R R é é gulateurs de gulateurs de tension lin

R R é é gulateurs de gulateurs de tension lin

tension lin é é aires aires

R

Réégulateurs : principes de basegulateurs : principes de base

Montage « standard »

in out

I

I ≅

in in in

V I

P = P

= V

I

out out

in out

in

D

P P V V I

P = − = ( − )

Pertes

R

Réégulateurs : principes de basegulateurs : principes de base

Montage « LDO » (Low Drop-Out)

Avantages:

• pertes réduites

Inconvénients:

• faible diff. V _out – V _in

• instabilité !

Bloc d

Bloc d’’alimentionalimention typiquetypique

Application typique du régulateur linéaire de tension

Le régulateur de tension linéaire est employé lorsqu’on a besoin d’une grande précision &

stabilité sur la tension de sortie sans bruit ni ondulations.

Exemple: Régulation précise d’une des sorties d’un DC/DC de type « flyback ».

‰ Circuit simple, mise en œuvre facile

‰ Faible coût

‰ Bruit(s) à la sortie réduits (favorable à l’EMC)

Avantages:

‰ Pertes ~V_in/V_out peuvent être très élevées

‰ Approprié uniquement pour des faibles puissances

‰ Fonctionnement uniquement en « abaisseur » de tension

Inconvénients

R

Réégulateurs : boucle de rgulateurs : boucle de rééglageglage

Boucle de réglage (circuit de contrôle):

REF

out

V

R V R ⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

=

2

1

Sortie:

R₁

R₂

Exercice :

On souhaite réaliser un régulateur de tension linéaire pour U

=12V, U

=10V et V

=2.5V.

1. Calculer le rapport R

/R

.

2. Calculer les valeurs de R

et R

, afin d’obtenir un rendement ≥80% avec I

=200mA et

I

=8mA.

R

Réégulateurs : Structures de Ballastgulateurs : Structures de Ballast

A

I_out <1 I_out >1A A

I_out <1

A I_out >1 A

I_out >1

V_in-V_out> 1

V_in-V_out> 1.5 V_in-V_out> 2

V_in-V_out> 0.1 V_in-V_out> R_DSonI_out

Non-inverseurs:

Z_outfaible Z_outfaible

Z_outimportant Z_outimportant Z_outimportant

Inverseurs: ->stabilité !

Darlington

R

Réégulateurs : Exemplegulateurs : Exemple

Régulateurs 3 terminaisons:

) (

in in

in

in

V I V I I

P = = +

out out

out

V I

P =

GND in out

out in

out in

D

P P V V I V I

P = − = ( − ) +

Exemple: LM317

Q25

VREF=1.25V

Q26

R1

IP=50 A

I

ADJ Vout

Vin

LM317

Q12

Q16

Q18

Q19

Q17

R₁₅

R14

R2

P REF

out

V R I

R

V R

1

1

⎟⎟ ⎠ +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

=

0

-I_DS2 -V_GSMax

V_(Dropout)

P₀

Mode source de courant

P₂

P₁

-V_DS0 DS

-V_DS1 -V_DS2

-I_DS0

-I_DSmin -V_TH -V_GSMax -V_GS1

-V_GS

-I_DS

-V =-(V -V )_{in out}

Mode résistance

-V_GSMin -VGSMin

-I_DS1

(Région linéaire) (Région saturée)

R

Réégulateurs LDO: rappel MOSgulateurs LDO: rappel MOS

S G D

S G D S G D

TH GS

DS V V

V << −

V

≤ V

− V

A. Zone linéaire B. Zone « pincement »

C. Zone « saturée »

TH GS

DS

V V

V > −

( )

TH GS DS

TH GS DS

DS

V V V

pour

V R V

−

<<

−

⋅

≅

= κ

σ ¹

TH GS

DS V V

V = −

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ − −

⋅

≅

= _GS ^DS _TH

DS DS V V

R V 2

1 κ

σ

∞

→

→

DS DS

R σ 0

Attention MOS type P: V

, V

< 0 !

