Qu'est-ce qu'une alimentation ?

Une alimentation est un appareil électrique, elle convertit le courant provenant de l'alimentation en la valeur de tension requise par la charge, comme un moteur électronique ou un appareil électronique.

Il existe deux modèles principaux d’alimentation : une alimentation linéaire et une alimentation à découpage.

Linéaire: Les conceptions d'alimentation linéaire utilisent un transformateur pour abaisser la tension d'entrée. Ensuite, la tension est redressée en tension continue puis filtrée pour améliorer la qualité de la forme d'onde.

Les alimentations linéaires utilisent des régulateurs linéaires pour maintenir une tension constante à la sortie. Ces régulateurs linéaires dissipent toute énergie supplémentaire sous forme de chaleur.

Commutation : La conception d'alimentation à découpage est une méthode relativement nouvelle. Elle est conçue pour résoudre de nombreux problèmes associés à la conception d'alimentation linéaire, notamment la taille du transformateur et la régulation de tension.

Dans les conceptions d'alimentation à découpage, la tension d'entrée n'est plus réduite. Au lieu de cela, il est calibré et filtré à l’entrée. Ensuite, la tension passe par un hacheur qui la convertit en un train d’impulsions haute fréquence. Avant que la tension n’atteigne la sortie, elle est à nouveau filtrée et redressée.

Topologie de l'alimentation à découpage

Les alimentations à découpage (SMPS) ont quatre topologies, telles que le convertisseur AC-DC, le convertisseur DC-DC, le convertisseur Fly-back et le convertisseur Forward.

Convertisseur AC-DC : Dans ce type de SMPS, la puissance d’entrée est CA et la puissance de sortie est CC. nous obtenons une alimentation CC. Des redresseurs et des filtres sont utilisés pour convertir ce courant alternatif en courant continu.

Convertisseur DC-DC : La puissance d'entrée de cette alimentation provient directement de l'alimentation CC haute tension.

Convertisseur fly-back : Tout SMPS avec une puissance de sortie inférieure à 100 W est appelé convertisseur flyback SMPS. Comparé aux autres SMPS, le circuit de ces SMPS est simple et direct. Ce type de SMPS est utilisé pour une faible consommation d'énergie.

Convertisseur direct : La conception de ce type de SMPS est quasiment identique au convertisseur anti-choc SMS. Dans ce SMPS, le commutateur est connecté à la sortie de l'enroulement secondaire du transformateur pour le contrôle.

Par rapport aux convertisseurs flyback, les circuits de filtrage et de correction sont plus complexes. Ces SMPS, également connus sous le nom de convertisseurs abaisseurs DC-DC, sont également utilisés pour la mise à l'échelle et l'isolation des transformateurs.

Comment fonctionne une alimentation à découpage ?

Au fil des années, les alimentations linéaires AC/DC ont joué un rôle crucial dans la conversion de l’énergie AC du réseau électrique public en tension DC, répondant ainsi aux besoins énergétiques des appareils électroménagers et de l’éclairage. Cependant, à mesure que la technologie progressait, le paysage a changé, en particulier dans les applications à haute puissance. Les alimentations linéaires, connues pour leur faible bruit, ont trouvé une niche dans des applications industrielles et médicales spécifiques. Malgré leurs mérites, la domination des alimentations à découpage est devenue évidente en raison de leurune taille plus petite, une efficacité accrue et une capacité à gérer une puissance élevée. Le processus de conversion de puissance comporte généralement trois étapes : la rectification de l'entrée, la correction du facteur de puissance (PFC) et l'isolation. La figure 1 donne un aperçu de la conversion générale du courant alternatif (AC) en courant continu (DC) dans une alimentation à découpage.

Une alimentation à découpage, étant une alimentation électronique, intègre un régulateur à découpage conçu pour une conversion efficace de l'électricité. Semblables à d'autres alimentations, les alimentations à découpage (SMPS) transfèrent l'alimentation d'une source CC ou CA, généralement le secteur, vers une charge CC, telle qu'un ordinateur personnel. Au cours de ce processus, les caractéristiques de tension et de courant sont simultanément ajustées pour répondre aux exigences de la charge.

Dans le domaine des alimentations à découpage, le transistor de passage subit des transitions continues entre des états de faible consommation, entièrement activé et complètement désactivé. Ce comportement dynamique minimise le temps passé dans des transitions hautement dissipatives, réduisant ainsi efficacement le gaspillage d'énergie. Dans un scénario idéal, une alimentation à découpage ne consomme aucune énergie, ce qui en fait un choix incontournable pour les applications économes en énergie.

Rectification d'entrée

Le processus de rectification implique la conversion de la tension alternative en tension continue. Dans le contexte d'une alimentation AC/DC à découpage, l'étape initiale est la rectification du signal d'entrée. Bien qu’il soit communément perçu que la tension continue ressemble à une ligne stable et immuable semblable à celle produite par une batterie, il est crucial de reconnaître que le courant continu (CC) est caractérisé par un flux unidirectionnel de charge électrique. Cela implique que la tension circule de manière constante dans la même direction mais nene reste pas nécessairement constant.

