Les alimentations sont utilisées dans presque toutes les applications électriques/électroniques pour fournir un courant suffisant à une tension requise. Il existe deux principaux types d'alimentations : linéaires et à découpage. Les deux peuvent être utilisés de manière interchangeable, mais les alimentations à découpage deviennent de plus en plus populaires.
Dans cet article, examinons ce que sont les alimentations à découpage, leur fonctionnement et leurs avantages et inconvénients par rapport à une alimentation linéaire traditionnelle.
Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage (SMPS) ?
Une alimentation à découpage (également appelée alimentation à découpage, SMPS, switcher) est un dispositif d'alimentation électronique qui convertit efficacement l'énergie électrique d'une tension à une autre.
En règle générale, SMPS est utilisé pour transférer l'alimentation d'une source CC/CA à une charge CC (c'est-à-dire un ordinateur, un téléphone portable, etc.). La plupart des alimentations à découpage convertissent une tension plus élevée (110 V ou 220 V CA) en une tension CC beaucoup plus basse comme 24 V, 12 V ou 5 V.
Nous pouvons trouver ces types d'alimentations dans presque tous les appareils électriques, en particulier ceux qui sont compacts. Par exemple, des adaptateurs de charge de téléphone portable, des ordinateurs, des adaptateurs de charge d'ordinateur portable peuvent être pris.
Histoire des alimentations à découpage
L'histoire des alimentations à découpage remonte à 1836. Il est prouvé que des bobines inductives ont été utilisées pour générer des pointes de tension élevées pour des expériences. Avance rapide de près d'une décennie, en 1959 aux Bell Labs, Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng ont inventé le MOSFET de puissance. Les MOSFET de puissance sont à ce jour le dispositif de commutation le plus largement utilisé dans les alimentations à découpage.
Il existe des dossiers de brevets déposés par IBM en 1958, où il montre une conception d'un SMPS basé sur l'oscillation de transistor. Vers la même année, General Motors Corporation (GM) a également déposé des brevets similaires pour les conceptions SMPS.
Le premier produit commercial et largement connu à disposer d'une alimentation à découpage était la calculatrice de poche HP-35 de Hewlett Packard. Le SMPS miniature a été utilisé pour alimenter les LED, la ROM et d'autres éléments primaires tels que l'horloge et les registres. Bien que les conceptions aient émergé de nombreux fournisseurs majeurs, le brevet pour utiliser le terme « alimentation en mode commuté (SMPS) » a été déposé en 1976 par Microchip Technology. Ils ont sorti le premier contrôleur intégré pour les alimentations à découpage.
Que signifie le « mode de commutation » ?
Le terme « mode commuté » ou « mode de commutation » vient du fonctionnement du SMPS. Un SMPS est constitué d'un circuit complexe qui fonctionne à une fréquence très élevée (20 kHz à 10 MHz). Cette commutation à grande vitesse permet à l'alimentation à découpage de convertir l'énergie électrique plus efficacement que les alimentations linéaires traditionnelles.
Principe de fonctionnement de l'alimentation à découpage
Une alimentation à découpage se compose d'un circuit complexe qui contient une série de sous-circuits électroniques de puissance pour convertir efficacement la puissance d'une tension à une autre.
Un SMPS typique a le schéma fonctionnel suivant avec ces sous-sections clés :
- Etage d'entrée
- Étape de commutation
- Etage de sortie
- Circuit de contrôle
Etape d'entrée
L'étage d'entrée de puissance se compose généralement d'un redresseur complet ou demi-pont circuit qui prend le courant alternatif en entrée et produit une sortie DC filtrée de la même tension. Par exemple, cette étape peut convertir 110V AC en 110V DC. Cet étage contient également des filtres LC supplémentaires (inductance et condensateur) pour éliminer davantage les ondulations de la puissance d'entrée.
Commutateur haute fréquence
C'est l'étape la plus critique de l'alimentation électrique. Typiquement, un SMPS a un MOSFET de puissance (un ou plusieurs) comme dispositif de commutation principal. Un signal PWM allume et éteint rapidement le MOSFET pour agir comme un interrupteur. Cela convertit la tension continue lissée de l'étage d'entrée en une onde carrée haute fréquence. L'appareil de commutation fonctionne en mode de conduction continue dans la plupart des fournitures pour obtenir une meilleure efficacité de conversion.
Cette alimentation oscillante est introduite dans un transformateur de puissance, qui abaisse ou augmente la tension en fonction du rapport d'enroulement primaire et secondaire. Certaines alimentations ont plusieurs enroulements à des fins de rétroaction et pour obtenir plusieurs tensions de sortie.