Régulateurs LDO: Rappels MOSFET

0

-I_DS2 -V_GSMax

V_(Dropout)

P₀

Mode source de courant

P₂

P₁

-V_DS0 DS

-V_DS1 -V_DS2

-I_DS0

-I_DSmin -V_TH -VGSMax -V_GS1

-V_GS

-I_DS

-V =-(V -V )_{in out}

Mode résistance

-V_GSMin -VGSMin

-I_DS1

(Région linéaire) (Région saturée)

MOS: mod

MOS: modèèles linles linééairesaires

RDS

CGS

gm VGS

S D

VGS MOSFET Canal P

Vout

G

Vin

RDS

CGS

gm VGS

S D

VGS MOSFET Canal P

Vout

G

Vin

GS DS

m V

g I

∂

= ∂

Attention au signe de g_m dans notre cas !

Régulateurs LDO: modèles MOSFET

R

Réégulateurs LDO: principesgulateurs LDO: principes

R1

S D

G

C

R2

CT

Vout MOSFET

Canal P

Vin

Circuit de contrôle

Rch

Vin

-VDS=Vin-Vout

RDS

CGS

gm VGS

S D

VGS MOSFET Canal P

Vout

G

Vin

TH GS

DS V V

V << −

A. Zone linéaire

B. Autres cas (pincement & « saturé »)

• circuit de contrôle règle V_GS(<0!), afin de maintenir V_out

• -> on peut passer d’un mode à l’autre, suivant les conditions d’utilisation.

Régulateurs LDO: modes d’utilisation

0

-V_GSMax P₀

Mode source de courant

P₂ P₁

-V_GS{2,1,0}

-V_GS4

-V_DS1 DS

-V_DS2 -V_DS

-I_DS0 -I_DS

-V =-(V -V )_{in out}

Mode résistance variable

P₄

P₅

=-V_TH P_OFF

-V_GS5 -V_GS3 P₃

P₅

R

Réégulateurs LDO: exemples de changement de modes dgulateurs LDO: exemples de changement de modes d’’opopéérationration

Vin Vout

-V_DS

-V_TH

Zone d'asservissement

Vin Vin ,Vout ,-VDS

VinMin

-VDS Zone de blocage

R₁

S D

G

C

R₂

C_T

Vout MOSFET

Canal P

V_in

Circuit de contrôle

Rch

Vin

-VDS=Vin-Vout

Exemple : Variations de V

(V

, R

=const.)

• variation de P

->P

: pas/peu de changement de V

(source de courant « idéale »)

• P

->P

: augmentation de nécessaire

• P

(V

=0V): dim. de V

entraîne dim. de

• P

->P

: diminution rapide de I

et V

VGS

VGS

R

Réégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé

G

S

D

S RDS VDS

VGS

CGS

gm VGS

Stabilité fréquentielle « petits signaux »

g_m, R_DSdépendent du pt. de fonctionnement.

AO à 1 étage -> A_Vnon-négligeable

• Diagr. de pertes -> R_ESR

• Auto-décharge -> R_isol.

• di/dt -> L_ESL

R

Réégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé

dans notre cas: g_m<0 !

Équations différentielles

( )( )

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + + +

+ +

+

≅ +

=

=

DS ESR

ESR DS DS

ESR T GS

a

ESR T DS

m V

m MOS

GS a diff

m

R R

R sC R

R R sC C

sR

R sC R

R R g R A

s G s Z s G s G s s G

V s s V

G

1 ) (

1 1

1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ) (

( ) ) (

(

2 1

2

0 0

10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ -50

0 50

|G0(f)| [dB]

Fonction de transfert G₀(f) en boucle ouverte

10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

-270 -180 -90 0

f [Hz]

arg(G0(f)) [Degrés]

R_ESR=20Ω

R_ESR=20Ω R_ESR=2Ω

R_ESR=2Ω R_ESR=10mΩ

R_ESR=10mΩ

10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

-80 -60 -40 -20 0 20 40

f [Hz]

|Gomega(f)| [dB]

Fonction de transfert G_ω(f) en boucle fermée

R_ESR=20Ω

R_ESR=2Ω

R_ESR=10mΩ

R

Réégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé

Boucle ouverte Boucle fermée

• « peaks » de résonnance pour R_ESR=20Ωet R_ESR=10mΩ.

• bande passante ~10 kHz

• atténuation env. 40dB/dec.

• marge de phase (pour gain=1) (min. souhaité env. 45°)

• Marge de gain (pour phase=180°) (min. souhaité env. 20dB)

Ce qu’il faut retenir:

A titre d’exemple, pour un LDO avec MOSFET type P et un ESR de 1Ω, on obtient:

RéRégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé

‰ Régulateur avec éléments ballast du type « inverseur » peuvent présenter des instabilités.

