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Il n’est pas facile de faire ce choix, mais même lorsque la sélection est réussie, le contrôleur n’est prêt à être commercialisé que s’il est efficace et conforme à toutes les directives CEM nécessaires.

Pour les convertisseurs DC/DC dont les tensions d’entrées et les sorties sont relativement élevées, des filtres doivent souvent être déployés pour réduire la génération d’interférences. Cependant, avec des courants d’entrée et de sortie élevés, il est difficile de trouver un compromis entre efficacité,taille, atténuationcoût des filtres et l’étage de puissance réel. Un exemple utilisant une conception DC/DC Buck-Boost de 100 Watts montre les considérations à prendre en compte en termes de disposition et de sélection des composants.

Tâche

Développer un convertisseur Buck-Boost avec les spécifications suivantes :

100 W Pout à 18 • Vout / Vin 14-24 Vcc

Iin max. = 7 A

Iout max = 5,55 A

 Rendement supérieur à 95 % à une puissance de sortie de 100 W

 Conforme aux émissions de classe B (conduites et rayonnées) conformément à la norme CISPR32.

 Faible ondulation résiduelle de la tension de sortie (moins de 20 mVpp)

 Pas de blindage possible

 Câbles longs à l’entrée et à la sortie (d’une longueur de 1 mètre chacun)

 Le plus compact possible

 Le plus rentable possible

En raison de ces exigences strictes, il est essentiel de créer un agencement très peu inductif et compact, avec des filtres adaptés au convertisseur. En termes de CEM, les câbles d’entrée et de sortie sont les antennes dominantes dans la gamme de fréquences allant jusqu’à 1 GHz. Selon son mode de fonctionnement, le convertisseur présente des boucles de courant à haute fréquence à l’entrée et à la sortie (comme le montre la Figure 2), qui doivent donc être filtrées. Cela permet d’éviter que les interférences à haute fréquence provenant de la commutation rapide des MOSFET ne soient rayonnées par les câbles. Cet exemple d’application offre une grande liberté de conception grâce à une large plage de tension d’entrée allant jusqu’à 60 VCC, une fréquence de commutation réglable et la possibilité de piloter quatre MOSFET externes.

La conception est basée sur un circuit imprimé double face à six couches et une fréquence de commutation de 400 kHz. L’ondulation du courant sur la self doit être d’environ 30 % du courant nominal. Les MOSFET 60 V présentent une faible résistance de passage (RDS(on)) et une faible résistance thermique (Rth). La Figure 3 montre une disposition simplifiée du circuit.

Sélection des inductances

Grâce à la plateforme de conception en ligne REDEXPERT, l’inductance peut être sélectionnée rapidement et précisément. Dans cet exemple, tous les paramètres de fonctionnement (tension d’entrée Vin, fréquence de commutation fsw, courant de sortie Iout, tension de sortie Vout et courant d’ondulation IRipple) doivent être saisis une fois pour le fonctionnement buck et une seconde fois pour le fonctionnement boost. En mode buck, le résultat est une inductance plus élevée et un courant de pointe maximum plus faible (7,52 μH et 5,83 A). Le mode boost a pour résultat une plus petite inductance, mais un courant de pointe maximum plus important (4,09 μH et 7,04 A).

Une bobine blindée de 6,8 μH et 15 A de la série WEXHMI a été sélectionnée. Elle se caractérise par un RDC très faible et des dimensions extrêmement compactes de seulement 15 mm x 15 mm x 10 mm (L x l x H). Le matériau innovant du noyau permet un comportement de saturation doux et indépendant de la température.

Sélection des condensateurs

Avec des courants d’impulsion élevés à travers les condensateurs de blocage et une faible ondulation, une combinaison de condensateurs en aluminium polymère et en céramique est la meilleure. En déterminant l’ondulation de tension maximale autorisée à l’entrée et à la sortie, les capacités requises peuvent être calculées comme suit :

(D = cycle de service, défini par REDEXPERT à 0,78) Sélection : 6 x 4,7 F / 50 V / X7R = 28,2 μF (WCAP-CSGP 885012209048)

Avec l’aide de REDEXPERT, il est facile de déterminer le DC bias des condensateurs (MLCC), ce qui permet d’obtenir une valeur plus réaliste. Une valeur de capacité inférieure de 20 % à une tension d’entrée de 24 V peut être attendue. Il en résulte une capacité effective de seulement 23 μF, ce qui est encore suffisant. Parallèlement aux condensateurs céramiques, un condensateur en aluminium polymère WCAP-PSLC de 68 μF/35 V avec une résistance CMS de 0,22 Ω est connecté en série. Ceci est utilisé pour maintenir la stabilité par rapport à l’impédance d’entrée négative du convertisseur de tension en combinaison avec le filtre d’entrée. Comme ce condensateur est également soumis à des courants d’impulsion élevés, un condensateur électrolytique aluminium est moins adapté car il chaufferait rapidement en raison de son ESR plus élevé.

