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Régulateur LDO vs régulateur à découpage : rendement et bruit

Tous deux produisent une tension stable à partir d'une tension continue d'entrée, mais ils traitent différemment l'excédent de tension. Les régulateurs linéaires comme le LDO utilisent un transistor comme une résistance variable et dissipent en chaleur la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie. Le régulateur à découpage commute rapidement un transistor et transfère l'énergie par une inductance et un condensateur : il conserve un rendement élevé même avec un grand écart de tension, et peut aussi élever la tension. En contrepartie, la commutation produit une ondulation et du bruit.

CritèreLDO (régulateur linéaire)Régulateur à découpage
Principe de fonctionnementLe transistor de sortie fonctionne en régime linéaire et supporte la différence entre tension d'entrée et tension de sortieLe transistor est commuté (passant/bloqué), et l'énergie est transférée par une inductance et un condensateur
RendementEnviron tension de sortie ÷ tension d'entrée. Produire 1,0 V à partir de 1,8 V donne environ 56 %Même avec un grand écart de tension, environ 80 à 95 % selon les conditions
Échauffement(tension d'entrée − tension de sortie) × courant est entièrement converti en chaleurPertes faibles, peu d'échauffement
Bruit de sortieTrès faible. Pas de bruit de commutationOndulation à la fréquence de commutation et bruit harmonique (EMI)
Fréquence de commutationAucuneDe quelques centaines de kHz à quelques MHz environ
Nombre de composantsFaible. Le CI et les condensateurs d'entrée et de sortie, en grosÉlevé. Inductance, condensateurs et, selon la topologie, diode, etc.
Conception de la cartePetite et simpleL'inductance prend de la place, et le routage doit être soigné pour limiter le bruit
Élévation, inversionImpossible. Abaissement uniquement, et l'entrée doit dépasser la sortie d'au moins la tension de dropoutAbaissement, élévation, abaissement-élévation et inversion possibles
Réponse aux variations de chargeRapideFixée par la bande passante de la boucle de régulation, souvent plus lente qu'un LDO
CoûtFaiblePlutôt élevé, en raison du nombre de composants
Usages typiquesAlimentation des circuits sensibles au bruit comme les ADC, PLL et circuits RF, faible écart de tension, faibles courantsAlimentation du cœur des CPU et SoC, forts courants, production efficace de tension à partir d'une batterie, besoin d'élévation

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

LDO (régulateur linéaire)
Lorsque l'écart entre tension d'entrée et tension de sortie est faible, que le courant est faible, ou pour alimenter des circuits où un faible bruit est essentiel, comme les ADC, les PLL ou les circuits RF.
Régulateur à découpage
Lorsque l'écart de tension est grand, que le courant est élevé, que l'on veut une longue autonomie sur batterie, ou qu'une tension supérieure à l'entrée est nécessaire.
Ensemble
Une configuration courante abaisse efficacement la tension avec un régulateur à découpage, puis place un LDO en aval pour éliminer l'ondulation. Comme l'écart entre tension d'entrée et de sortie du LDO est faible, ses pertes restent faibles.

Questions fréquentes

Comment calculer le rendement d'un LDO ?

Le même courant circulant en entrée et en sortie, si l'on néglige le courant consommé par le LDO lui-même, le rendement vaut environ tension de sortie ÷ tension d'entrée. De 5 V à 3,3 V, il est d'environ 66 % ; de 3,6 V à 3,3 V, d'environ 92 % : plus l'écart de tension est faible, meilleur est le rendement.

Pourquoi le rendement d'un régulateur à découpage est-il élevé ?

Parce que le transistor est utilisé à l'état complètement passant ou complètement bloqué. À l'état passant, la tension est quasi nulle ; à l'état bloqué, le courant est quasi nul : la perte, produit de la tension et du courant, reste faible, sauf notamment pendant les transitions.

Qu'est-ce que la tension de dropout d'un LDO ?

C'est la différence minimale entre tension d'entrée et tension de sortie nécessaire pour maintenir la sortie à la tension spécifiée. Dans un LDO, elle peut descendre à environ 0,1 à 0,3 V ; si l'entrée descend en dessous, la tension de sortie baisse elle aussi.

Vérifier vos connaissances

Quelle caractéristique d'un régulateur à découpage, par rapport à un régulateur linéaire (LDO, etc.), est correcte ?