Pour réaliser le redressement dans le contexte d'une alimentation à découpage, un redresseur passif en demi-pont peut être utilisé pour éliminer la moitié négative de l'onde sinusoïdale via une diode (voir Figure 2). La diode permet au courant de circuler pendant la moitié positive de l'onde mais le bloque lorsque le flux est dans le sens opposé. Ce contrôle de flux sélectif assure la conversion de la tension alternative en une tension continue plus unidirectionnelle, étape fondamentale dans le fonctionnement de l’alimentation.

Suite au processus de rectification, l’onde sinusoïdale résultante possède une faible puissance moyenne, la rendant insuffisante pour alimenter efficacement l’appareil. Pour améliorer l'efficacité, une méthode alternative consiste à modifier la polarité de la demi-onde négative, la transformant en une onde positive. Connue sous le nom de redressement double alternance, cette technique peut être réalisée avec une configuration en pont employant quatre diodes (voir Figure 3). La disposition stratégique de ces diodes assure une cohérencedirection du courant, quelle que soit la polarité de la tension d’entrée. Cette configuration contribue à maintenir une alimentation électrique stable pour l'appareil.

Bien que l'onde entièrement redressée produise une tension de sortie moyenne plus élevée que celle du redresseur en demi-pont, elle s'écarte toujours de la forme d'onde CC constante idéale nécessaire à l'alimentation des équipements électroniques. Bien qu’il s’agisse d’une forme de courant continu, son utilisation pour l’alimentation des appareils est inefficace en raison des changements rapides et fréquents de la valeur de l’onde de tension. Cette fluctuation de la tension continue, appelée ondulation, constitue un défi pour une alimentation électrique efficace.

Pour résoudre ce problème, la méthode la plus simple et la plus largement utilisée implique l'intégration d'un grand condensateur à la sortie du redresseur, souvent appelé condensateur de stockage ou filtre de lissage (voir Figure 4).

Ce condensateur joue un rôle central dans le lissage de la forme d'onde de tension en stockant la tension pendant le pic de l'onde et en fournissant ensuite du courant à la charge jusqu'à ce que sa tension tombe en dessous de l'onde de tension redressée croissante. La forme d'onde résultante se rapproche étroitement de la forme souhaitée, ressemblant à une tension continue sans composante alternative. Cette forme d'onde de tension raffinée devient adaptée à l'alimentation de dispositifs à courant continu.

Le redressement passif, utilisant des diodes semi-conductrices comme interrupteurs incontrôlés, constitue la méthode la plus simple pour redresser les ondes CA, mais son efficacité est insuffisante.

Bien que les diodes servent de commutateurs relativement efficaces, capables d'effectuer des transitions marche-arrêt rapides avec une perte de puissance minimale, elles sont gênées par une chute de tension de polarisation directe allant de 0,5 V à 1 V, contribuant à une efficacité réduite.

Le redressement actif adopte une approche différente en remplaçant les diodes par des commutateurs contrôlés, tels que des MOSFET ou des transistors BJT (voir Figure 5). Cette approche offre un double avantage : premièrement, les redresseurs à transistors éliminent la chute de tension fixe de 0,5 V à 1 V caractéristique des diodes semi-conductrices, car leur résistance peut être arbitrairement petite, ce qui entraîne une chute de tension considérablement réduite.

Deuxièmement, les transistors, fonctionnant comme des commutateurs contrôlés, permettent d'optimiser la fréquence de commutation, offrant ainsi une flexibilité. Cependant, cela se fait au prix d'une complexité accrue des circuits de commande des redresseurs actifs, impliquant des composants supplémentaires et les rendant comparativement plus chers.

Correction du facteur de puissance

La deuxième étape de la conception d’une alimentation à découpage est la correction du facteur de puissance.

En observant la forme d'onde du courant du condensateur de stockage du redresseur (voir Figure 6), il devient évident que le courant de charge traverse rapidement le condensateur, en particulier lorsque la tension d'entrée du condensateur dépasse la charge maximale du signal redressé. Ce processus de charge rapide génère une série de courtes pointes de courant dans le condensateur, posant non seulement des défis pour l'alimentation électrique, mais également pour l'ensemble du réseau. Les pointes de courant abruptes introduisent unun nombre important d'harmoniques dans le réseau, entraînant une distorsion pouvant affecter négativement les autres alimentations électriques et les équipements connectés au réseau.

Dans le domaine des conceptions d'alimentations à découpage, le circuit de correction du facteur de puissance vise à atténuer ces harmoniques en les filtrant efficacement. Deux options principales existent pour y parvenir : la correction active du facteur de puissance et la correction passive du facteur de puissance.

La correction passive du facteur de puissance implique l'incorporation de filtres passe-bas passifs conçus pour éliminer les harmoniques haute fréquence. Cependant, les alimentations reposant uniquement sur des PFC passifs, en particulier dans les applications à forte puissance, ont du mal à se conformer aux réglementations internationales sur le bruit harmonique. En alternative, une correction de la puissance active devient nécessaire.

