Les alimentations à découpage de faible puissance auto-oscillantes sont simples à mettre en oeuvre et très économiques. En effet, ces alimentations se passent d'un oscillateur et d'un régulateur / contrôleur spécifique tels que le UC3843, le L6562A, le TL494 ou le SG3525.
Principe de l'alimentation auto-oscillante à hystérésis
Si vous avez un chauffage électrique à thermostat chez vous, il est très simple de comprendre le principe. Si vous n'en avez pas parce que vous vous chauffez autrement, il est aussi très simple d'en comprendre le principe. Imaginons qu'on souhaite une température de 20°C. Une hystérésis de 1°C par exemple existe sur le thermostat.
La température de la pièce, initialement froide, est mesurée par le thermostat. Le chauffage est alors allumé, et reste allumé jusqu'à obtenir 20.5°C. Il se coupe et la température de la pièce diminue progressivement, en fonction de son inertie thermique et des fuites (fenêtres ouvertes, etc). Lorsque la température atteint 19.5°C, le chauffage se remet en route jusqu'à atteindre à nouveau 20.5°C. Il se recoupe alors, et ainsi de suite. L'alternance allumage-extinction du chauffage en fait un fonctionnement intermittent dont la fréquence dépend des éléments extérieurs.
Schéma de l'alimentation à découpage Buck 3.3V à ampli op
Voici le schéma tant attendu :
Principe de l'alimentation à découpage
- Alimentation stabilisée du LMV331
Le régulateur S812C30AMC de Seiko a été choisi pour sa très faible consommation à vide (2uA) et son encombrement réduit (boitier SOT23). Il supporte 16V en entrée : c'est ce qui limite la tension d'entrée de l'alimentation. C1 et C2 stabilisent le fonctionnement du régulateur. Ce régulateur alimente l'ampli op comparateur LMV331 et sert aussi de référence de tension (entrée + du LMV331 connectée au pont R1/R2). Il y a environ 1.65V sur l'entrée + du LMV331.
Boitier CMS SOT23
Tout autre régulateur peut être choisi tant qu'il donne entre 3V et 5V.
- Comparateur à hystérésis
L'ampli op fonctionne ici en comparateur et non en régime linéaire, malgré quelques apparences trompeuses. En effet, pour augmenter au maximum la fréquence de découpage, l'hystérésis a été rendue nulle : aucune résistance ne revient du collecteur de Q2 vers l'entrée + du LMV331.
Imaginons que la tension d'alimentation soit trop faible. Le potentiel de l'entrée - est plus faible que celui de l'entrée +. La sortie du LMV331 est au niveau haut (collecteur ouvert), Q1 est alors en conduction, et permet la conduction de Q2. R5 accélère le blocage de Q2. Sa valeur ne doit pas être trop différente de 3.3kOhms (2 à 5kOhms) . La tension de sortie va augmenter jusqu'à ce que le potentiel de l'entrée - dépasse celui de l'entrée +. La sortie du LMV331 passe alors au niveau bas, faisant bloquer Q1 et ainsi Q2. Le fonctionnement est bien en tout ou rien. C4 ajoute un effet transitoire pour amener davantage de variations de tension à l'entrée - : ceci augmente la fréquence.
En réalité, la fréquence de découpage n'est due qu'aux retards de commutation dans l'ampli op et les transistors ainsi qu'aux valeurs de l'inductance et du condensateur de sortie.
Q1 ne sert qu'à supporter la tension d'alimentation. En effet, si le LMV331 supportait 16V sur sa sortie bloquée, on pourrait se passer de Q1.
Choix des composants de l'alimentation à découpage
Ici, le choix s'est fait pour une consommation à vide très réduite (0.1mA max.) et un encombrement minimum (boitiers SOT23). C'est l'inductance qui sera le composant le plus volumineux (6x6x3mm typiques).
L'inductance doit supporter 150mA sans saturer (considérer le triple du courant moyen de sortie).
Les résistances et condensateurs ont des valeurs ultra standard.
Mesures sur l'alimentation à découpage
- Rendement
A vide, la consommation est de 123uA environ. Pour 10mA de sortie, le courant consommé sur le 12V est de 3.61mA. Le rendement atteint alors 76%.
Rendement de l'alimentation à découpage en fonction de la charge (0 à 10mA)
- Fréquence de découpage
Si le courant de sortie d'alimentation est faible, la tension de sortie chute doucement et la fréquence de découpage est faible : les cycles de recharge du condensateur de sortie sont plus rares.
Tension de sortie de l'alimentation à découpage (principe)
Si le courant de sortie est plus élevé, la tension de sortie chute plus vite et les cycles de recharge sont plus fréquents.
Tension de sortie de l'alimentation à découpage (principe)
- Ondulation crête à crête de la tension de sortie
Augmentation de la tension d'entrée maximale de l'alimentation à découpage
Un transistor ballast peut être ajouté pour augmenter la tension d'entrée maximale de l'alimentation.
Alimentation Buck qui supporte jusqu'à 45V en entrée
Cette fois-ci, ce sont les transistors qui limitent la tension d'entrée à cause de leur Vce max (45V). Le rendement va être un peu réduit pour 2 raisons :
- A vide à cause de la consommation du pont (résistance+zener) qui alimente la base du transistor ballast (choisir un BC846B par exemple).
- A forte charge, les pertes de commutation font aussi un peu diminuer le rendement (60 à 70% environ).
Choix de l'inductance
On peut diminuer l'inductance de sortie jusqu'à 0.1mH si le rendement n'est pas prioritaire. Le rendement passera de 76% à 60% environ pour 10mA en sortie.
Avantages de cette alimentation à découpage 3.3V
- coût très réduit (0.65 euro en production industrielle contre 1.40 euro pour un régulateur équivalent chez Linear Technology)
- consommation à vide ultra faible (0.1mA)
- rendement très correct (76% à 10mA en sortie, 12V en entrée)
- plage d'entrée étendue possible jusqu'à 45V
- courant de sortie jusqu'à 50mA.
Inconvénient de cette alimentation à découpage 3.3V
- pas de protection contre les courts-circuits
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