Régul. 3.3V / 5V, 1.5A, Step Up/Down, S9V11F3S5C3

Transformer efficacement une source de tension en 3.3V (ou 5V) avec ce régulateur DC-DC

Le S9V11F3S5C3 est un régulateur step-up/step-down (alimentation à découpage) produisant une tension de sortie 3.3 V (par défaut) ou 5 V (sélectionnable). Comme c'est un régulateur step-up / Step-down, il peu travailler avec une tension supérieure ou inférieure à la tension de sortie..
Ce régulateur accepte une gamme de tension d'entrée de 3 V à 16 V.

Ce régulateur à aussi une tension de désactivation fixée à 3 V (désactivation pour base tension) avec une hystérésis qui peut être utilisée pour empêcher l'accu d'être sur-déchargé.

Ce module compacte 12.7mm x 15.24mm est capable de fournir un courant typique de 1.5 A (700mA en démarrage) lorsque la tension d'entrée est proche de la tension de sortie.

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 regulator). 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).

Description (la suite)

La série de régulateur S9V11x son des hacheurs à haut rendement utilisant la typologie buck-boost pour convertir un tension inférieure (ou supérieure) vers la tension de sortie. La famille S9V11X accepte une tension d'entrée de 2 V à 16 V et offre un rendement usuel supérieur à 85% pour un courant typique de pouvant atteindre 1.5 A. Un haut rendement signifie qu'ils chauffent moins que des régulateurs linéaires.

La flexibilité de tension d'entrée en fait un parfait outil pour les projets fonctionnant sur pile ou accumulateur où, durant la décharge, la tension chute régulièrement pour finir par tomber en dessous de la tension de sortie du régulateur. Etre capable de produire la tension de sortie désirée même avec une très basse tension d'entrée est vraiment idéal pour les projets embarqués. Cela autorise l'utilisation de plus petites batteries pour une durée de vie supérieure.
La série S9V11x contient toute une flopée de régulateurs avec des différentes tensions de sortie, avec tension fixe ou tension optionnelle sélectionnable (ajustable entre 2.5 V et 9 V), tension sélectionnable à l'aide d'un potentiomètre à vis. Plusieurs régulateurs dispose d'une tension dite low-voltage cutoff (sélectionnable, de 2 V à 16 V) qui désactive le régulateur lorsque la tension chute en dessous d'un seuil. Cette tension cutoff low-voltage empêche de sur-décharger l'accumulateur, ce qui tout indiqué pour les accus LiPo ou LiIon dont la stabilité chimique devient instable si l'accumulateur est sur-déchargé (over-discharging) them.
La table ci-dessous résume les caractéristiques des différents régulateurs de la gamme S9V11x:

* Le régulateur dispose d'une tension minimale de mise en route de 3 V, mais peut fonctionner jusqu'à une tension de 2V après le démarrage. Il se désactive lorsque la tension de sortie tombe en dessous du seuil de tension low-voltage cutoff.

Caractéristiques

• Tension d'entrée: 3 V à 16 V
• Tension de sortie: Fixe 3.3 V avec précision de +5/-3%.
  Peut être modifié à 5V à l'aide de la broche SEL.
• Courant de sortie: 1.5 A (courant continuel maximum typique)
  (Lorsque la tension d'entrée est proche de la tension de sortie; le rendement et courant de sortie peut être déterminé à l'aide abaques ci-dessous)
• Coupure: low-voltage cutoff fixé à 3V avec une hystérésis protégeant l'accumulateur de sur-déchargement (courant de perte d'approximativement 10 µA par volt sur VIN lorsque le régulateur est désactivé)
• Indicateur Power-good:  indique lorsque le régulateur à atteind et maintenu tension de sortie.
• Economie d'énergie: fonctionnalité qui maintien un haut rendement à faibles courants (courant de perte inférieur à 1 mA lorsqu'il est activé)
• Protection: contre la surchauffe et court-circuit.
• Petite taille: 12.7 × 15.3 × 4.3 mm

Utiliser le régulateur

Connexion

Le régulateur dispose de 5 connexions libellées + 1 connexion SEL optionnelle. Ces connexions sont libellés sur la carte:

• VIN: tension d'entrée.
• GND: la masse.
• VOUT: la tension de sortie.
• EN: entrée Enable (active le régulateur)
• PG: Power good (signal en sortie, à drain ouvert)
• SEL: selection de l'autre tension (5V)

La tension de sortie, VOUT, est fixée à 3.3 V (par défaut) mais peut être changée à 5V à l'aide de la broche SEL (broche de sélection de tension de sortie).

La tension d'entrée, VIN, doit être dans la gamme 3 V à 16 V. Les tensions inférieures désactiverons le régulateur. Les tensions supérieurs à 16V détruirons le régulateur (il est donc important d'éliminer le bruit sur l'entrée d'alimentation et d'éviter les situation de circuit LC produisant des pointes de tension destructives).