La correction active du facteur de puissance fonctionne en remodelant la forme d'onde du courant pour l'aligner sur la forme d'onde de tension. Cet ajustement déplace les harmoniques vers des fréquences plus élevées, facilitant ainsi leur filtration. Dans de tels scénarios, le convertisseur élévateur, également connu sous le nom de convertisseur élévateur, apparaît comme le circuit largement utilisé pour une correction efficace du facteur de puissance actif.

Isolation : alimentations à découpage isolées ou non isolées

Avec la rectification de la forme d'onde CA d'entrée à l'extrémité d'entrée, la tension CC de sortie résultante devient considérablement élevée. En l'absence de correction du facteur de puissance (PFC), le redresseur produit une sortie d'environ 320 V. Cependant, l'introduction d'un circuit PFC actif transforme la sortie du convertisseur élévateur en une tension continue stable atteignant 400 V ou plus.

Les deux scénarios, caractérisés par des tensions CC trop élevées, présentent des risques importants et s'avèrent peu pratiques pour la majorité des applications qui exigent généralement des niveaux de tension beaucoup plus faibles. Le tableau 1 présente divers aspects liés aux convertisseurs et aux applications qui méritent d'être pris en compte lors de la sélection de la topologie d'isolation appropriée. Cet aperçu complet aide à prendre des décisions éclairées basées sur des exigences spécifiques et des considérations de sécurité.

Avantages de l'alimentation à découpage

L’utilisation de n’importe quelle technologie est souvent un juste équilibre entre plusieurs avantages et inconvénients. Cela est vrai pour les alimentations à découpage qui offrent des avantages distincts mais présentent également des inconvénients.

Avantages du SMPS

Haute efficacité : Une action de commutation signifie que l'élément régulateur série est activé ou désactivé. Ainsi, très peu d’énergie est dégagée sous forme de chaleur et des niveaux d’efficacité très élevés peuvent être atteints.

Compact: En raison de leur rendement élevé et de leur faible niveau de dissipation thermique, les alimentations à découpage peuvent être rendues plus compactes.

Frais: L’un des éléments qui rendent la puissance de commutation très attractive est le coût. Le rendement plus élevé et les caractéristiques de commutation de la conception signifient que moins de chaleur est nécessaire qu'une alimentation linéaire, ce qui entraîne des coûts inférieurs. Au fil du temps, la nature de commutation de l’alimentation électrique signifie que de nombreux composants coûtent moins cher.

Technologie flexible : La technologie d'alimentation à découpage peut être utilisée pour fournir des conversions de tension à haut rendement dans les applications d'augmentation de tension ou “ Boost ” ou d'abaissement “ Buck ”.

Dans l’ensemble, les alimentations à découpage sont idéales pour une multitude d’applications allant des ordinateurs aux chargeurs, en passant par les équipements de laboratoire et de nombreux gadgets électroniques domestiques. Le coût, la taille et l’efficacité sont des facteurs clés pour garantir qu’ils deviennent une technologie majeure pour de nombreuses applications.

Applications du SMPS :

Depuis de nombreuses années, les alimentations linéaires AC/DC convertissent le courant alternatif du réseau électrique public en tension DC, et sont utilisées pour faire fonctionner des appareils électroménagers ou l'éclairage. Les applications haute puissance nécessitent des alimentations plus petites.

Cela signifie que les alimentations linéaires ont été reléguées à des utilisations industrielles et médicales spécifiques. En raison de leur faible bruit, ils sont toujours nécessaires dans ces utilisations. Mais les alimentations à découpage ont pris le relais car elles sont plus petites, plus efficaces et capables de gérer une puissance élevée.

Les alimentations à découpage ont de nombreuses applications, telles que les ordinateurs qui sont les plus utilisés, les systèmes de sécurité, les systèmes ferroviaires, les chargeurs de batterie et les industries de machines-outils.

L'alimentation à découpage est largement utilisée en aval. Récemment, l'alimentation à découpage est devenue de plus en plus importante dans l'industrie des LED, les équipements médicaux, les chargeurs de téléphones portables, l'automobile, l'électronique grand public et d'autres domaines.

À l’échelle mondiale, le marché des alimentations à découpage est principalement tiré par la demande croissante d’électronique grand public, qui représente près de 521 TP3T de la consommation totale en aval des alimentations à découpage.

Résumé

De nombreux aspects doivent être pris en compte lors de la conception d'une alimentation à découpage, notamment en termes de sécurité, de performances, de taille, de poids, etc. Les alimentations à découpage disposent également de circuits de commande plus complexes que les alimentations linéaires, c'est pourquoi de nombreux concepteurs trouvent utile d'implémenter des modules intégrés dans leurs alimentations.

WEHO propose une grande variété de modules qui peuvent simplifier la conception d'alimentation à découpage, tels que l'alimentation sur rail Din NDR EDR, l'alimentation de type LRS Slim, le lecteur LED étanche LPV IP67, le convertisseur DC-DC, etc.