Cet article examine les concepts fondamentaux de la conversion de puissance et présente les topologies les plus couramment utilisées pour les circuits discrets et modulaires. Il aborde également les aspects essentiels de l'isolation et de la régulation de tension.

La conversion de puissance est omniprésente.
On la retrouve dans presque tous les appareils technologiques que vous utilisez. Prenez votre téléphone portable, par exemple. Il est très probablement équipé d'une batterie au lithium d'une tension de sortie nominale de 3,7 V. Les nombreux circuits intégrés et applications associés du téléphone peuvent fonctionner à différents niveaux de tension, les plus courants étant 1,8 V, 3,3 V ou 5,0 V. Les convertisseurs de puissance transforment la tension de 3,7 V en une tension appropriée, supérieure ou inférieure à la tension de sortie nominale de la batterie.
Autre exemple similaire : le chargeur USB portable, simple mais très répandu, qui nous permet de recharger nos appareils électroniques n'importe où. Ce chargeur utilise également une seule cellule de batterie au lithium de 3,7 V et un convertisseur CC/CC qui élève la tension de sortie à 5 V, la tension standard d'un port USB.
Votre enceinte, votre téléviseur, votre ordinateur portable et vos appareils intelligents convertissent tous la tension d'alimentation au niveau approprié pour leurs circuits internes.
Les méthodes de conversion CA/CC et CC/CC comprennent deux techniques distinctes : la conversion linéaire et la conversion à découpage. La méthode linéaire était couramment utilisée dans les équipements alimentés par le réseau électrique, mais elle nécessitait des composants volumineux tels que des transformateurs et de gros condensateurs de lissage. Les régulateurs linéaires sont encore utilisés dans certaines applications spécifiques de conversion CC/CC, mais aujourd'hui, la plupart des applications font appel à un régulateur à découpage.

La méthode de conversion CC/CC à découpage repose sur le stockage d'énergie dans une inductance ou un condensateur. Contrairement à la méthode linéaire, la tension de sortie fournie par un régulateur à découpage peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée. La figure 1 illustre le principe de base d'un convertisseur CC/CC à découpage.
Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un convertisseur CC/CC (source : Murata)

Un signal PWM est appliqué à un semi-conducteur pour commander un convertisseur. Le rapport cyclique (ou rapport d'amplitude) et la fréquence du signal PWM influent directement sur le rendement de conversion, la régulation de charge et la tension de sortie. Concrètement, le signal PWM et le semi-conducteur de commutation créent un circuit de pompe de charge qui stocke l'énergie dans une inductance ou un condensateur pendant la phase active. Cette énergie est libérée et redressée pendant la phase inactive du signal PWM. La tension de sortie est régulée par le signal PWM. L'isolation entre l'entrée et la sortie est assurée par un transformateur (élément inductif) et un condensateur.
Au fil des années, plusieurs architectures ou topologies de convertisseurs DC/DC se sont imposées ; nous les présenterons brièvement.

Les topologies de convertisseurs CC/CC les plus courantes

Le convertisseur abaisseur (ou convertisseur Buck)
est un convertisseur asynchrone qui transforme une tension d'entrée en une tension de sortie inférieure (par exemple, 5 V CC à 3,3 V CC). La figure 2 illustre le fonctionnement du circuit.

Image 2 : Fonction principale d'un convertisseur abaisseur (source : Murata)

Sur la figure 2, SW1 est généralement un transistor commandé par un signal PWM, et SW2 est une diode. Lorsque SW1 est fermé (passant), un courant circule dans l'inductance et de l'énergie est stockée. Lorsque SW1 est ouvert (bloqué), l'énergie est libérée par le courant traversant la diode (représentée par SW2), fournissant une tension de sortie.
La tension de sortie du convertisseur abaisseur dépend du rapport cyclique du signal PWM, comme illustré sur la figure 3.

