Une solution émergente est l'architecture de convertisseur CC-CC à 3 niveaux, qui peut offrir des gains d'efficacité impressionnants tout en réduisant le coût de la nomenclature (BOM) et la taille de la carte.
Pourquoi un convertisseur DC-DC à 3 niveaux ?
Un contrôleur Buck à 2 niveaux utilise deux transistors FET (externes ou internes) et une seule inductance pour le transfert de puissance. On les appelle contrôleurs à 2 niveaux car le nœud de phase de l'inductance (V_SW) oscille entre VIN et la masse, soit seulement deux niveaux. Dans cette topologie, les transistors FET doivent bloquer la totalité de la tension VIN lorsqu'ils sont désactivés, et l'ondulation de l'inductance atteint son maximum pour un rapport cyclique de 50 %.
Figure 1 : Topologie typique d'un convertisseur CC-CC à 2 niveaux
Le convertisseur abaisseur à trois niveaux (3N) comporte deux interrupteurs supplémentaires et un condensateur de retour par rapport à un convertisseur abaisseur classique à deux niveaux (2N). Les interrupteurs Q1 et Q4 sont déphasés, de même que Q2 et Q3. Le nœud de commutation (V_SW) alterne entre VIN et VIN/2, ou entre VIN/2 et la masse, d'où son nom « trois niveaux »
Figure 2 : Topologie CC-CC typique à 3 niveaux
En régime permanent, le condensateur de retour maintient VIN/2, ce qui réduit la tension aux bornes des commutateurs. Ceci permet l'utilisation de transistors FET basse tension avec un meilleur facteur de mérite, ce qui entraîne une réduction des pertes par conduction et par commutation proportionnelle à V².
Cette topologie permet également l'utilisation d'une inductance plus petite, car celle-ci ne voit que la moitié de VIN. L'ondulation de l'inductance se produit à deux fois la fréquence de commutation du FET, ce qui réduit l'ondulation crête à crête à un quart de celle d'un convertisseur à deux niveaux, et par conséquent les pertes dans le noyau de l'inductance et la résistance en courant continu.
Figure 3 : Ondulation de l'inductance en fonction du rapport cyclique pour les convertisseurs abaisseurs à 2 et 3 étages
Opportunités de réduction de la nomenclature
: Grâce à l’amélioration de l’efficacité thermique et électrique des conceptions à trois niveaux, les ingénieurs peuvent :
- Réduire la taille des inductances et des condensateurs sans compromettre les performances.
- Réduire le nombre de composants en simplifiant les circuits d’amortissement et le filtrage des interférences électromagnétiques.
- Choisir des MOSFET de tension nominale inférieure, plus économiques et présentant des pertes par conduction réduites.
Exemples d'applications concrètes :
chargeurs USB-PD multiports.
Dans les chargeurs USB-PD haute puissance (en particulier EPR > 65 W), l'efficacité et la maîtrise thermique sont essentielles. Un convertisseur CC-CC à trois niveaux peut fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées sans perte de puissance, ce qui permet d'utiliser des composants magnétiques plus petits et d'obtenir une réponse transitoire plus rapide. La réduction de la charge thermique permet de concevoir des boîtiers plus compacts sans ventilation forcée, ce qui diminue directement les coûts de fabrication et de matériaux.
Figure 4 : Schéma d'un chargeur USB-PD multiport avec convertisseur CC-CC à 3 niveaux
Alimentation pour appareils grand public :
Dans les ordinateurs portables, les stations de connectivité et les équipements audio portables haut de gamme, l’espace disponible sur la carte est souvent limité. Un étage de puissance plus compact permet non seulement de réduire le coût des composants, mais aussi de libérer de l’espace pour des fonctionnalités supplémentaires, une esthétique améliorée ou un format global plus petit. Dotée d’une conception innovante intégrant un nœud de commutation à 3 niveaux et un nœud à 2 niveaux via l’inductance, cette architecture offre des modes abaisseur (buck), abaisseur-élévateur (buck-boost) et élévateur (boost).
Figure 5 : Produit de consommation électrique avec diagramme CC-CC à 3 niveaux
Avantages de la réduction de tension :
Dans un convertisseur à trois niveaux, chaque composant subit une excursion de tension réduite, ce qui diminue les exigences en matière de réduction de tension. Par exemple, dans un convertisseur abaisseur à deux niveaux de 24 V à 5 V, le MOSFET côté haut peut être soumis à une tension de 24 V à l’état bloqué, nécessitant un composant de 30 à 40 V avec une résistance R<sub>DS(on)</sub> plus élevée et un coût plus important. Dans une topologie à trois niveaux, le MOSFET ne reçoit que la moitié de la tension initiale (environ 12 V), ce qui permet d’utiliser un MOSFET de 15 à 30 V avec une R<sub>DS(on)</sub> bien plus faible, de meilleures performances de commutation et un coût réduit.