Lorsque la broche EN tombe sous 0.7 V alors le régulateur entre en mode veille. Le régulateur sort du mode veille lorsque la tension sur EN passe au dessus de 0.8 V.
Cette version du régulateur  à la broche EN raccordée sur VIN par l'intermédiaire d'un pon diviseur de tension (154 kΩ vers VIN et 47 kΩ vers la masse). Ce qui permet de fixer le seuil de désactivation low-voltage cutoff à 3 V. Lorsque la tension d'entrée chute sous 3V (le seuil) alors le régulateur restera désactiver jusqu'à ce que la tension d'entrée passe au dessus 3.4 V (ce qui correspond au 0.8V derrière le régulateur sur la broche EN. Lorsque la tension d'entrée passe au dessus de 3.4V alors le tension EN dépasse le seuil d'hystérésis de 0.8V.
Le courant de perte durant le mode veille est dominé par le courant circulant dans le pont diviseur (environ 10 µA par volt sur VIN, donc ~30 µA avec une tension d'entrée de 3V).

PG est l'indicateur "power good" (alimentation prête), constituée d'une sortie à drain ouvert qui passe à la masse lorsque le tension du régulateur chute sous 90% de la tension nominale. La broche PG passe aussi à low lorsque la broche EN (Enable) en placée au niveau bas.
Note: la broche PG est maintenue à LOW aussi longtemps que le régulateur n'a pas reproduit une tension de sortie à 95% de la tension nominale (ce qui est le cas lors d'une mise sous tension ou d'une réactivation du régulateur. Une résistance pull-up externe est nécessaire pour pouvoir utiliser le signal PG (permet de ramener le signal PG à un niveau haut).

L'entrée SEL (select) permet de changer la tension de sortie du régulateur à  5V (signal piloté avec une tension de 1.1 V à 16 V). Placer cette broche au niveau bas (ou déconnectée) et le régulateur produit une tension de sortie de 3.3V.
Souder un fil entre SEL et VIN permet de fixer la tension de sortie en permanence à 5 V (voir photo ci-dessous):

Rendement et courant de sortie

Le rendement d'un régulateur de tension est définit par la formule: Puissance-de-sortie / Puissance-d-entrée.

Ce ratio mesure la performance, un point important lorsque la durée de vie des piles (ou la chaleur dégagée par le régulateur) est un point critique du projet. En effet plus le rendement est médiocre et plus le régulateur dissipe de la puissance (généralement sous forme de chaleur).

Les graphiques ci-dessous indique le rendement (entre 85 et 95%) dans de nombreux cas de figure. Le mode d'économie d'énergue maintient un rendement important même lorsque le courant produit par le régulateur est relativement faible. NB: il est généralement difficile d'avoir un bon rendement à faible puissance.   

Plus de détails sur le rendement de ce régulateur directement sur le site Web de Pololu.

Le courant maximum de sortie dépend de la tension d'entrée mais également d'autres facteurs comme la température ambiante, le courant de sortie, la présence de dissipateurs et ventilation). Le graphique ci-dessous reprends le courant maximum qui peut être consommé continuellement sans avoir besoin de dissipateur de chaleur.
En fonction de la tension d'entrée ou de sortie, ce régulateur est capable de délivrer un courant allant jusqu'à 2A (temporairement) mais le régulateur chauffera rapidement et activement la protection thermique (ce qui coupera le régulateur).

Le courant de démarrage est limité à ~700 mA lorsque la tension d'entrée > tension de sortie et le surplus de courant peut être consommé seulement après que le régulateur ai eu l'occasion de finir la stabilisation de la tension de sortie.
Pour les tension d'entrée < tension de sortie, le courant de démarrage disponible décrois linéairement avec la tension d'entrée (à approximativement 0.3 A pour une tension d'entrée à 3V).

La charge de type capacitive se chargerons graduellement et ne provoquerons pas de problèmes (même avec une limit de courant activée), ce qui peut accroître le temps nécessaire au S9V11x pour démarrer, le régulateur finira par se stabiliser. Cependant, une charge purement résistive peut empêcher le régulateur d'atteindre la tension de sortie désirée. par exemple, SI la sortie du régulateur est en 5V ET que l'on place une resistance de 5 Ω comme charge entre VOUT et GND ALORS la tension de sortie ne dépassera jamais 3.5V à la mise sous tension du régulateur, tension à laquelle le régulateur atteind le courant de démarrage limite de 700mA.

TCette famille de régulateur est prévue pour les applications type "robotiques" où toute charge importante est contrôlable et peut être appliquée seulement après que le régulateur soit démarré et stabilisé.

Pointes de surtension provoqués par les circuits LC

Lorsque vous connectez la tension sur un circuit électronique, l'appel de courant initial peut causer une pointe de surtension qui peut être beaucoup plus élevée que la tension d'entrée. Le régulateur peut être détruit si ces pointes de surtensions excèdes la tension maximale autorisée. SI vous connectez une alimentation d'environ 9V (et plus), ou utilisez des fils de branchement dépassant 5 cm, ou utilisez une alimentation avec une forte inductance ALORS nous recommandons de de souder une capacité de 33 μF ou grosse capacité électrolytique près du régulateur entre VIN et  GND. La capacité doit être capable de supporter une tension d'au moins 16 V.

Vous trouverez plus d'information sur les surtensions LC dans les notes applicatives de Pololu voyez "Understanding Destructive LC Voltage Spikes".