Figure 3 : Effet du rapport cyclique sur la tension de sortie (source : Murata)

Dans une topologie de convertisseur abaisseur synchrone, la diode est remplacée par un autre élément de commutation, généralement un transistor FET. Ce dernier est commandé par un signal de commutation en opposition de phase. Les transistors FET présentent généralement une résistance de polarisation directe plus faible, ce qui réduit les pertes.
Convertisseur élévateur (ou convertisseur boost) :
comme son nom l'indique, dans un convertisseur élévateur, la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée. Le facteur d'élévation dépend de plusieurs facteurs, mais pour la plupart des applications pratiques, il atteint au maximum cinq fois la tension d'entrée. Une valeur maximale de trois fois est plus réaliste pour une régulation optimale de la tension de sortie. Voir figure 4. 

Figure 4 : Principe de base d’un convertisseur élévateur (source : Murata).
Par rapport au convertisseur abaisseur de la figure 2, le transistor de commutation S1, l’inductance L1 et la diode D1 (qui servait d’interrupteur sur la figure 1) sont positionnés légèrement différemment. Lorsque S1 est conducteur, l’énergie est stockée dans L1 ; lorsqu’il est bloqué, elle est ajoutée à la tension d’entrée, qui traverse le condensateur d’entrée puis le condensateur de sortie.
Les convertisseurs élévateurs et abaisseurs utilisent très peu de composants, ce qui leur permet d’atteindre un rendement énergétique élevé, généralement jusqu’à 97 %.

Les convertisseurs abaisseurs et élévateurs ne sont pas isolés. Cela signifie que toute tension d'entrée peut apparaître en sortie. Si le convertisseur CC/CC est alimenté par une source de courant alternatif, un défaut pourrait entraîner l'apparition de la tension du réseau alternatif en sortie, avec des conséquences potentiellement fatales. De nombreuses applications, notamment médicales et paramédicales, exigent une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. Par exemple, dans un régulateur à découpage, lorsque la masse n'est pas commune, on peut utiliser un transformateur pour obtenir une isolation galvanique. Le convertisseur inverse isolé (voir figure 5) en est un exemple.

Image 5 : Schéma simplifié d'un convertisseur inverse isolé (source : Wikipédia)

Le convertisseur inverse isolé.
Dans un convertisseur inverse isolé, le transformateur sert d'inductance de stockage d'énergie tout en assurant l'isolation. Cette topologie est peut-être la plus simple de tous les convertisseurs CC/CC, car elle comporte peu de composants. Les applications sont généralement limitées aux applications de faible puissance (

Les convertisseurs push-pull, demi-pont et pont complet
sont des exemples d'autres topologies de commutation isolées actuellement utilisées. Le montage push-pull utilise deux dispositifs de commutation qui se partagent le courant et convient aux applications de forte puissance. Cette topologie utilise des enroulements primaires et secondaires divisés avec point milieu, ce qui nécessite un transformateur plus coûteux. Les topologies demi-pont et pont complet sont similaires au push-pull, mais ne nécessitent qu'un seul enroulement primaire. Le demi-pont utilise deux dispositifs de commutation, et le pont complet en utilise quatre. (Voir figure 6.)

Figure 6 : Schéma simplifié d'un convertisseur CC/CC à pont complet isolé

Régulation de la tension de sortie :
Outre le choix de la topologie d'un convertisseur DC/DC, la régulation de la tension de sortie est un aspect crucial. Une régulation précise de la tension de sortie, quelles que soient les conditions de charge, est particulièrement importante pour les processeurs soumis à des charges de travail dynamiques et variables. La tension de sortie doit être renvoyée rapidement et précisément à la fonction de commutation PWM pour permettre les variations de rapport cyclique. La plupart des circuits intégrés de commande de convertisseurs DC/DC intègrent aujourd'hui cette fonction, facilement réalisable dans une topologie non isolée.
Cependant, le maintien de l'isolation entre l'entrée et la sortie nécessite des composants supplémentaires, ce qui augmente le coût du circuit imprimé. Les méthodes de rétroaction isolée courantes consistent à utiliser un transformateur ou un optocoupleur supplémentaire. L'ajout de ces composants accroît non seulement le coût du circuit imprimé, mais aussi l'espace requis sur la carte. Or, dans les conceptions actuelles où l'espace est limité, il est impératif de minimiser cet espace. Outre le coût du circuit imprimé, il est important de noter que plus un circuit imprimé comporte de composants, plus les défis logistiques et d'approvisionnement se complexifient. L'utilisation d'un grand nombre de composants a également un impact négatif sur la fiabilité du produit final.

