Régul. 5V 9A, step down, D24v90F5

Un régulateur de tension 5V avec 9A pour les projets robotiques énergivores

Un régulateur de tension hacheur DC-DC synchrone de type Step-down (ou buck) acceptant un tension d'entrée jusqu'à 38V pour la réduire efficacement à 5 V  avec un courant de sortie d'environ 9 A.
Avec une efficacité entre 80% à 95%, ce régulateur est utilisable pour des applications gourmandes en énergie comme l'alimentation de moteurs ou servo moteurs tandis que le régulateur maintient en haut rendement -même a faible charge- en adaptant dynamiquement la fréquence de hachage.

Une broche "enable" permet de désactiver le régulateur et le placer en mode d'économie d'énergie où il ne consomme de quelques centaines de micro-ampères (10 à 20µA par volt sur VIN). La broche "Power Good" (PG) permet de vérifier facilement l'état de l'alimentation principale du système.

Le régulateur dispose d'une protection contre la polarisation inversée, protection thermique (160°C), une soft-start pour réduire l'appel de courant au démarrage et un protection contre les sous-tension par blocage (le régulateur s'éteint si la tension d'entrée chute sous 4.2V).

Il est également possible d'abaisser la tension de sortie en ajoutant une résistance de configuration sur le breakout.

Step-up, Step-Down... Kaseko?

Step-Up est un terme anglais que nous traduirons par "augmenter". Tandis que Step-Down sera traduit par "diminuer".
Ce sont des caractéristiques des régulateur de tension à découpage (switching régulator). Un régulateur Step-Up est capable d'augmenter la tension pour atteindre la tension désirée. Un régulateur Step-Down sera capable de gérer une tension plus élevée en entrée afin d'atteindre la tension désirée.
Un régulateur Step-up/Step-Down est capable d'atteindre la tension désirée en partant d'une tension d'alimentation inférieure ou supérieure. Ce dernier modèle est pratique si vous avez besoin de maintenir un projet sous tension aussi longtemps que possible avec une source d'alimentation dont la tension chute dans le temps (ex: pile).

Caractéristiques

• Tension d'entrée: 5 à 38 V
• Tension de sortie: fixée à 5 V (précision de 4%).
  Cette tension peut être abaissé en ajoutant une résistance externe entre FB et VOUT
• Courant de sortie : typiquement entre 4 A et 8 A (en régime)
• Protections: polarisation inversée, sur-courant, surchauffe, sous tension (blocage)
• Démarrage "soft-start"
• Rendement typique entre 80% et 95% (dépend de la tension d'entrée et de la charge).
  Ajustement dynamique la fréquence du régulateur à découpage en faible charge afin de maintenir un haut rendement.
• Courant de perte: 800 μA (lorsqu'il n'y a pas de charge).
  Peut être réduit entre 10 µA et 20 µA par volts présent sur la broche VIN en désactivant la carte.
• Sortie "Power good" (PG) indiquant si le régulateur peut maintenir la tension de sortie désirée
• Taille: 40.6 × 20.3 × 7.6 mm
• Trou de montage pour 4x vis M2
• Petit trou pour des connecteur 2.54mm
• Plus grand trou pour y souder des bornier. Permet également de réaliser d'autres types de raccordement.

Raccordement

Ce régulateur dispose de 6 connexion: VIN, GND (la masse), VOUT (tension de sortie), FB (feedback), ENABLE and PG (power good = bonne alimentation).

