Convertisseur tension courant à découpage

[SportsEngine]

Bonjour,

J'aimerais réaliser un convertisseur tension-courant pouvant aller jusqu'à 2,5A en ayant un bon rendement.
Le signal d'entrée analogique est fourni par une carte externe munie d'un convertisseur numérique analogique (DAC 12 bits) de valeur pleine échelle 5V et de fréquence max 50 kHz.
Sans entrer dans les explications détaillées de l'application, le but est de piloter une source lumineuse LED sans effet stroboscopique (même haute fréquence) pour utilisation avec une caméra high FPS.

Le premier montage que j'ai mis en place était un bête convertisseur tension courant linéaire (ampli op qui pilote un NPN de puissance, avec contre-réaction sur résistance de mesure de courant, et quelques composants en amont pour conditionner le signal du DAC), mais à 2A le transistor chauffait fort, et le radiateur prend de la place d'où l’intérêt de passer par un système à découpage.

- Le premier critère de mon convertisseur est de pouvoir sortir un courant pouvant aller de 0 à 2,5A.
- Le second critère est de pouvoir atteindre une fréquence de 50 kHz.
- Le troisième critère est d'avoir la cathode de la LED à la masse.

J'ai établi un schéma de principe mais j'ai quelques questions quant à la sélection des composants :


1) Comme vous pouvez le voir, j'utilise une configuration "Buck". J'aimerais savoir si il vaut mieux utiliser une commande en fréquence variable (rapport cyclique 50%) ou en PWM (fréquence fixe 1MHz par exemple) ?

2) Est-ce que mon raisonnement est bon en choisissant une fréquence de coupure Fc = 50kHz pour le couple L-C?

Merci!
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[DAUDET78]

J'aimerais savoir si il vaut mieux utiliser une commande en fréquence variable (rapport cyclique 50%)

Une fréquence variable avec un ratio de 50% ne change jamais la valeur du courant de sortie

[SportsEngine]

D'accord, donc fréquence fixe et rapport cyclique variable, comme par exemple le LTC6992-1 qui a une fréquence max de 1 MHz, plutôt utile pour réduire la taille de la self.

Du coup je pense que si je commute à 1MHz la fréquence de coupure du L-C peut être de 70kHz, pour ne pas trop atténuer les signaux quand le signal d'entrée a une fréquence proche de 50kHz.

Merci.

[DAUDET78]

Faut pas réinventer le fil chaud à couper le beurre !
Y a des circuits pour ça . Par exemple AD6211

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonjour,

Utiliser un régulateur commercial sera le plus simple, vérifie quand même que le correcteur a 50 kHz de bande passante.

Sinon, un régulateur à hystérésis sera le plus simple à mettre en oeuvre (même si ça peut être plus galère côté CEM).

2) Est-ce que mon raisonnement est bon en choisissant une fréquence de coupure Fc = 50kHz pour le couple L-C?

L'idée est bonne, mais la fréquence de coupure du LC ne sera pas simplement 1/(2*pi*sqrt(L*C)) car cette formule n'est valide que dans le cas d'un Q infini. Hors, tu as ici une charge en sortie du filtre, charge qui se modélise comme une source de tension en série avec une résistance quasi-nulle, donnant au Q du résonateur une très faible valeur.
Autre façon de voir les choses : une led se modélise (en gros) comme une source de tension, la capa de sortie n'est donc pas nécessaire (elle est d'ailleurs généralement absente des smps drivers de led).
Si tu la supprimes, l'inductance et la fréquence de découpage seront à choisir en compromis entre :
- l'ondulation du courant dans la charge ;
- la vitesse de croissance minimale du courant dans l'inductance (de manière à pouvoir passer les 50 kHz de bande passante).
Auxquelles les contraintes classiques sur la fréquence :
- pertes par commutation ;
- CEM ;
- choix de la bobine (matériaux magnétique, pertes AC) ;
- capacité du circuit de contrôle à commuter rapidement ;
- etc.

[SportsEngine]

Sauf que mon entrée est analogique avec la fréquence pouvant varier de 0 à 50 kHz, et je veux que le courant de sortie soit peu bruité, ce qui n'est pas le cas avec un driver de LED classique qui a l'inconvénient de commander les LEDs en PWM pour avoir un rendu sympa du point de vue œil humain, mais la camera risque de ne pas être du même avis!

En soit je ne réinvente pas, j'adapte! ce n'est pas comme si j'allais utiliser une pompe de charge pour faire une tension supérieur à Vcc et utiliser des portes logiques pour commander les MOSFET, ni refaire un convertisseur Tension-PWM avec des astables, comparateurs... J'ai un circuit dédié pour piloter les MOSFET, un convertisseur U-PWM intégré, un composant dédié à la mesure du courant aux bornes d'une résistance de mesure, le tout en high-side. Le reste c'est quelques ampli op pour conditionner le signal d'entrée et faire la contre réaction.

[SportsEngine]

J'avais répondu trop lentement ^^

Alors pour les circuits dédiés j'ai justement peur que le feedback ne soit pas capable de couvrir les 0 - 50 kHz, à savoir que la forme du signal peut être très variable (sinus, triangle, patatoidale...)

Pour le choix du L-C je pensais que ce serait plus simple ^^
Je pense que les conditions les plus critique seront l'ondulation du courant dans la charge et la croissance du courant.
Concernant la CEM je ne saurais trop dire, c'est dans un labo et pour du proto, on est loin du grand public et vu la puissance je ne pense pas qu'on rayonne tant que ça.
La perte par commutation sera toujours plus faible que le système linéaire précédent.

[Antoane]

Sauf que mon entrée est analogique avec la fréquence pouvant varier de 0 à 50 kHz, et je veux que le courant de sortie soit peu bruité, ce qui n'est pas le cas avec un driver de LED classique qui a l'inconvénient de commander les LEDs en PWM

Pas nécessairement, cf. par exemple : http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3763fb.pdf, tu peux jouer sur la tension appliquée sur CTRLx. Reste à vérifier la bande passante de l'asservissement

La perte par commutation sera toujours plus faible que le système linéaire précédent.

Oui, mais ca ne se gère pas de la même manière.
En linéaire, on peux mettre un gros radiateur et un composant déporté.
En découpage, tout est confiné dans un faible volume.
C'est principalement ce pourquoi atteindre 1MHz est relativement difficile, et que monter plus haut en techno silicium est complexe - sauf à employer des technos intégrées/encapsulées.