Circuits intégrés et modules convertisseurs CC/CC :
Une solution innovante récente utilise la détection côté primaire pour une régulation simplifiée. Pendant la phase d'arrêt du convertisseur flyback, le circuit intégré de commande détecte le courant de sortie secondaire réfléchi par le transformateur. Le MAX17687 de Maxim est un exemple de circuit intégré de commande flyback sans optocoupleur (voir figure 7).
Figure 7 : Exemple de circuit intégré convertisseur flyback sans optocoupleur, composé d'un nombre minimal de composants, permettant de générer une sortie 12 V/750 mA à partir d'une source 60 V de 16 A. (Source : Maxim)

Le circuit de commande MAX17687 intègre deux MOSFET capables de fournir un courant primaire maximal de 3,2 A. Grâce à une détection côté primaire, la tension de sortie est régulée à ±1,2 %. La fréquence PWM du circuit intégré est programmable entre 100 et 500 kHz, et son rendement de conversion est généralement supérieur à 90 %.
La série Murata UWS-Q12, un module isolé à cadre ouvert assemblé par la technologie traversante, est un exemple de convertisseur DC/DC inverse complet.
Ces modules constituent une alternative intéressante aux convertisseurs DC/DC discrets. Ils simplifient considérablement le processus de conception, ce qui peut réduire significativement le temps d'ingénierie. Ils présentent également des avantages en termes de nomenclature, en réduisant le nombre de composants et en simplifiant la logistique. De plus, ces modules sont généralement déjà certifiés conformes aux normes CEM/EMI et aux normes de santé et de sécurité, ce qui facilite encore l'homologation du produit.
La série compacte UWS-Q12, avec un rendement de 91 %, offre les tensions nominales de sortie classiques de 3,3, 5, 12, 15 ou 24 V et peut fournir jusqu'à 54 watts à partir d'une tension d'entrée comprise entre 9 et 36 V. Elle intègre un ensemble complet de protections, notamment contre les sous-tensions et les surchauffes. Image 8 : Le Murata UWS-Q12 (source : Murata)

La série Traco TSR 1.5E constitue une solution de remplacement pratique pour les régulateurs linéaires anciens et peu performants. Ce dispositif 1,5 A, prêt à l'emploi, utilise une topologie abaisseur non isolée pour atteindre un rendement jusqu'à 97 % et accepte une large plage de tensions d'entrée. Les dispositifs de cette série fournissent 3,3 V CC (remplace la référence 7803), 5 V CC (remplace la référence 7805) et 12 V CC (remplace la référence 7812).
TI a adapté la topologie du convertisseur abaisseur grâce à sa technologie de contrôle DCS (Direct Control Smooth Transition). La topologie DCS modifiée offre une réponse transitoire, une régulation et des caractéristiques d'ondulation nettement supérieures à celles d'un convertisseur abaisseur synchrone. TI propose le convertisseur sous forme de circuit intégré de commande (TPS6282x) et sous forme de module convertisseur avec inductance intégrée. La figure 9 présente le schéma fonctionnel du module convertisseur abaisseur non isolé avec les transistors FET et l'inductance intégrés.

Figure 9 : Schéma fonctionnel du module convertisseur abaisseur (ou convertisseur à bascule) TI TPSM82821 avec le circuit intégré de contrôle TPS6282x (source : TI)

Conversion d'énergie simplifiée :
Cet article présente les topologies de conversion d'énergie CC/CC les plus courantes et met en lumière quelques exemples de produits. Les circuits intégrés de conversion constituent une méthode répandue pour la conversion CC/CC, offrant un gain de place et un coût réduit. Les circuits intégrés de conversion basse consommation, intégrant des transistors de commutation ou des FET, sont très utilisés dans de nombreux produits industriels, commerciaux et grand public. Les modules de conversion CC/CC, qui intègrent le circuit intégré de commande, l'inductance et tous les autres composants, sont les plus faciles à intégrer dans un produit final et sont facilement disponibles.

Auteur : Mark Patrick, Mouser Electronics
www.mouser.com