mercredi 21 novembre 2018

Les régulateurs LDO




Les régulateurs LDO


Si certains montages classiques se contentent d'un régulateur courant LM7805 ou LF33CV, la majeure partie des circuits alimentés par batterie réclament un peu plus, et même beaucoup plus.

Dans cette petite page nous allons étudier les caractéristiques essentielles des régulateurs de tension destinés à alimenter des montages peu gourmands en énergie, ceci afin de faire un choix correspondant à nos attentes. Il comporte une liste de modèles susceptibles d'être utilisés dans cette optique.

1. Présentation

Tous les montages basse-consommation à l'heure actuelle sont axés autour d'un processeur Low Power fonctionnant de manière générale en 3.3V ou moins. Nous allons nous intéresser à la catégorie des microcontrôleurs accessibles au grand public :
  • ATMEGA328P
  • STM32
  • ESP8266
  • etc.
Il arrive souvent que l'on réussisse au prix de peu d'efforts à obtenir d'un montage utilisant ces processeurs une consommation qui s'exprime en µA ou en dizaines de µA. Malheureusement, ces processeurs ou leurs périphériques ne supportent en général pas que l'on se permette de les alimenter avec une tension supérieure à 3.6V ou 4V.

Que faire lorsque l'on ne dispose pour ce faire que d'une batterie LITHIUM-ION, LIFEPRO ou NI-MH ?
La courbe de décharge d'une batterie LITHIUM-ION part de 4.2V à pleine charge et se termine aux environs de 3V, tension en dessous de laquelle il est déconseillé de descendre, sous peine de réduire la durée de vie de celle-ci.

Un ATMEGA328P cadencé à 8MHz supportera jusqu'à 6V et pourra espérer fonctionner jusqu'aux environs de 2.7V. On pourra donc l'alimenter directement avec une batterie LITHIUM-ION, sans régulateur.
Mais ce n'est pas le cas d'autres processeurs, ou de certains modules ou circuits périphériques destinés à les servir.

Un exemple typique est le NRF24L01, un module radio qui doit être alimenté au maximum sous 3.6V.

C'est aussi le cas des STM32 et ESP8266, limités eux aussi à 3.6V.

Il faut impérativement limiter la tension d'alimentation fournie par la batterie. Et pour ce faire, nous aurons besoin d'un régulateur.

Quelles qualités doit-on attendre d'un régulateur destiné à alimenter un montage basse consommation ?
 

2. Courant de sortie

Bien entendu notre régulateur devra fournir le courant de sortie nécessaire à notre montage.

Un ATMEGA328P et un NRF24L01 pourront se contenter de 50mA.
Un ESP8266 devra être alimenté avec un régulateur capable de fournir les 430mA nécessaires au démarrage de sa connexion WIFI.

3. Quiescent current

Bien entendu la deuxième caractéristique essentielle semble être le courant consommé par le régulateur lui-même, sans qu'il soit chargé, dit "quiescent current". A quoi servirait-il d'alimenter un montage consommant 5µA avec un régulateur LM7833 consommant 4.5mA au repos ?

Il ne faut pas focaliser son choix sur les modèles ayant un quiescent current extrêmement bas, car souvent la batterie que vous allez choisir aura un courant de fuite supérieur à celui-ci. Un jeu de piles aura plus de chances d'avoir un courant de fuite suffisamment bas pour justifier l'emploi d'un tel régulateur.

4. Drop Out Voltage

La dernière caractéristique essentielle est la valeur de la chute de tension provoquée par le régulateur.
Pour en revenir au LM7833, celui-ci a une tension de drop-out de 2V. Alimenter notre montage à partir d'une batterie 3.7V à travers un tel régulateur réduirait à néant nos efforts, car il nous resterait une petite tension de 1.7V à sa sortie.

Un régulateur ayant une tension de drop-out de 200mV sera capable  d'alimenter votre montage jusqu'à ce que la tension de la batterie descende au plus bas. Une batterie LITHIUM-ION dont la tension la plus basse est de 3V pourra dans de bonnes conditions alimenter un ATMEGA328P car il restera dans le pire des cas 2.8V.

Comment va se comporter un régulateur lorsque sa tension d'entrée chute en dessous de sa tension de sortie nominale ?
Sa tension de sortie va chuter elle aussi. Sa valeur sera égale à celle de la tension d'entrée diminuée de la tension de drop-out. Mais il y a une limite basse. La datasheet vous renseignera de toutes façons sur la tension minimale en dessous de laquelle il ne faut pas descendre.

Remarque concernant le 7133-1: lorsque sa tension d'entrée descend en dessous de sa tension nominale, la chute de tension provoquée par le régulateur est ridicule : 1mV pour 60µA !
Ce régulateur est particulièrement intéressant lorsque l'on travaille avec une batterie LITHIUM-ION 3.7V ou NI-MH 3.6V avec de faibles courants.
Il équipe les fameux détecteurs de passage HC-SR501.

