Différences entre les régulateurs linéaires les régulateurs à commutation et les régulateurs en série
1. Régulateurs linéaires contre régulateurs à découpage
Un régulateur linéaire nécessite une tension d'entrée supérieure à sa tension de sortie. Il gère la différence entre les tensions d'entrée et de sortie—connue sous le nom de tension de chute—en faisant varier l'impédance de son élément interne de régulation (tel qu'un transistor).
Considérez un régulateur linéaire comme un « expert en contrôle de tension » précis. Lorsqu'il est confronté à une tension d'entrée excessive, il agit fermement en « coupant » la partie excédant le niveau de sortie souhaité, garantissant ainsi une tension de sortie constante. La tension excédentaire ainsi « éliminée » est finalement dissipée sous forme de chaleur, maintenant une sortie stable.
En termes de configuration de circuit, un régulateur linéaire série typique utilise un amplificateur d'erreur, une source de tension de référence et un transistor de passage pour former un système de rétroaction en boucle fermée qui surveille et corrige continuellement la tension de sortie en temps réel.
Les régulateurs linéaires comprennent principalement des régulateurs à trois bornes et des régulateurs LDO (Low Dropout). Le premier utilise une architecture classique nécessitant une différence relativement importante entre la tension d'entrée et celle de sortie (généralement ≥2 V), ce qui entraîne une efficacité moindre, et convient aux applications moyenne ou haute puissance. En revanche, les régulateurs LDO sont optimisés pour une tension de chute minimale (aussi basse que 0,1 V), ce qui les rend idéaux pour les scénarios où les tensions d'entrée et de sortie sont proches—comme dans les dispositifs alimentés par batterie—bien qu'une conception thermique soigneuse soit requise.
La figure 1 illustre les principes de fonctionnement des régulateurs linéaires et des régulateurs à découpage.
Les régulateurs à découpage, quant à eux, contrôlent les instants de conduction et de blocage des interrupteurs de puissance (par exemple, des MOSFET) afin d'ajuster le cycle de service du transfert d'énergie. La tension d'entrée est ensuite convertie en une tension de sortie moyenne stable grâce au stockage d'énergie et au filtrage assurés par des inductances et des condensateurs.
Leur caractéristique fondamentale est une régulation de type « hachage » : la tension d'entrée est découpée à haute fréquence, et l'énergie délivrée en sortie est contrôlée en ajustant le cycle de service des interrupteurs. Cette approche permet d'atteindre une efficacité nettement supérieure par rapport aux régulateurs linéaires.
Les topologies courantes des régulateurs à découpage incluent Buck (abaisseur), Boost (élévateur) et d'autres, prenant en charge de larges plages de tension d'entrée et s'adaptant bien aux applications haute puissance ou aux environnements présentant des fluctuations importantes de la tension d'entrée.
La figure 2 présente une comparaison entre les régulateurs linéaires et les régulateurs à découpage. Vous pouvez choisir le type approprié selon vos besoins spécifiques : optez pour un régulateur linéaire lorsque la faible nuisance électromagnétique et la simplicité du circuit sont prioritaires ; choisissez un régulateur à découpage lorsque vous avez besoin d'une grande efficacité et d'une forte puissance.
| Caractéristiques | Régulateur linéaire | Régulateur à découpage |
| Efficacité | Faible (pertes élevées lorsque la différence de tension est importante) | Élevée (80 % - 95 %) |
| Exigence de dissipation thermique | Dissipateur thermique requis (la chaleur est dissipée directement) | Faible (la chaleur est générée indirectement par les pertes de commutation) |
| Bruit | Sortie pure, sans ondulation haute fréquence | Présence de bruit de commutation, optimisation du filtrage requise |
| Scénarios d'application | Alimentation basse puissance, haute précision (par exemple, capteurs) | Haute puissance, tension d'entrée large (par exemple, modules d'alimentation) |
2. Régulateurs de tension en série
Un régulateur de tension en série est placé entre la source d'alimentation et la charge, agissant comme un « gardien de régulation de tension » précis. Son principe de fonctionnement implique l'ajustement dynamique de la résistance d'un résistor variable en réponse aux changements de tension d'entrée ou de courant de sortie, permettant ainsi de maintenir la tension de sortie à une valeur stable et prédéfinie.
Dans la technologie électronique moderne, les circuits intégrés de régulateurs en série utilisent des dispositifs actifs tels que les MOSFETs ou les transistors à jonction bipolaire (BJTs) pour remplacer élégamment les résistances variables traditionnelles, améliorant considérablement les performances et la fiabilité du régulateur.
La configuration du circuit d'un régulateur de tension en série est précise et bien structurée, se composant principalement des quatre éléments clés suivants :
● Transistor de sortie : Connecté en série entre les broches d'entrée et de sortie du régulateur, il agit comme un pont reliant la source d'alimentation amont et la charge aval. Lorsque des fluctuations se produisent dans la tension d'entrée ou le courant de sortie, le signal de l'amplificateur d'erreur contrôle précisément la tension de grille (pour les MOSFETs) ou le courant de base (pour les BJTs) de ce transistor.
● Source de référence de tension : Servant de référence stable pour l'amplificateur d'erreur, la source de référence de tension joue un rôle critique. L'amplificateur d'erreur s'appuie sur cette référence fixe pour réguler avec précision la grille ou la base du transistor de sortie, garantissant ainsi une tension de sortie stable.
● Résistances de retour : Ces résistances divisent la tension de sortie pour générer une tension de retour. L'amplificateur d'erreur compare cette tension de retour avec la tension de référence pour réaliser une régulation précise de la sortie. Les deux résistances de retour sont connectées en série entre les broches VOUT et GND, et la tension à leur point médian est introduite dans l'amplificateur d'erreur.
● Amplificateur d'erreur : Fonctionnant comme le « cerveau intelligent » du régulateur en série, l'amplificateur d'erreur compare soigneusement la tension de retour (c'est-à-dire la tension au point médian du diviseur de résistance de retour) avec la tension de référence. Si la tension de retour est inférieure à la tension de référence, l'amplificateur d'erreur augmente la force de conduite vers le MOSFET, réduisant sa tension drain-source et augmentant ainsi la tension de sortie. Inversement, si la tension de retour dépasse la tension de référence, l'amplificateur réduit la force de conduite du MOSFET, augmentant la tension drain-source et abaissant la tension de sortie en conséquence.
Dans cet article, nous avons exploré plus avant les principes de fonctionnement, les fonctions et les configurations de circuit de plusieurs types de régulateurs de tension. Dans le prochain volet, nous expliquerons le mécanisme de régulation dynamique des régulateurs linéaires et clarifierons les différences entre les régulateurs à trois bornes et les régulateurs LDO (Low Dropout).
