courant et le nœud de commutation, les entrées du comparateur de courant n’ont pas besoin d’être déconnectées du signal de mesure DCR lorsque SW1 commute. De cette manière, le courant de l’inducteur est régulé et limité en continu cycle par cycle. Comparé à la méthode de mesure de courant référencée au nœud de commutation, un seul comparateur sous BST1/SW1 est nécessaire.
En outre, une option pour supporter différentes valeurs de DCR et couvrir divers inducteurs est prévue. Pour des inducteurs avec une petite DCR, la broche ISNSD peut être configurée pour amplifier le signal et améliorer le rapport signal/bruit (SNR) quatre fois plus que le schéma de mesure DCR conventionnel. La conception à haut SNR améliore considérablement la fiabilité du système et assure un fonctionnement stable de la commutation sur différents cycles de service.
Figure 3. Mesure de courant par DCR de l’inducteur dans les convertisseurs buck-boost à quatre commutateurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Opération Parallèle Polyphasée
La mesure de courant par DCR de l’inducteur et les informations continues sur le courant de l’inducteur permettent au LTC7878 de mettre en œuvre un schéma de contrôle en mode courant crête unifié. Ce schéma permet une opération polyphasée, tout comme de nombreux contrôleurs DC-DC buck ou boost en mode courant crête. En partageant toutes les broches ITH et en chaînant toutes les broches CLKOUT, plusieurs dispositifs LTC7878 peuvent être mis en parallèle pour fournir plus de courant à la charge.
Le courant de charge est réparti uniformément entre tous les canaux, et le partage de courant entre les inducteurs assure un équilibre thermique et une haute efficacité. Le partage unique du courant de l’inducteur cycle par cycle réduit le stress de surintensité sur les inducteurs pendant le démarrage et les transitoires de charge, améliorant ainsi la fiabilité du système.
La fréquence de commutation peut être programmée entre 100 et 600 kHz ou synchronisée avec une horloge externe. Les pilotes de porte NMOS intégrés de 7 V peuvent piloter des MOSFETs de niveau logique ou non logique. Parmi les autres caractéristiques figurent une broche de polarisation externe VCC intelligente, une broche indicatrice PGOOD, et un mode de conduction discontinue/sélectable (DCM/CCM) avec des réglages de limite de courant différents. Le LTC7878 peut être utilisé pour des entrées allant jusqu’à 70 V et pour des sorties programmables de 1 V à 70 V, et il est disponible dans un boîtier QFN de 5 mm × 5 mm.
Le LTC7878 est un contrôleur buck-boost à quatre commutateurs haute performance avec mesure du courant par DCR de l’inducteur. Il utilise le contrôle en mode courant crête dans les régions buck, boost ou buck-boost et fournit toujours des limites de courant crête cycle par cycle et des protections. En utilisant la mesure du courant par DCR de l’inducteur, la solution offre une haute efficacité tout en réduisant le coût des composants. Plusieurs parties peuvent facilement fonctionner en parallèle dans une architecture polyphasée pour maximiser la puissance.
Cet article est paru initialement dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].