‰ Ces instabilités dépendent de l’ESR de la capa de sortie.

‰ En termes de fonction de transfert, ces instabilités apparaissent comme fréquences de résonnances

‰ Le fabriquant indique les limites d’utilisation de capacités de filtrage

‰ La réponse à une perturbation étant liée à la fonction de transfert en boucle fermée, le même phénomène apparaît, lorsqu’on analyse le taux de réjection de bruit (ΔV_out/ΔV_in)

Frequency

1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz

DB(V(C0:2)/0.01) -50

0 50

Param

Paramèètres de rtres de réégulateurs (LDO)gulateurs (LDO)

Principaux paramètres à prendre en compte:

• Plage de tension V

• Rendement

• Pertes (disspiation) : doivent être inférieurs à la capacité de dissipation du boîtier.

• Réjection de bruit : taux de réjection (en fonction de la fréquence) en rapport avec la bande passante.

• Conditions de stabilité

0.1

0.01

0 50 100 150 200 250

TYPICAL REGIONS OF STABILITY COMPENSATION SERIES RESISTANCE (CSR)^†

vs OUTPUT CURRENT

10 100

IO – Output Current – mA 1

Region of Instability

RSC–ecnatsiseRseireSnoitasnepmoC–Ω

Region of Instability

CO = 10μF

0.1

0.01

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

TYPICAL REGIONS OF STABILITY COMPENSATION SERIES RESISTANCE (CSR)^†

vs

ADDED CERAMIC CAPACITANCE

10 100

Added Ceramic Capacitance –μF 1

0.6 0.7 0.8 0.9 1

RSC–ecnatsiseRseireSnoitasnepmoC–Ω

CO = 10μF

Region of Instability Region of Instability

Plage pour ESR

R

Réégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie

LIM J shunt

I R V

V

U_lim =0.7 ⇒ =

Première méthode (limitation rectangulaire):

Principe:

•

• Quand V_BE(Q₂) atteint 0.7V -> V_BE(Q₁) diminue

• Q₁contrôlé par Q₂, afin de limiter I_out

out shunt Q

BE

R I

V

= ⋅

• En cas de court-circuit à la sortie : P_Q1 = U_in^.I_lim !

• R₃protège l’AO en cas de limitation : I_R3=U_R3max/R₃=(U_in-U_out)/R₃

• R₂« alimente » Q₂ : I_Q2max=(U_in-U_out)/(R₂+R₃)

Remarques:

U

I

U

shunt j

R V

R

Réégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie

(

)

out sh

BE R I U R I

V ₂ = ⋅ −γ ⋅ + ⋅

Deuxième méthode (limitation réentrante):

Principe:

• V_BE(Q₂) dépend de I_out et de U_out.

• Quand V_BE(Q₂) atteint 0.7V (U_j) -> V_BE(Q₁) diminue

• Q₁contrôlé par Q₂, afin de limiter I_out=f(U_out)

Maille : avec :

-> donc en limitation (U_BE2=U_j):

Mise en équation:

U

Uout

7 6

6

R R

R

= + γ

( )

sh I U U

R ⋅ 1−γ ⋅ _lim, = +γ ⋅

Vj Rshunt(1−γ)Iout

nom

Uout_,

Uout

γ⋅

( )

[

]

out R I U

U = 1γ ⋅ ⋅ 1−γ ⋅ _lim, −

R

Réégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie

Exercice :

On souhaite réaliser une limitation réentrante pour un régulateur de tension linéaire avec U

=12V, U

=8V et I

=0.1A.

1. Calculer la valeur de R

, de manière à respecter V

=2.0V sur Q

. 2. Calculer le rapport γ=R

/(R

+R

) (en admettant U

=0.6V).

3. Calculer la puissance dissipée dans Q

en fonctionnement nominal et en court-circuit.

4. Calculer la puissance max. dissipée dans Q

, si la limitation était du type rectangulaire.