Étape de sortie
La sortie du transformateur de puissance est également une forme d'onde oscillante, qui est davantage filtrée par l'étage de sortie. Cet étage contient également des filtres similaires à l'étage d'entrée, mais sont capables de gérer plus de courant à des tensions plus basses. Il s'agit de l'étape finale du circuit et fournit la puissance à la charge connectée.
Circuits de contrôle
Le dispositif de commutation (transistor ou MOSFET) doit s'allumer et s'éteindre rapidement pour générer l'onde carrée nécessaire pour alimenter le transformateur de puissance à l'aide d'un signal PWM. Ce signal PWM a à la fois une fréquence et un rapport cyclique. Le cycle de service est le rapport entre le temps d'activation et le temps total par cycle. La tension de sortie du SMPS peut être contrôlée en augmentant ou en diminuant le rapport cyclique du signal PWM fourni au transistor.
Lorsqu'une charge est connectée, elle commence à consommer du courant et la tension de sortie du SMPS chute. À ce moment, un circuit séparé doit être en alerte pour surveiller la tension de sortie et, au fur et à mesure qu'elle baisse, doit augmenter le cycle de service du signal PWM. De même, lorsqu'une charge est déconnectée, le circuit de rétroaction diminue le rapport cyclique pour maintenir la tension de sortie souhaitée.
Que sont les topologies SMPS
Il existe de nombreuses topologies utilisées dans les alimentations à découpage commerciales :
- Buck
- La topologie buck est une topologie abaisseur de tension CC-CC non isolée. (c'est-à-dire 24VDC à 12VDC)
- Ceux-ci tirent moins de courant moyen de l'entrée et fournissent un courant plus élevé à la sortie.
- Un exemple de convertisseur abaisseur est l'alimentation de l'ordinateur, où l'alimentation principale de 12 V est abaissée pour alimenter les contrôleurs USB 5 V et DRAM 1.8 V.
- Boost
- Il s'agit d'une topologie d'élévation de tension DC-DC non isolée. (3.7VDC à 5VDC)
- Les convertisseurs Boost tirent plus de courant de l'entrée et produisent moins de courant à une tension plus élevée vers la charge.
- Les systèmes alimentés par batterie tels que les systèmes d'éclairage portables pour les véhicules électriques utilisent des convertisseurs élévateurs à haute efficacité pour convertir une tension plus basse en une tension plus élevée pour alimenter les appareils.
- Buck / Boost
- Combinaison de topologies Buck et Boost. Ces circuits peuvent augmenter ou diminuer une entrée en fonction d'une sortie souhaitée.
- Les convertisseurs Buck/Boost sont utilisés lorsque la tension d'entrée peut être supérieure ou inférieure à la tension de sortie souhaitée. En utilisant un tel convertisseur, nous pouvons toujours garantir qu'il fournira la tension de sortie souhaitée quelle que soit la tension d'entrée. Cependant, cela s'accompagne généralement de limitations telles que la plage de tension d'entrée (tensions d'entrée minimale et maximale.
Les topologies mentionnées ci-dessus sont les topologies les plus simples. Cependant, ils n'offrent pas d'isolation galvanique comme les transformateurs. Par conséquent, il existe des topologies plus avancées qui utilisent des transformateurs plus complexes pour fournir les fonctions de sécurité nécessaires tout en offrant la même fonctionnalité.
- Vol de retour
- Une version améliorée du convertisseur abaisseur offre la même fonctionnalité avec une isolation électrique.
- Convertisseur avant
- Une topologie SMPS isolée est plus efficace que la topologie flyback.
Circuit d'alimentation à découpage
Bien que le contrôle d'un SMPS puisse sembler compliqué et plus difficile à gérer, il existe des circuits intégrés de contrôleur SMPS dédiés tels que TNY267, TEA173X et VIPER22A dotés d'un générateur PWM intégré et de nombreuses autres fonctionnalités avancées telles que le contrôle de retour et la protection contre les courts-circuits/surtensions.
L'application typique d'un TNY267 de Power Integrations est illustrée ci-dessous, un simple contrôleur SMPS en mode hors ligne, qui peut produire 12V 1A DC à l'aide d'une source 230V AC.