• VIN : tension d'entrée. Alimentation du régulateur avec un tension pouvant aller jusqu'à 38V.
  La limite inférieure de VIN est fixée à VOUT + la chute de tension du régulateur (dit "dropout voltage", qui varie entre 500mV et 1.5V en fonction de la charge (relation linéaire, un graphique ci-dessous présente la chute de tension du régulateur en fonction de la charge).
• VOUT : tension de sortie. Cette tension est fixée à 5V par défaut.
  La tension de sortie peut être abaissée en ajoutant une résistance entre les broches  FB et VOUT. Voyez la section Abaisser la tension de sortie ci-dessous.
• ENABLE : la régulateur est activé par défaut à l'aide d'une résistance pull-up de 100 kΩ (sur la carte) connectée sur la broche VIN (derrière le dispositif de protection contre la polarisation inversée).
  La broche ENABLE peut être placée au niveau bas (sous 0.6 V) pour placer le régulateur en mode d'économie d'énergie. Le courant de perte est alors dominé par le courant circulant dans le  dans le résistance pull-up entre les broches ENABLE et VIN. Cela représente un courant de l'ordre de 10 µA à 20 µA par volts présent sur VIN lorsque ENABLE est maintenu au niveau bas. Si vous n'avez pas besoin de cette fonctionnalité, vous pouvez simplement laisser la broche ENABLE déconnectée.
• PG : indicateur "power good" (alimentation correcte). Cette broche est une sortie à drain-ouvert qui passe au niveau bas lorsque la tension de sortie du régulateur passe en dessous de 90% de la tension sélectionnée (soit 4.5 V pour une sortie à 5 V). Une résistance pull-up externe est nécessaire pour utiliser cette broche .

Réduire la tension de sortie

La tension de sortie peut être abaissée en utilisant une résistance externe placée entre FB et VOUT.
L'équation ci-dessous indique comment calculer cette résistance en fonction de la tension de sortie désirée:

Dans cet exemple, la tension de sortie souhaitée est de 3.3V. En conséquence, vous devriez placer une résistance de 23.7 kΩ entre FB et VOUT.

La tension minimale pour VOUT sur ce régulateur est de 0.8 V.

Note: la petite broche VOUT placée à côté de FB n'est pas destinée à faire circuler un courant important. Elle est uniquement placée à cet endroit pour faciliter le placement de la résistance optionnelle.

Rendement et courant de sortie

Le rendement d'un régulateur de tension est définit par la formule:

rendement = Puissance de sortie / puissance d'entrée.

C'est un élément important permettant de mesure la performance, plus spécialement si le montage fonctionne sur pile/batterie et lorsque la température peut devenir un élément problématique.
Un plus haut rendement implique moins de perte et donc une durée de vie plus importante de la pile/batterie.
Un rendement plus bas implique plus de perte, ce qui se traduit généralement sous forme d'une émission de chaleur. En rendement inférieur implique donc un échauffement plus important.
Le graphique ci-dessous indique le rendement du régulateur, rendement situé entre 80% et 95% pour la plupart des combinaisons de tension d'entrée et de courant de charge.

Le courant maximum délivré par la carte dépend de plusieurs facteurs:

• La température ambiante,
• La circulation d'air,
• La présence d'un refroidisseur,
• Tension d'entrée et de sortie.

La graphique ci-dessous reprend le courant maximum (fonctionnement en régime) que le régulateur peut délivrer si le régulateur est équipé d'un refroidisseur (ou dans un flux d'air).

Durant le fonctionnement normal, ce produit peut devenir suffisamment chaud et provoquer des brûlures bien avant que la protection thermique ne s'active.
Soyez donc prudent en manipulant ce produit ou les autres composants qui y sont connectés.

Chute de tension typique

La chute de tension typique d'un régulateur step-down est le minimum de tension en plus (de la tension de sortie) nécessaire sur l'entrée pour que le régulateur puisse produire la tension de sortie.
Par exemple: si un régulateur de 5 V à une chute de tension interne de 1 V (1V de "dropout voltage") alors la tension d'entrée doit être d'au moins 6 V pour assurer les 5 V en sortie.

La graphique suivant présente la chute de tension (dropout voltage) en fonction du courant de sortie:

Fréquence de hachage et fonctionnement  sous faible charge

Le régulateur fonctionne à une fréquence de hachage de 470 kHz. Cette fréquence peu baisser lorsque le régulateur est utiliser avec un faible charge de façon a améliorer le rendement.

Une fréquence de hachage pourrait rendre les opérations de filtrage du bruit plus difficile sur la sortie (bruit causé par le hacheur). La chute de fréquence provoque également une petite variation de la tension de sortie de sortie comme le montre le graphique ci-dessous.