Attention : la tension de drop-out est toujours indiquée pour un courant donné.
Par exemple un ME6211 3.3V :
  • 120mV pour 100mA
  • 260mV pour 200mA
La datasheet vous fournira généralement une courbe :



Autre exemple, le RT9013 3.3V :
  • 160mV pour 400mA
  • 250mV pour 500mA
On voit donc que la tension de drop-out augmente avec le courant. Certains modules, même s'ils sont capables de fonctionner en mode veille avec quelques µA ou dizaines de µA, nécessitent un courant élevé pour pouvoir démarrer.
C'est le cas de l'ESP8266, qui a besoin de 300mA avec des pics à 430mA pour démarrer sa connexion WIFI :
https://www.ondrovo.com/a/20170207-esp-consumption/
Avec une batterie chargée à 3.7V, la tension de sortie d'un régulateur ME6211 chutera à 3.7V - 550mV = 3.15V.
Avec un RT9013 elle sera de 3.7V - 250mV = 3.55V. Le régulateur limitera à 3.3V

Autre remarque : il semblerait que l'ESP8266 soit capable de démarrer à partir de 2.5V.
Avec un régulateur RT9013, la tension de la batterie pourra chuter au maximum à 2.75V (ce n'est cependant pas recommandé).
Avec un régulateur ME6211, celle-ci pourra chuter au maximum à 3.05V.

Il est possible d'associer un gros condensateur de 1000µF ou plus, en parallèle sur la sortie du régulateur, pour fournir les pics de courant nécessaires, si le régulateur n'est pas capable de les fournir. Mais il semble illusoire qu'un régulateur fournissant 250mA puisse être utilisé.

5. La liste 

La liste qui suit n'est pas exhaustive, loin de là, mais elle est régulièrement enrichie.
 

Les régulateurs sont classés par tension de drop-out croissante.
La tension mini en entrée est celle qu'il vous faudra appliquer pour obtenir 3.3V en sortie.
 

Nous nous intéresserons ici uniquement aux modèles exploitables par les amateurs que nous sommes, en excluant ceux dont les boîtiers sont trop exotiques, tels les DFN par exemple.
 

Comme vous pouvez le remarquer, rares sont les modèles qui pourront vous offrir une tension de drop-out très basse et également un courant de repos très bas. Il faut souvent choisir un compromis.



A titre indicatif, le deuxième onglet donne une courte liste de régulateurs 5V.

Les fameux AMS1117 et LM7833 ne sont présents qu'à titre d'exemple de ce qu'il ne faut pas employer bien entendu. Avec de tels régulateurs votre batterie de 1000mAH serait vide au bout de 200 heures.

Les régulateurs ayant une tension de dropout de 600mV vous obligeront à adopter une tension d'alimentation supérieure, au delà de 3.9V, 4 batteries AA par exemple.
Pour un régulateur ayant une tension de dropout de 2V, une alimentation d'au moins 5.3V sera nécessaire. 5 batteries AA ou 2 batteries 18650 par exemple.

5. Mesurer la tension batterie

Ceci est un peu hors sujet mais il vous faudra prévoir une mesure périodique de la tension batterie en amont du régulateur afin d'éviter que celle-ci ne chute en dessous de 3V (pour une LITHIUM-ION).
Tous les processeurs cités ici possèdent un ADC. Il est intéressant de l'utiliser afin de réaliser cette opération.
Cet article montre comment mesurer une tension batterie à l'aide d'un pont diviseur :
Le sketch du projet permet de calculer la capacité restante et de la remonter par liaison radio à un serveur domotique (DOMOTICZ dans mon cas).

On peut facilement développer la même solution sur un ESP8266 ou un ESP32.

L'essentiel est de pouvoir visualiser à distance le résultat pour pouvoir le consulter.

Il est possible également de faire clignoter une LED rouge avec des flashs de très courte durée espacés de quelques dizaines de secondes. La tension de seuil sera par exemple de 3.35V, ce qui correspond à environ 20% de capacité restante.
Le courant dans la LED devra être suffisamment faible pour ne pas décharger la batterie à l'excès et suffisamment fort pour que les flashs se remarquent

6. Trier ses régulateurs

Dans un lot de régulateurs les dispersions de caractéristiques peuvent être importantes. Il peut même arriver que le composant acheté ne soit pas du tout le modèle annoncé, malgré une sérigraphie correcte.

Sur un lot de 20 régulateurs HT7533-1 achetés sur AliExpress j'ai pu remarquer que le courant sans charge (quiescent current) était dans la fourchette de la datasheet pour la majorité d'entre eux : 2.5µA - 5µA.
Un seul régulateur était très au dessus : 30µA
Quelques-uns étaient en dessous : 1.2µA.

Lorsque l'on recherche un régulateur très performant, un petit tri s'impose.

7. Conclusion

J'espère que ce document vous aura aidé à éclairer votre choix en matière de régulateur pour votre future réalisation basse consommation.


Cordialement
Henri

8. Mises à jour

25/06/2019 : 6. Trier ses régulateurs
12/07/2019 : liste de régulateurs 5V

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