Les condensateurs de sortie sont sélectionnés de la même manière.

Sélection : 6 x 4,7 μF / 50 V / X7R = 28,2 μF - 15 % de polarisation CC = 24 μF (WCAP-CSGP 885012209048)

En outre, un condensateur en aluminium-polymère (WCAP-PSLC 220 μF/25 V) assure une réactivité suffisamment rapide pour les transitoires.

Guide d’agencement

L’agencement du circuit imprimé exige quelques considérations. Par exemple, les boucles d’entrée et de sortie qui provoquent une valeur ΔI/Δt élevée doivent rester compactes en plaçant les condensateurs céramiques de blocage à proximité les uns des autres. Le circuit d’amorçage doit être compact et proche du circuit intégré du régulateur à découpage. Un filtre Pi à large bande est nécessaire pour découpler l’alimentation interne du régulateur à découpage. Et utilisez autant de vias que possible pour établir une connexion à faible inductance et faible impédance avec les couches de masse de l’alimentation interne et le dessous de la carte. Si les grandes surfaces de cuivre fournissent d’excellents dissipateurs thermiques et une faible RDC, elles ne doivent pas être trop grandes pour éviter les couplages capacitifs et inductifs avec les circuits voisins.

Mesures de CEM sans filtre (100 W Pout)

Pour répondre à la plupart des applications, le convertisseur doit être conforme aux limites de la classe B (domestique) en ce qui concerne les émissions d’interférences, à la fois dans la gamme conduite (150 kHz à 30 MHz) et dans la gamme rayonnée (30 MHz à 1 GHz). En plus de la perte d’insertion, il est important, pour les courants élevés requis, que les composants inductifs aient le RDC le plus bas possible afin de maintenir l’efficacité et l’auto-échauffement dans une plage acceptable. Malheureusement, un faible RDC signifie également une conception plus grande. Il est donc particulièrement important d’utiliser des composants de pointe qui offrent un bon compromis entre RDC, impédance et taille. La série WE-MPSB et un modèle compact de la série WEXHMI conviennent dans ce cas. Pour les composants de filtre capacitifs supérieurs à 10 μF, des condensateurs électrolytiques en aluminium à bas coût peuvent être utilisés. Il n’y a pas de courants d’ondulation élevés à affronter car l’inductance du filtre bloque efficacement ces courants. Par conséquent, un ESR plus élevé n’est pas un problème, ce qui entraîne une qualité de filtre inférieure qui empêche les résonances indésirables. Les pertes supplémentaires à travers les filtres sont dues aux pertes ohmiques des inductances.

Composants pour les filtres d’entrée et de sortie

Le principal critère de sélection des composants de filtrage est qu’ils assurent une suppression des interférences à large bande de 150 kHz à 300 MHz pour la CEM par conduction et par rayonnement. L’effort de filtrage peut être réduit si des câbles plus courts ou inexistants sont utilisés à l’entrée ou à la sortie. La Figure 4 montre les plages actives des différents composants du filtre dans la gamme de fréquences respective.

Mesure de la température et du rendement avec filtre à 100 W Pout (Ta = 22 °C)

La température maximale des composants mesurée à l’aide d’une caméra thermique est inférieure à 64 °C Figure 6), ce qui signifie une bonne marge de sécurité pour des températures ambiantes plus élevées ainsi qu’une faible contrainte pour les composants. Le rendement est également à un niveau très élevé (mode buck : 96,5 % ; mode boost : 95,6 %), surtout si l’on considère que tous les composants des filtres ont été pris en compte.

Les Figures 7 et 8 montrent les résultats de mesure améliorés du circuit avec les filtres en place. Tant les pics dans la gamme de fréquences inférieure du rayonnement parasite conducteur que la courbe de mesure complète de l’émission parasite rayonnée présentent désormais une réserve suffisante en dessous des valeurs limites requises.

Récapitulatif

Malgré un agencement très soigné ainsi que des composants actifs et passifs adaptés, aucun convertisseur DC/DC haute puissance conforme à la classe B ne peut être réalisé sans filtres supplémentaires aux spécifications très strictes (longues lignes, absence de blindage, etc.). Toutefois, comme il fallait s’y attendre, il a été possible de mettre en place des filtres appropriés à l’avance. Le résultat est un convertisseur Buck-Boost 100 W flexible, à haut rendement et conforme à la classe B. Pour créer un circuit imprimé encore plus compact, les deux bancs de filtres peuvent être pivotés de 90° ou disposés sur la face inférieure du circuit imprimé. Des logiciels de conception et de simulation comme REDEXPERT et LTSpice permettent d’atteindre rapidement et à moindre coût l’objectif souhaité.

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