[Electronique] : Convertisseur boost/buck

01 novembre 2021 rdorigny 0 commentaires

Un convertisseur boost (aussi appelé power step up) augmente la tension d'une source continue, alors que convertisseur buck la diminue. On trouve un peu partout ces modules convertisseurs de tension qui sont très utile lorsque l'on a pas besoin de beaucoup de puissance.

Dans cet article, nous allons voir leurs principes de fonctionnement. En pratique, J'ai commandé des composants électronique XL6009 pour réaliser un convertisseur boost pour le fun.



1) Théorie

Le schéma de principe du convertisseur boost est tel que :



Il y a deux étapes de fonctionnement :
  • Etape d'accumulation d'√©nergie : si le switch est ferm√©, il provoque l'augmentation du courant dans l'inductance donc le stockage d'une quantit√© d'√©nergie sous forme d'√©nergie magn√©tique. La diode est alors bloqu√©e et la charge est d√©connect√©e de l'alimentation ;
  • Etape de restitution d'√©nergie : Si le switch est ouvert, l'inductance se trouve en s√©rie avec le g√©n√©rateur et l'inductance. La tension s'additionne √† celle du g√©n√©rateur (effet survolteur). C'est un peu comme si l'alimentation et l'inductance √©taient en s√©rie, ce qui provoque une √©l√©vation de tension. Le courant traversant l'inductance traverse ensuite la diode D1, le condensateur C1 et la charge R1. Il en r√©sulte un transfert de l'√©nergie accumul√©e dans l'inductance vers la capacit√©.

  • Il suffit donc d'ouvrir puis fermer le switch √† haute fr√©quence pour faire monter la tension emmagasin√©e dans le condensateur C1 (qui fait effet de r√©servoir pour la charge R1 en quelque sorte). On utilise assez souvent un transistor mosfet en lieu est place du switch. Sa gate est command√©e par un circuit oscillant pour permettre l'effet survolteur.

    Avec ce système, une tension supérieure à celle de l'alimentation DC est possible. Il y a en électronique beaucoup d'applications de cette élévation de tension. Par exemple, on peut allumer une diode avec une pile de 1.5V alors que sa tension de seuil est souvent supérieure à 2V.

    Le schéma du convertisseur buck est tel que :



    Son principe de fonctionnement est assez similaire au boost. Ici l'inductance est en série négative avec l'alimentation. Ainsi, elle abaisse la tension du condensateur C1, ce qui a pour effet de la diminuer également pour la charge R1.

    2) Construction d'un convertisseur boost en pratique


    Pour la construction de ce convertisseur boost, j'ai opté pour un composant spécialisé à cet effet, le XL6009. Vous trouverez son datasheet ici. Les modules step up/down qui utilisent ce composant sont nombreux sur les sites chinois. En théorie, il permet de monter à 60V ou de fournir un courant de 4 A mais pour une tension bien inférieure et avec un bon radiateur.

    Il est doté d'un oscillateur local en charge de piloter un transistor Mosfet par sa sortie SW. La tension de sortie est relevée par FB, ce qui permet d'asservir au besoin les périodes d'apport énergétique.



    Le constructeur du XL6009 fournit un schéma d'utilisation.



    J'ai réalisé ce circuit sur breadboard avec 8V en entrée, on obtient bien les 18V en sortie. Attention le XL6009 est un composant monté en surface (CMS/SMD), aussi il est nécessaire de le souder sur une mini-plaquette afin de pouvoir la connecter à la breadboard.


    La tension FB relevée est comparée avec une tension de référence Bandgap de 1.25V. En fonction de l'abaissement de tension de charge, ce mécanisme va asservir la périodicité d'apport énergétique vers le secondaire. Cela se concrétise par une augmentation de la fréquence si le besoin d'énergie est plus fort.


    On observe ci-dessus la tension à vide. Il y a peu de consommation d'énergie, le temps de bascule pour une demande d'énergie est long.


    Avec une charge électronique, je demande un courant de 100mA. On observe bien une augmentation de la fréquence d'apport énergétique de la part du XL6009.


    Ici, le courant demandé est de 500mA. La fréquence d'apport est forte. On observe également les parasites qui sont produits lors de la commutation. Il sera nécessaire de filtrer la tension de sortie de ce convertisseur boost. (Les mauvaises connexions sur la breadoard favorise également ces parasites).

    A noter, que le XL6009 fonctionne de sorte que : Vout=1.25*(1+R2/R1)
    Donc si je modifie le schéma précédent en augmentant R2, je pourrais augmenter également la tension de sortie pour atteindre les 60V annoncées par le datasheet. Et en effet, on les atteint! :-)



    Pour les parasites, il est nécessaire de filtrer avec un filtre passe bas LC. Attention, il faut préférer les condensateurs céramiques aux chimiques (peu efficace en HF.)

    Avant le filtre.


    Après le filtre. On voit bien la diminution des parasites HF!



    Conclusion

    Nous avons vu le mécanisme de hachage permettant d'augmenter ou d'abaisser une tension, en utilisant notamment un composant driver.

    Les alimentations à découpage sous toutes leurs architecture (Flyback, SEPIC, pompe de charge, ...) utilisent toutes le même principe de l'énergie accumulée dans une inductance de restitution. Le hachage de la tension d'entrée permet des apports d'énergie au plus juste suite à la consommation de la charge.

    Il y a deux intérêts à ce système. Le premier est un rapport de puissance excellent, il y a peu de perte. Le second intérêt est que l'on évite d'utiliser de gros transformateurs lourds et encombrants, et ainsi on peut miniaturiser les alimentations.

    Pour aller plus loin, voici une vidéo sur le sujet :











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