Le rôle d’un convertisseur buck
Un convertisseur buck (abaisseur, ou hacheur série) abaisse une tension continue avec un excellent rendement. Un interrupteur, en général un MOSFET, découpe l’entrée à haute fréquence ; une bobine et un condensateur lissent les impulsions en une tension plus basse et stable. Des rendements de 85 à 95 % sont courants, bien mieux qu’un régulateur linéaire pour de grands écarts de tension.
Formules clés
- Rapport cyclique : D = Vs ÷ (Ve × η), où η est le rendement.
- Ondulation du courant dans la bobine : ΔI, souvent choisie entre 20 et 40 % du courant de sortie.
- Inductance : L = (Ve − Vs) × D ÷ (f × ΔI).
- Courant crête dans la bobine : Is + ΔI ÷ 2. Le courant de saturation de la bobine doit être supérieur.
- Capacité de sortie minimale : C = ΔI ÷ (8 × f × ΔV), sans tenir compte de l’ESR du condensateur.
- Courant d’entrée moyen : Vs × Is ÷ (Ve × η).
Exemple
De 12 V à 5 V sous 2 A, 500 kHz, 30 % d’ondulation, 90 % de rendement, 50 mV d’ondulation en sortie :
- rapport cyclique : 5 ÷ (12 × 0,9) ≈ 46 % ;
- ondulation de courant : 0,6 A ;
- inductance : 7 × 0,463 ÷ (500 000 × 0,6) ≈ 10,8 µH, soit une bobine standard de 10 µH ;
- courant crête : 2,3 A, donc une bobine d’au moins 3 A ;
- capacité de sortie : au moins 3 µF, en pratique 22 µF ou plus de condensateurs céramiques ;
- courant d’entrée : environ 0,93 A, avec environ 1,1 W perdu en chaleur.
Compromis de conception
- Une fréquence plus élevée permet des bobines et condensateurs plus petits, mais augmente les pertes de commutation et les perturbations électromagnétiques.
- Une ondulation de courant plus faible demande une bobine plus grosse mais réduit l’ondulation de sortie et les pertes.
- L’ondulation réelle est souvent dominée par l’ESR du condensateur : ΔV ≈ ΔI × ESR. Les condensateurs céramiques ont une ESR très faible ; les électrolytiques demandent plus de marge.
- À faible charge, le courant dans la bobine peut s’annuler (conduction discontinue) ; les formules ci-dessus supposent une conduction continue.
Conseils pratiques
- La plupart des montages utilisent aujourd’hui un circuit intégré régulateur buck ; sa fiche technique recommande bobine et condensateurs, et ce calculateur aide à les vérifier.
- Gardez la boucle de commutation (condensateur d’entrée, interrupteur, diode ou MOSFET bas) la plus courte possible sur le circuit imprimé.
- Un buck ne fait qu’abaisser. Pour élever, utilisez un boost ; pour les deux, un buck-boost ou un SEPIC.