C’est un défi très commun dans les circuits de devoir convertir une source de courant continu disponible à une tension plus basse ou plus élevée. Pour la conversion haut-bas, une option pour utiliser un régulateur à faible chute (LDO), mais comment transformer facilement une tension inférieure en une tension supérieure ?
Pour les tensions alternatives, la réponse est bien connue : utiliser un transformateur, comme cela se fait depuis bien plus de 100 ans. Pourtant, comme le sait même chaque étudiant de première année en génie électrique, vous ne pouvez pas utiliser un transformateur avec du courant continu. L’approche évidente consiste donc à « hacher » le courant continu basse tension à l’aide d’un oscillateur quelconque, à faire passer la forme d’onde hachée, semblable à un courant alternatif, par un transformateur élévateur, puis à la redresser et à la filtrer à la sortie du côté secondaire. Cette approche peut être très réussie, et des versions améliorées de celle-ci sont la base des alimentations à découpage, utilisées à la fois pour augmenter (boost) et diminuer (buck) la tension entre une source de courant continu et un rail d’alimentation.
Quels sont les inconvénients de cette approche ?
Le problème clé est la nécessité du transformateur, un composant inductif qui est un composant relativement grand et coûteux par rapport au reste du circuit de conversion de puissance qu’il supporte. Alors que certains convertisseurs de puissance préfèrent ou même exigent un transformateur en raison de l’isolation galvanique inhérente qu’il fournit, cet avantage n’est souvent pas nécessaire dans les circuits basse tension ou les sous-circuits localisés. Les performances et le coût d’une conception à base de transformateur sont plus adaptés aux convertisseurs DC/DC au-dessus d’environ 1 à 5 A de sortie, mais ce n’est généralement pas une solution attrayante à l’extrémité basse en dessous de quelques centaines de mA.
Quelle est la meilleure alternative ?
Les concepteurs de circuits ont développé une topologie appelée la pompe de charge, qui est en fait difficile à mettre en œuvre avec des composants discrets, mais qui est très conviviale pour les circuits intégrés. La pompe de charge utilise des condensateurs comme élément de stockage d’énergie.
Dans l’exécution de base de cette technique de conversion de puissance, le courant (charge) est alternativement commuté et dirigé entre deux condensateurs disposés de manière à ce que la sortie du circuit soit deux fois supérieure à l’entrée, et fonctionnant ainsi comme un convertisseur élévateur doublant la tension. Pour ces raisons, le convertisseur à pompe de charge est également connu comme une conception à condensateurs commutés.
Comment fonctionne le doubleur de tension à pompe de charge ?
Comment ce boost doubleur de tension est-il accompli ? Tout commence par un principe fondamental de la physique : la charge qui va et vient dans un circuit fermé n’est pas » perdue « , mais peut au contraire être transférée via la commutation entre les éléments de stockage de la charge. Dans un concept de pompe de charge, des diodes peuvent être utilisées pour contrôler le flux de courant ; dans la pratique réelle, les commutateurs sont généralement des MOSFETs commutés, et les condensateurs sont des dispositifs céramiques ou électrolytiques externes selon la quantité de capacité nécessaire.
Le fonctionnement, figure 1, est un cycle de charge-décharge en deux étapes où le condensateur C1 se charge, puis se décharge dans C2. Tout d’abord, l’horloge pilote la sortie de l’onduleur 1 bas, donc D1 est polarisé dans le sens direct, chargeant ainsi le condensateur C1 à la tension d’alimentation +Vdc ; aussi, D2 est éteint.
Puis, l’horloge pilote la sortie de l’onduleur 1 haut, et la charge sur C1 est maintenant en série avec +Vdc de l’onduleur 1. Comme la sortie de l’onduleur 2 est basse, D2 devient polarisé dans le sens direct et C2 se charge à deux fois Vdc. La tension ainsi vue aux bornes de la charge est de 2 × Vdc, moins les chutes de tension dans le sens direct des diodes et les pertes éventuelles dans les onduleurs.
Dans les conceptions pratiques utilisant des composants discrets, les diodes Schottky sont généralement utilisées à la place des diodes classiques en raison de leur chute de tension dans le sens direct plus faible. Cependant, les pompes de charge à base de circuits intégrés n’utilisent pas de diodes, mais plutôt des commutateurs MOSFET avec une faible résistance à l’état passant RDS(ON). Le rendement des pompes de charge est assez élevé, de l’ordre de 90 à 95 %.
La partie 2 examine certains aspects supplémentaires des pompes de charge, notamment leurs condensateurs, les variations de non-doublement, les horloges internes et externes, le filtrage et la régulation, et les pompes de charge embarquées.
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