Qu’est-ce qu’un convertisseur DC-DC ?
Un convertisseur DC/DC est un dispositif d’alimentation qui produit différentes tensions DC à partir d’une alimentation DC qui délivre une tension constante.
Un convertisseur qui produit une tension supérieure à la tension continue d’entrée est appelé “convertisseur boost”. Dans le cas d’un convertisseur qui produit une tension inférieure, il est appelé “convertisseur buck”.
Utilisations des convertisseurs DC-DC
Les convertisseurs DC/DC sont utilisés à l’intérieur des équipements électroniques pour fournir une tension d’alimentation appropriée à certains circuits.
En général, les équipements électroniques fonctionnent avec une alimentation commerciale (CA). Les circuits électroniques ont cependant besoin d’une alimentation en courant continu. Par conséquent, l’alimentation commerciale est convertie une fois en courant continu. Ce circuit d’alimentation est appelé convertisseur AC/DC.
D’autre part, les composants électroniques tels que les circuits intégrés qui composent un circuit ont des plages de tension de fonctionnement optimales différentes. Ils doivent donc être alimentés avec la tension correcte pour chaque circuit individuel. Dans ce cas, on utilise des convertisseurs DC/DC.
Principe des convertisseurs DC-DC
Il existe deux types de convertisseurs DC/DC, chacun ayant un principe différent :
1. Les régulateurs linéaires
Dans un régulateur linéaire, un transistor NPN est inséré entre les bornes d’entrée et de sortie. La tension de sortie est ainsi maintenue constante en contrôlant la tension entre le collecteur et l’émetteur de ce transistor. Le transistor a le côté entrée comme collecteur et le côté sortie comme émetteur. Le circuit de contrôle détecte ainsi la différence entre sa tension de sortie et la tension désirée.
L’opération de base consiste à contrôler le courant de base du transistor et à faire varier la tension entre le collecteur et l’émetteur de manière à ce que la tension de sortie reste constante. Un MOSFET à canal N peut être utilisé à la place d’un transistor NPN, auquel cas le drain est connecté au côté entrée et la source au côté sortie. Le circuit de commande 1. contrôle la tension de grille.
2. Les régulateurs à découpage
Le fonctionnement de base d’un régulateur à découpage consiste à placer un élément de commutation entre les bornes d’entrée et de sortie. Il sert aussi à alimenter la sortie avec l’élément de commutation à l’état ON jusqu’à ce que la tension de sortie atteigne la tension souhaitée, puis à mettre l’élément de commutation à l’état OFF. Notamment lorsque la tension de sortie atteint la tension souhaitée.
Cette opération est répétée à grande vitesse pour contrôler la tension de sortie et la maintenir dans la plage souhaitée. Dans les convertisseurs DC/DC à découpage, en combinaison avec un inducteur, la tension inverse générée par l’inducteur pendant l’interruption du courant peut être utilisée. Elle permet une opération de suralimentation afin d’obtenir une tension plus élevée que la tension d’entrée.
De plus, il est possible de réaliser des régulateurs élévateurs/réducteurs, qui peuvent délivrer une tension constante quelle que soit la tension du côté de l’entrée. Mais également des régulateurs inverseurs, qui créent une tension négative à partir d’une tension positive.
Types de convertisseurs DC-DC
Il existe deux grands types de convertisseurs DC/DC : les régulateurs linéaires et les régulateurs à découpage.
1. Les régulateurs linéaires
Un transistor de type NPN est inséré entre les bornes d’entrée et de sortie pour contrôler la tension à la borne de sortie afin qu’elle soit toujours constante.
- La tension de sortie est seulement inférieure à la tension d’entrée.
- Le rendement énergétique est faible et la production de chaleur est élevée en raison des pertes importantes des transistors.
2. Les régulateurs à découpage
Un régulateur à découpage présente les avantages suivants : un élément de commutation est installé entre les bornes d’entrée et de sortie. Le courant circulant à partir de la borne d’entrée est activé et désactivé par l’élément de commutation, et la tension à la borne de sortie est maintenue constante.
- Selon la configuration du circuit, il peut être utilisé avec des convertisseurs boost ou buck.
- Rendement énergétique élevé et faible dégagement de chaleur dans l’ensemble du circuit.
En revanche, les inconvénients sont les suivants :
- Un bruit de commutation est généré, des pointes de bruit et des ondulations apparaissent sur la sortie.
- Le nombre de composants est élevé et la taille du circuit est importante.
Comment utiliser les convertisseurs DC-DC ?
Les régulateurs linéaires fournissent une tension de sortie stable avec un faible bruit et conviennent donc aux circuits analogiques. Par exemple lorsqu’il s’agit de traiter des signaux faibles provenant de divers capteurs. Cependant, ils génèrent une grande quantité de chaleur, ce qui nécessite une conception appropriée de la dissipation de celle-ci. Il faut donc veiller à dissiper la chaleur générée à l’extérieur de l’équipement en utilisant des dissipateurs de chaleur ou des ventilateurs en combinaison.
Les régulateurs à découpage, quant à eux, permettent de régler les tensions de sortie sur une large plage et peuvent fournir des courants importants. Toutefois, la génération de bruit est inévitable et des contre-mesures peuvent s’avérer nécessaires. Une telle contre-mesure consiste, par exemple, à enfermer le dispositif dans un boîtier blindé.
Toutefois, afin d’empêcher le bruit de circuler vers les circuits analogiques, il peut être nécessaire de prendre des mesures. Par exemple la séparation de l’alimentation électrique elle-même et la mise à la terre du convertisseur DC-DC et des circuits analogiques à un niveau de terre commun. Pour ce faire, il faut utiliser un seul point de mise à la terre.
De plus, bien que la production de chaleur soit relativement faible, lorsque de grandes quantités de puissance sont émises, la conception doit accorder une attention suffisante à la dissipation de la chaleur à l’intérieur de l’équipement. Comme c’est le cas avec les régulateurs linéaires.