  1. ASon rendement est faible, mais son bruit est très faible
  2. BIl délivre une tension alternative
  3. CSon rendement de conversion est élevé, mais il génère facilement du bruit de commutation
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Réponse : C. Son rendement de conversion est élevé, mais il génère facilement du bruit de commutation

Le régulateur à découpage commute un transistor entre quelques centaines de kHz et quelques MHz et transfère l'énergie via des bobines et des condensateurs ; il atteint un rendement élevé de 80 à 95 % même avec un grand écart entre entrée et sortie, et peut aussi élever ou inverser la tension. Le régulateur linéaire dissipe la différence en chaleur et son rendement vaut environ tension de sortie ÷ tension d'entrée (environ 28 % pour 12 V→3,3 V). Pour les circuits sensibles au bruit, on place souvent un LDO après le régulateur à découpage.

Quelle est la signification de la « tension de déchet » (dropout) d'un LDO (régulateur linéaire à faible chute) ?

  1. ALa valeur maximale de la tension de sortie
  2. BLa variation de la tension de sortie lorsque la charge est retirée
  3. CL'écart minimal entre tension d'entrée et tension de sortie nécessaire pour maintenir la sortie à la tension spécifiée
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Réponse : C. L'écart minimal entre tension d'entrée et tension de sortie nécessaire pour maintenir la sortie à la tension spécifiée

La tension de déchet est l'écart minimal entre entrée et sortie permettant au régulateur de maintenir sa sortie. En utilisant par exemple un PMOS comme transistor de sortie, le LDO la réduit à environ 0,1 à 0,3 V ; il peut ainsi produire 2,8 V à partir d'une batterie lithium-ion (3,0 à 4,2 V). Les pertes valant (entrée − sortie) × courant, le rendement est d'autant meilleur que l'écart est faible. Son taux de réjection d'ondulation élevé en fait une alimentation courante pour les circuits sensibles au bruit.

Quelle est la principale raison du rendement élevé des alimentations à découpage par rapport aux alimentations linéaires, qui font fonctionner le transistor en régime linéaire ?

  1. ALe transistor est utilisé uniquement complètement passant ou bloqué, ce qui réduit la durée de présence simultanée de tension et de courant
  2. BElles n'utilisent pas de transistor
  3. CLa tension de sortie est toujours supérieure à la tension d'entrée
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Réponse : A. Le transistor est utilisé uniquement complètement passant ou bloqué, ce qui réduit la durée de présence simultanée de tension et de courant

Les pertes d'un transistor sont le produit de la tension et du courant. Dans une alimentation linéaire, le transistor supporte l'excédent de tension tout en conduisant le courant : produire 5 V à partir de 12 V ne donne qu'un rendement d'environ 42 %. Une alimentation à découpage n'utilise que les états passant (tension presque nulle) et bloqué (courant presque nul) ; en dehors des instants de commutation, presque aucune perte n'apparaît, d'où un rendement de 90 % ou plus. En contrepartie, des mesures contre le bruit sont nécessaires.

  1. Quelle valeur est la plus proche du rendement d'un régulateur linéaire (LDO) produisant 1,0 V à partir de 1,8 V (courant propre du régulateur négligé) ?
  2. Quel convertisseur DC-DC produit une tension continue supérieure à la tension d'entrée ?
  3. Une ondulation de 1 kHz et d'amplitude 100 mV est présente à l'entrée d'un LDO dont le PSRR (taux de réjection des variations d'alimentation) vaut 60 dB à 1 kHz. Quel est l'ordre de grandeur de l'ondulation qui apparaît en sortie ?

Questions d'entraînement sur Circuits analogiques et électroniques

Termes clés expliqués

LDO
Abréviation de Low Drop-Out : régulateur linéaire fonctionnant même avec une faible différence entre tensions d'entrée et de sortie. Peu bruyant, mais il dissipe en chaleur le produit de cette différence de tension par le courant.
Convertisseur DC-DC
Circuit qui convertit une tension continue en une autre tension continue. Il utilise un interrupteur, une inductance et un condensateur ; il existe des abaisseurs (buck) et des élévateurs (boost).
PSRR (taux de réjection de l'alimentation)
Indicateur de la faible transmission des variations de tension d'alimentation vers la sortie du circuit. Plus il est grand, plus le circuit résiste au bruit d'alimentation.
PMIC
Circuit intégré de gestion de l'alimentation. Composant qui génère plusieurs tensions à partir d'une batterie, etc., et gère l'ordre de mise sous tension et la commutation des tensions.

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