Convertisseur de tension buck

Le convertisseur de tension buck (aussi appelé « Step Down Converter » en anglais) permet de transformer une tension en une tension inférieure. Souvent une tension d’alimentation.
Pourquoi ne pas utiliser de composant linéaire comme les régulateurs linéaires: pour des raison de puissance perdue par ces composants. De plus les régulateurs linéaires ne possèdent que rarement de courant de sortie supérieur à 1 ampère.

Voici le principe de fonctionnement du convertisseur buck



La tension à abaisser est Vcc. La convertisseur possède un interrupteur (Switch): il est commandé par un système de commande suivant un certain rapport cyclique.
Ce signal de commande de l’interrupteur ressemble à cela:



t1 est le temps de conduction du switch: il est appelé aussi ton.
t2 est le temps pendant lequel le switch est ouvert: il est appelé aussi toff.

Le principe est le suivant: lorsque l’interrupteur se ferme, le courant commence à circuler dans l’inductance, le condensateur de filtrage et la charge.
Lorsque l’interrupteur s’ouvre, le courant dans l’inductance ne pouvant s’annuler immédiatement, il continue à circuler via la diode.



Voila le schéma d’un convertisseur buck: la diode est remplacée par un transistor MOS afin d’éviter le seuil de diode et la perte d’énergie (ainsi que la dissipation thermique associée) et le switch (interrupteur) est créé à l’aide d’un autre transistor MOS piloté par le signal de découpage décrit ci-dessus.
En général nous utiliserons des circuits spécialisés qui intègrent dans le même boîtier la fonction diode (le MOS du bas) ainsi que le MOS de découpage (le MOS du haut).

Les composants L, C possèdent des valeurs importantes et ne sont pas intégrables sur silicium: L vaut entre 2 µH (microhenry) et 2mH (millihenry). Le condensateur quant à lui possède une valeur de l’ordre du µF (microfarad). Or les condensateurs intégrés sur silicium sont de l’ordre du pF (picofarad)
Exemple pour comprendre l’utilité de ce genre de principe:
J’ai à générer une tension de 5V/1A à partir d’une tension de 12V.
Pour un régulateur linéaire la chute de tension sera de 12-5V soit 7V. La puissance dissipée par le composant sera de 7x1A soit 7Watt.

Le buck quant à lui se comporte comme un transformateur en puissance: la puissance de sortie est de 5x1A soit 5Watt. Le courant pris sur le 12V sera de 5/12 soit 0.417 A.
Dans ce cas idéal le puissance dissipée par le convertisseur est nulle. Or en réalité, le convertisseur possède un rendement en puissance (de l’ordre de 80 à 95%).
Pour 80% de rendement, la puissance absorbée sur le 12V sera de 5/0.8=6.25 W, soit 1.25W dissipée par le convertisseur.
Cela fait presque 6 fois moins que pour le régulateur linéaire de tension. On voit tout de suite son utilité. La puissance dissipée sera bien moindre et nous perdrons moins de puissance à la conversion.

Bien sur il y a des inconvénients à l’utilisation d’un buck

- La fréquence de découpage peut générer des parasites néfastes pour les composants aux alentours voire des perturbations CEM.
- Le principe de mise en œuvre reste plus complexe qu’un linéaire.
- Notons que de nos jours, de nombreux fondeurs ont conçus des convertisseurs buck ou step down intégrés et notons aussi que nos électroniques modernes en possèdent beaucoup: alimentation de PC, chargeur de portable etc.

Notons que ce convertisseur de tension buck possède deux modes de fonctionnement

- Le mode continu : le courant dans l’inductance ne s’annule jamais
- Le mode discontinu : le courant dans l’inductance s’annule