L'alimentation Flybuck

Ce n'est pas une faute de frappe. Le montage Flybuck existe bien, à ne pas confondre avec le Flyback. On a souvent besoin de tensions d'alimentation isolées issues d'une alimentation principale. Les solutions sont traditionnellement basées sur un convertisseur Flyback. Le principe Flyback repose sur un transformateur asymétrique où primaire et secondaire ont un nombre de spires différent. A cela, il faut ajouter un optocoupleur pour la régulation de la tension de sortie, une référence de tension. Il y a souvent besoin d'un circuit de compensation dans la boucle de régulation pour garantir la stabilité. Tout ceci entraîne un nombre de composants et un coût souvent plus élevés.

A l'inverse, un convertisseur Buck isolé (Flybuck) utilise un Buck synchrone et une inductance couplée pour créer la tension de sortie isolée. A puissance de sortie égale, le transformateur d'un Flybuck sera plus petit que celui d'un Flyback. Le Flybuck ne nécessite pas d'optocoupleur ou d'enroulement auxiliaire étant donné que la tension secondaire suit la tension primaire avec précision. Une inductance couplée est par ailleurs moins chère qu'un transformateur souvent spécifique. On obtient donc une solution plus compacte et plus économique. On peut créer autant de sorties isolées entre elles avec autant d'enroulements couplés. Cela permet de réaliser facilement des tensions d'alimentation négatives.

Principe de fonctionnement du Buck isolé (Flybuck)

Un convertisseur Buck isolé (aussi appelé Flybuck) fonctionne comme un Buck synchrone (Mosfet Q2 à la place de la diode de roue libre). Le principe du Buck synchrone :

Principe de fonctionnement du Buck synchrone

Soit Q1 soit Q2 est passant : tantôt l'un tantôt l'autre.

Voici le schéma du Flybuck, avec son enroulement supplémentaire isolé, les deux inductances sur le schéma sont couplées, comme un transformateur :

Principe de fonctionnement du montage Flybuck

La tension de sortie 1 est identique à celle d'un Buck traditionnel et vaut la tension d'entrée multipliée par le rapport cyclique (pourcentage du temps où Q1 est passant).

La tension de sortie 2 est proportionnelle à la tension de sortie 1 (au rapport des nombres de spires N2 et N1 près), amputée de la chute de tension de la diode D1 :

Tension de sortie 2 pour un Flybuck

VF est la chute de tension dans la diode (0.3V pour une diode Schottky typiquement), N1 est le nombre de spires au primaire et N2 au secondaire. La tension instantanée au secondaire suit avec précision la tension primaire.

Lorsque Q1 est passant, la diode du secondaire est bloquée. Le Flybuck fonctionne en Buck simple.

Durant cette phase (Ton), le point de l'inductance est au potentiel de Vs1 alors que l'autre est à Ve. Le point est donc au potentiel le plus bas. Par rapport à la masse du secondaire, le point est à un potentiel négatif. La diode du secondaire est bloquée.

Lorsque Q2 est passant, le point de l'inductance est au potentiel de Vs1 alors que l'autre est à la masse. Le point est donc au potentiel le plus haut. Le point de l'autre bobinage est polarisé positivement par rapport à la masse du secondaire : la diode conduit.

C'est durant cette phase qu'une mesure de la tension Vs1 donne une image de Vs2. En régulant Vs1, on régule Vs2 qui est proportionnelle à Vs1.

Le courant dans le primaire est la somme du courant magnétisant (comme dans un Buck traditionnel) et de l'image du courant secondaire :

Courant dans le primaire pour un montage Flybuck

Exemple de convertisseur Flybuck

Texas Instruments propose un convertisseur Flybuck : le LM5017.

Le LM5017 est un convertisseur abaisseur avec Mosfet high side et low side intégrés. Le contrôle de la tension par « ton » constant (COT : « constant on-time ») ne demande aucune compensation dans la contre réaction et offre une excellente réponse aux transitoires. La durée de « ton » varie inversement proportionnellement à la tension d'entrée. Une limite de courant offre une protection du LM5017 contre les courts-circuits et les surcharges en sortie. On peut aussi ajuste le seuil en dessous duquel le LM5017 ne fonctionnera plus (UVLO).

Le LM5017 est un convertisseur Buck synchrone possédant une référence de tension (1.225V) pour la contre réaction. Lorsque la tension de contre réaction est supérieure à 1.225V (sur la broche FB), aucun découpage n'a lieu : la tension est déjà assez élevée et le LM5017 ne fait rien, il passe son tour. Lorsque la tension sur FB est inférieure à 1.225V, le LM5017 lance un cycle de découpage. SW passe alors à l'état haut, c'est-à-dire la tension d'entrée.

La fonction synchrone du Buck LM5017 se traduit pour le mosfet low side. Le mosfet low side est passant lorsque l'autre (le high side) est bloqué et réciproquement. Le courant grandit linéairement (en rampe) dans l'inductance lorsque SW est à l'état haut et décroit linéairement lorsque SW est à l'état bas. Le LM5017 permet un courant négatif dans l'inductance. Ceci permet une conduction continue (CCM : continuous conduction mode) quelle que soit la charge de sortie.

Schémas de principe Flybuck avec un LM5017

Conclusion sur le Flybuck

Le montage Flybuck n'a pas de rapport avec le Flyback. Le Flybuck repose sur :

- Convertisseur Buck synchrone (Mosfet à la place de la diode de roue libre)

- Inductance couplée ou transformateur pour créer les tensions isolées

Références

http://www.ti.com/lit/an/snva674b/snva674b.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5017.pdf