R

Réégulateurs : comparaison limitationsgulateurs : comparaison limitations

Limitation rectangulaire: Limitation « foldback »:

(

)

LIM

Q

I V U

P

= ⋅ −

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I [A]

Vout [V] PQ1 [W]

Caractéristique réentrante de la limitation de courant

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I [A]

Vout [V] PQ1 [W]

Caractéristique rectangulaire de la limitation de courant

(

)

LIM

Q

I V U

P

< ⋅ −

R

Réégulateurs : limitation thermiquegulateurs : limitation thermique

Utilisation de coefficients thermiques :

Principe:

• V_Z augmente avec température, V_BEdiminue

• Dès que V_BE,Q2 ≥U_j(T) : Q₂sature

• -> Q₁bloque (V_BE,Q2= 0V)

• -> Q bloque également (I_B=0)

mV C Z

T V

+ °

∂ ≅

∂ 4 T^{BE mV C}

V

− °

∂ ≅

∂ 2

R R é é f f é é rences de rences de tension

tension

R

Rééfféérences : diodes rences : diodes zenerzener

Forme la plus simple: diode « zener »

V_cc

ou:

0 1 2

V [V]

10 9 7 8

6 5 4 3

z 0

10 20 30 40 50 I [mA]z

Courant de test 5mA Tj = 25°C

2.4V 2.7V

3.3V 3.9V

4.7V 6.8V

8.2V 5.6V

Effet d’avalanche Effet Zener

A: B:

Inconvénients:

• V_Z augmente avec température

• Sensibilité à ΔI ou ΔV_cc

• Tension d’alimentation élevée (>V_z)

Z Z Z

V R I = 1

∂

∂

I R V

=

⋅ Δ

Δ

V

R V = R ⋅ Δ

ou Δ

A: B:

R

Rééfféérences : diodes rences : diodes zenerzener

Amélioration de la sensibilité en température

mV C Z

T V

+ °

∂ ≅

∂ 4

V_cc

mV C Z

T V

− °

∂ ≅

∂ 2

Inconvénients:

• Compensation ne fonctionne que pour une configuration donnée (V_zet éventl. I_z)

• Sensibilité à ΔI ou ΔV_cc

• Tension d’alimentation élevée (>(V_z+2U_j) Pour V_z=7.5V, T=25°C

R

Rééfféérences : rences : «« burriedburried »»ZenerZener

Zener « haute » Qualité: « burried » Zener

p^– SUBSTRAT n^– EPI

p⁺ ISO

p⁺ ISO n⁺ COUCHE ENTERREE ISOLATION

p^–BASE

CATHODE

ANODE ZONE ACTIVE

DE LA ZENER

n⁺EMETTEUR

Z

out V

R R R

R

V R ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

= +

3 4 2

1

2 1

Structure SI: Schéma « burried Zener » & AO:

Avantages:

• Bonne précision (0.01% à 0.04%)

• Peu sensibles aux variations de température (<10ppm/°C)

• Peu de dérive à long terme (<20ppm/1000hrs)

• Caisson d’isolation -> faible bruit

R

Rééfféérences : principe rences : principe «« bandgapbandgap»»

Cahier des charges:

• Référence « bon marché », c.a.d. moins complexe que « burried » zener

• Référence avec tension d’alim. < 5V

• Bonne stabilité en température

Principe « bandgap »:

mV C Diff

T V

+ °

∂ ≅

∂ 2

mV C BE

T V

− °

∂ ≅

∂ 2

+

On démontre:

1.

2.

V V

V

≅

≅ 1 . 2

≅ 0

∂

∂ T V

pour λ = f(I₁/I₂,T)

R

Rééfféérences : fonctionnement rences : fonctionnement «« bandgapbandgap»»

Paire de jonctions:

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

− ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

−

= Δ

2 1

2 1

2 1

ln

ln ln

I I q

kT

I I I

V I V

V V

S S

T BE BE

BE

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

∂ Δ

∂

2 1 2

1 ln

ln I

I T

V I

I q k T

V_{BE T}

V

I

T BEV V S

e I I = ⋅

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

S S

T

BE

I

I q

kT I

V I

V ln ln

T V T V T

V

≅

−

∂

∂

R

Rééfféérences : fonctionnement rences : fonctionnement «« bandgapbandgap»»

Compensation en température:

0 ln

2 1

0 ⎟⎟⎠=

⎜⎜ ⎞

⎝

⋅ ⎛ +

−

≅

∂ Δ + ∂

∂

= ∂

∂

∂

I I T V T

V T V

T V T

V T

V

T G

BE

BE BE

REF

λ λ

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⋅ ⎛

≅ −

2 1 0

ln I V I

V V

T

BE

λ

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⋅ ⎛

⋅ +

=

Δ

⋅ +

=

2

ln

I V I

V

V V

V

T BE

BE BE

REF

λ λ

0 G

REF

V

V ≅

Variante avec jonctions différentes parcouru par les mêmes courants:

