Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

 

Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN : l'ondulation

Cet article fait suite à celui-ci : Convertisseurs STEPUP & STEPDOWN

Le but de ce nouvel article est de parler de l'importance de l'ondulation en sortie.

1. Pourquoi un convertisseur STEPDOWN ?

Alimenter un microcontrôleur à l'aide d'un module convertisseur à découpage a un avantage évident : le rendement est nettement supérieur à celui d'un régulateur linéaire.

Si l'on prend l'exemple suivant :

• alimentation générale 12V
• alimentation d'un ARDUINO sous 5V
• besoin en courant 100mA

Le convertisseur à découpage a un rendement d'environ 90%.

La puissance dissipée en pure perte calorique (10%) par le convertisseur est de :

P = 5V * 0.1A * 10% = 0.05W

Si l'on adoptait un régulateur linéaire le rendement serait directement proportionnel à la différence de tension entre entrée et sortie :

P = (12V - 5V) * 0.1A = 0.7W

La différence est juste énorme.

2. L'ondulation

L'ondulation en sortie d'un régulateur linéaire est très faible, de l'ordre de 0.003% pour un LM1117, c'est à dire 5V * 0.003% = 0.15mV

Celle-ci est sans commune mesure avec celle d'un convertisseur à découpage. Elle dépend en outre de la charge. Voici une capture d'écran montrant l'ondulation d'un LM2596 débitant 100mA sous 5V :

L'ondulation atteint 150mV crête à crête, à une fréquence de 55KHz.

Mais est ce bien important ? L'ondulation en sortie d'un convertisseur à découpage peut elle avoir une influence sur le comportement d'un microcontrôleur ?

Je dirais que non tant qu'on se limite à une utilisation purement numérique.

Par contre dans le cas où l'on désire faire des mesures analogiques en utilisant le 5V comme tension de référence, l'ondulation impactera directement les mesures. Il en ira de même si l'on alimente un capteur analogique avec ce 5V pollué.

La précision risque d'en souffrir. La tension de sortie du LM2596, ainsi que la tension de référence va donc varier de +/-75mV.

Si la valeur lue est de 2.5V, l'ADC renverra une valeur d'environ 500 :

min = 2.5V * 1023 / (5 + 0.075) = 504

min = 2.5V * 1023 / (5 - 0.075) = 519

Si l'on effectue une mesure en continu, la valeur lue sur l'entrée de l'ADC va donc osciller entre ces deux valeurs, ce qui représente une erreur de 3%.

Il est un peu dommage de sacrifier la précision d'un ADC capable de mesurer une tension avec une résolution de 1/1024 points, c'est à dire +/- 5mV.

3. Amélioration

Dans l'article précédent, on avait vu que l'on pouvait réduire l'ondulation en sortie d'un module LM2596 à une valeur très faible (10mV) en ajoutant une cellule LC (self + condensateur).

Pourrait on obtenir le même résultat avec un simple condensateur ?

Il y a peu de chances, en effet le module LM2596 possède déjà un condensateur de sortie de 220µF.

En ajoutant un condensateur de 220µF supplémentaire, cette fois-ci au plus près de la charge, l'ondulation est de 75mV. Avec 1000µF elle descend à 50mV.

On voit bien que l'on est très loin des 0.15mV d'un régulateur linéaire.

Dans certains cas, on pourra difficilement se contenter de cette imprécision, dans d'autres cas, elle sera peu gênante. Tout dépend de l'application.

Suivant les besoins on pourra donc réduire l'ondulation en adoptant une solution adaptée :

• l'ondulation n'est pas gênante : rien du tout
• l'ondulation est légèrement gênante : un condensateur
• l'ondulation est gênante : une cellule LC
• l'ondulation est très gênante : voir plus loin

4. Solution alternative

Il existe des solutions alternatives pour effectuer des mesures précises tout en conservant un régulateur à découpage.

4.1. Utiliser un régulateur linéaire

On peut parfaitement utiliser le régulateur linéaire d'une carte UNO ou NANO en alimentant à l'aide d'un régulateur à découpage par la broche VIN ou le JACK entre 6.5V et 12V, par contre tout va dépendre de la tension appliquée sur VIN, et du courant nécessaire. Plus la tension sur VIN sera importante, et plus le courant demandé sera important, plus le régulateur chauffera.

Voir ici :

ARDUINO : l'alimentation (VCC, VIN, etc.)

Paragraphe 3.3.3. Puissance maximale

4.2. Utiliser la sortie 3.3V comme tension de référence

Avec un ARDUINO UNO ou NANO on peut relier la sortie 3.3V à l'entrée VREF. Ensuite dans le code on écrira :

analogReference(EXTERNAL);

En procédant de la sorte on ne pourra pas mesurer de tensions supérieures à 3.3V, ou alors il faudra installer un pont diviseur entre la tension à mesurer et l'entrée analogique.

Remarque : une carte ARDUINO PRO MINI ne possède pas de broche VREF.

4.3. Utiliser une référence de tension

J'ai déjà parlé de ces composants ici :

La référence de tension MAX6225, MAX6241 & MAX6250

Ici aussi on reliera la sortie de la référence à l'entrée VREF et on ajoutera la même ligne dans le code.

5. Conclusion

Quand on alimente un microcontrôleur à l'aide d'un convertisseur à découpage on pense rarement à ce problème d'ondulation. J'espère que cet article vous aura éclairé.

Cordialement

Henri