L'entrée Vin est l'entrée 100-300V AC (peut également être DC), et l'entrée est protégée par un fusible et un MOV (Metal Oxide Varistor) pour protéger le circuit des pics de surtension. Le pont redresseur D3 et le condensateur C2 rectifient ensemble le signal CA d'entrée en 100-300V CC. La tension de sortie de cet étage est d'environ [tension d'entrée * 1.4] en raison des valeurs RMS.
Le D2 et le D4 forment ensemble un circuit de suppression des transitoires pour protéger le TNY267 des retour CEM pointes. D1 et C1 redressent la sortie secondaire du transformateur T1, qui est la tension de sortie souhaitée.
R1, D5 et R2 forment le circuit de rétroaction pour réguler la tension de sortie en fonction des conditions de charge variables. Cela aide le TNY267 à maintenir la tension de sortie constante à 12V.
Avantages et inconvénients des alimentations à découpage
Les alimentations à découpage présentent de nombreux avantages :
- De plus petite taille peut donc s'intégrer dans des appareils compacts
- En raison des composants à base de semi-conducteurs, le SMPS est plus léger
- Très efficace que les alimentations linéaires (70-95% typique)
- Prend en charge des plages de tension d'entrée et de sortie plus larges
- Fournit des fonctions supplémentaires telles que des sorties réglables et des fonctions de sécurité comme une protection contre les courts-circuits, les surtensions, les surintensités et les surchauffes
- Dissipation de chaleur plus faible, nécessitant ainsi un refroidissement actif minimal
Cependant, les SMPS présentent également des inconvénients qui les rendent parfois inadaptés à certaines applications. Par exemple, un SMPS est un circuit beaucoup plus complexe qu'un circuit linéaire traditionnel. Par conséquent, de nombreux composants peuvent mal fonctionner et nuire aux performances de l'alimentation.
De plus, les SMPS sont connus pour leurs EMI (interférences électromagnétiques) et leur bruit électrique plus élevés, car ils fonctionnent dans des fréquences élevées. Un SMPS mal conçu peut provoquer des problèmes et parfois même endommager de manière permanente les composants électroniques sensibles alimentés par ceux-ci.
Dans le domaine de l'alimentation, les alimentations à découpage créent également une distorsion harmonique dans le réseau électrique et peuvent parfois nécessiter une correction supplémentaire du facteur de puissance si elles ne sont pas intégrées à l'alimentation.
Alimentation linéaire ou à découpage
La principale différence entre les alimentations SMPS et linéaires est leur efficacité. Les alimentations à découpage sont extrêmement efficaces par rapport aux alimentations linéaires, qui ont tendance à dissiper plus d'énergie sous forme de chaleur.
Les alimentations linéaires AC-DC utilisent généralement des transformateurs pour abaisser la tension alternative d'entrée, puis la rectifier à l'aide de diodes et de filtres à l'aide de condensateurs. Cela fournit une sortie d'ondulation très faible, mais au prix d'une efficacité réduite (environ 30 à 60 %). Ils ont également tendance à être très volumineux en raison de la taille et du poids du transformateur. Les alimentations linéaires ne peuvent pas gérer des tensions d'entrée variables si elles ne sont pas spécialement conçues.
D'un autre côté, les convertisseurs linéaires DC-DC abaissent la tension en dissipant la chute de tension sous forme de chaleur. Par conséquent, les régulateurs linéaires à courant élevé nécessitent un refroidissement actif plus sophistiqué pour fonctionner correctement. Cependant, les fournitures linéaires sont une simple inaction et un coût de mise en œuvre relativement faible. De plus, les sorties des alimentations linéaires (basées sur un transformateur) sont isolées.
Dans ce cas, SMPS excelle avec des taux d'efficacité allant de 80% et plus avec des pertes de puissance minimales. En outre, ils sont de petit facteur de forme et ont des applications flexibles car le circuit peut être modifié pour obtenir des sorties réglables et même des sorties isolées. Mais ils sont de conception beaucoup plus complexe (nombre de composants élevé) et ont un bruit à haute fréquence en sortie. S'ils ne sont pas correctement traités, ils peuvent causer des problèmes dans les sections sensibles des circuits de charge.
Conclusion
Les alimentations à découpage sont très efficaces pour convertir l'énergie électrique d'une tension à une autre. Ils conviennent aux applications à haut rendement et à haute puissance et, dans de nombreux cas, sont plus adaptés que les alimentations linéaires. Cependant, la sélection d'un SMPS ou d'une alimentation linéaire doit être effectuée en tenant compte de nombreux facteurs tels qu'une ondulation acceptable dans la sortie, la régulation de la charge et de la ligne, et le coût/la complexité de l'application souhaitée.