•

• Au lieu de prendre 2 jonctions identiques, on peut également démontrer le principe avec des jonctions ayant 2 surfaces différents -> travail avec I_S au lieu de I_C

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝ ⎛

⋅

=

S T

BE

V I I

V ln Δ = ⋅ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞

1

ln

S S T

BE

I

V I

V

R

Rééfféérences : exemple rences : exemple ««bandgapbandgap»»type «type « BrokawBrokaw»»

R

Rééfféérences : exemple rences : exemple «« bandgapbandgap»»

Miroir de courant

R

Rééfféérences : principe XFETrences : principe XFET

Principe:

• Similaire au « bandgap » : compensation des dérives en température

• Ici I₁=I₂

• AO maintient Q₁et Q₂en mode « saturés » ou « pincement complet »

• ΔV_GS (= ΔV_p) obtenu grâce à des symétries différentes entre Q₁et Q₂

PTAT p

REF

V R I

R R

V R

1 3

1

⎟⎟ ⎠ Δ +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

+

=

<0

∂ Δ

∂ T

V_P

>0

∂

∂ T I_PTAT

Avantages:

• Dérive en température < 10ppm/°C

• Dérive à long terme < 1ppm/1000hrs.

• Plage de température (-40°C à +125°C)

Principaux paramètres à prendre en compte:

• Erreur initiale

• Coefficient de température

• Hystéresis thermique : en ppm lors d’un cycle (ex.: 25°C → 50°C → 25°C )

• Bruit: pour une bande 0.1-100 Hz, en μV_pp.

• dérive

• temps de stabilisation en us pour atteindre 0.1% de la valeur.

• Régulation en ligne : V_out/V_in en ppm/V

• Régulation en charge : V_out/I_ch en ppm/mA

• Spécifités de layout PCB

R

Rééfféérences de tensionrences de tension

R₄ R₃=4R₄

I 4I

R1=1k

Q₁ Q₂

4A_E A_E I

4I

5I

R₂=1.86k

R12=2.97R11

R₁₁

V_REF 5V V_in

TRIM

VTEMP 623mV@25°C V_BE

V_BEQ2

TCVTEMP 2.222mV/°C V_BE R₂

R1

V_BE

VZ 1.26V

R₉

Principe: comme une « bandgap Brokaw»

R

Rééfféérences : exemple REF02rences : exemple REF02

mV C BE

T V

+ °

∂ ≅ Δ

∂ 2

Z

REF V

V =3.97⋅

Circuit de mesure de T

VDD

V_DD

V_EE VB

Vin

VREF

GND TRIM

VTEMP

50k

R_bP R_b0

R_a R_c

REF02

V_out

V_DD= 15V VEE= -15V Rb

REF a c TEMP c

b a

b a

out V

R V R

R R R

R

V R ⎟⎟⎠ −

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + +

= 1

Permet de varier le « gain » en température

R

Rééfféérences : exemple REF02rences : exemple REF02

Variation en température de V

Annexe : variation en temp

Annexe : variation en tempéérature de Vrature de V_BEBE

V

I

T BEV V S e I I = ⋅

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

S S

T

BE I

I q

kT I

V I

V ln ln

( )

( ) ( )

T V I

T I V

V T I

I q

k

I T I

I V I T

V T

V

S T

BE S

T S

S T

S T

BE

∂

⋅∂

−

=

∂ −

⋅ ∂

⎟⎟+

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⋅ ⎛

=

∂ −

⋅ ∂

⎟⎟+

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

= ∂

∂

∂

ln ln ln

ln ln ln

T G V V

S

T e

I

3 − 0

⋅

⋅

= κ ( ) ( )

T G

S V

T V

I ln ^{3 0}

ln =

κ

( ) { ( ) }

T G G

G

T G

S

V T V T

k q V T

kT q V T

T T

T V T V

T T

I

1 3

1 3 ln 1 ln

0 2

0

0 2

3

0 3

⋅

⋅ ≅ + ⋅

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

− ∂

⋅

⋅ ⋅

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝⎛

∂

− ∂

∂

⋅

= ∂

∂

∂

κ κ κ

T V T

V T

V

−

∂ ≅

∂

Energie [eV]

bande de valence bande de conduction

0

VG

q⋅