Cet avantage se répercute sur l’ensemble de la conception : la réduction de tension permet aux concepteurs de choisir parmi des familles de composants basse tension et hautes performances, qui présentent souvent un meilleur facteur de mérite (FOM) et des pertes par conduction et commutation plus faibles. Il en résulte un étage de puissance plus compact, plus silencieux et moins coûteux.
Avantages liés à la taille et au rendement de l'inductance :
Le courant d'ondulation étant naturellement réduit dans un convertisseur à trois niveaux, la taille de l'inductance requise l'est également. Par exemple, dans un convertisseur abaisseur à deux niveaux (24 V – 12 V), l'inductance doit contrôler la transition complète de 24 V à 0 V à chaque cycle. Il en résulte un courant d'ondulation crête à crête plus élevé, obligeant les concepteurs à choisir des valeurs d'inductance plus importantes et des inductances physiquement plus volumineuses, avec un noyau et un enroulement en cuivre plus importants. Des inductances plus grandes augmentent non seulement le coût, mais aussi la résistance en courant continu (DCR), ce qui accroît les pertes par conduction et réduit encore le rendement.
Dans un convertisseur abaisseur à trois niveaux, la tension efficace aux bornes de l'inductance est divisée par deux, car les transitions de commutation s'effectuent entre des nœuds de tension intermédiaires (environ 12 V à 0 V ou 24 V à 12 V). Cela réduit le courant d'ondulation de près de 50 %, permettant ainsi d'utiliser une inductance plus petite pour obtenir la même ondulation. Des inductances plus petites, avec une résistance en courant continu (DCR) plus faible, permettent de réduire les pertes par conduction, d'accélérer la réponse transitoire et de concevoir un système plus compact. Parallèlement, une ondulation réduite diminue la tension du condensateur de sortie et améliore la fiabilité du système. Il en résulte un rendement accru, un encombrement réduit et un coût global du système inférieur, ce qui rend la topologie à trois niveaux particulièrement intéressante pour les applications à courant élevé et à espace limité.
Impact au niveau du système
Le passage à une architecture CC-CC à 3 niveaux ne se limite pas à un changement au niveau des composants, mais a des implications à l'échelle du système qui peuvent se traduire par des avantages quantifiables tout au long de la conception du produit
• Exigences thermiques réduites
: La topologie à trois niveaux, en réduisant les pertes par commutation et conduction, génère moins de chaleur au niveau de l’étage de puissance. Par exemple, pour un chargeur USB-PD de 200 W, la dissipation thermique peut être réduite de 1 à 2 W par rapport à une conception à deux niveaux. Il est ainsi possible de remplacer un dissipateur thermique en aluminium volumineux par une pièce métallique emboutie plus compacte, voire de le supprimer complètement. On évite ainsi l’utilisation de pads thermiques ou de caloducs, ce qui réduit le coût des composants et la complexité d’assemblage.
• Surface de circuit imprimé réduite pour la conversion de puissance :
grâce à la diminution des pertes et de la tension, les inductances et les condensateurs peuvent être physiquement plus petits. Dans un adaptateur pour ordinateur portable classique, la surface de l’étage d’alimentation pourrait être réduite de 20 à 30 %, libérant ainsi un espace précieux sur la carte pour des ports supplémentaires, des bobines de chargement sans fil ou une conception mécanique améliorée. Des composants plus petits permettent également une densité de composants plus élevée, facilitant ainsi le respect des objectifs de taille et de poids du boîtier.
Une efficacité accrue se traduit par des coûts d'exploitation réduits pour l'utilisateur final.
Dans les appareils grand public, même un gain d'efficacité de 0,5 à 1 % permet de réaliser des économies d'énergie tangibles sur la durée de vie du produit. Par exemple, un chargeur USB-PD à 3 niveaux de 240 W avec une efficacité de 95 % consommera 12 W de moins par jour qu'un modèle à 2 niveaux avec une efficacité de 93 %, lors d'une utilisation à pleine charge pendant huit heures. Ceci réduit les coûts d'électricité et l'échauffement pour l'utilisateur final. Cet avantage est particulièrement important dans les environnements d'entreprise ou les centres de données, où des dizaines, voire des centaines, de ces chargeurs peuvent être déployés.
Conclusion :
Le convertisseur CC-CC à trois niveaux offre une solution intéressante pour optimiser le rapport qualité-prix des systèmes d’alimentation. En réduisant le coût de la nomenclature, la taille des composants et en simplifiant la gestion thermique, cette topologie permet aux concepteurs de proposer des produits performants et économiques, répondant aux exigences des applications modernes. Avec la croissance continue de l’USB-PD et d’autres marchés de la haute puissance, l’approche à trois niveaux deviendra une option de plus en plus attrayante pour les ingénieurs soucieux à la fois de la performance et de la rentabilité.
Par Alex Zhou, directeur du marketing produit chez Renesas
