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Les alimentations à découpage sont largement utilisées dans divers appareils électroniques en raison de leur efficacité, de leur petite taille et de leur capacité à fournir une tension de sortie régulée. Cet article explore en détail le fonctionnement d'une alimentation à découpage réglable, ses avantages et ses applications.
Comme tous les systèmes électroniques nécessitent un certain type de puissance, la caractérisation et la compréhension des alimentations sont bien établies. Pour résoudre le problème d'une alimentation efficace et fiable dans un format compact, les concepteurs d'alimentation utilisent des alimentations à découpage (SMPS) avec une topologie indirecte. Cette topologie, utile pour les niveaux de puissance atteignant 150 W, fournit des conceptions avec un faible nombre de composants pour limiter le format et le coût.
Une alimentation à découpage est une source d'énergie utilisant un régulateur à découpage pour stabiliser les tensions de sortie d'une source CA ou CC. Le régulateur à découpage utilise un ou plusieurs dispositifs à semi-conducteurs comme un transistor bipolaire à jonctions, MOSFET ou IGBT en alternant les états d'activation et de désactivation pour conserver la régulation de la tension de sortie. Ces dispositifs peuvent fonctionner avec une durée d'activation fixe et une fréquence variable, ou plus couramment à une fréquence fixe et un rapport cyclique variable. La faible dissipation de puissance du dispositif de commutation, que ce soit en mode activé ou désactivé, génère un haut rendement. Le dispositif dissipe de la puissance uniquement pendant la transition entre les deux états.
Le régulateur à découpage en mode direct et le régulateur à découpage en mode flyback constituent la base de tous les régulateurs à découpage à modulation de largeur d'impulsion (MLI). Leur nom provient de la manière dont les composants magnétiques sont utilisés dans le régulateur.
Le régulateur à découpage en mode direct est un composant fonctionnel. Son fonctionnement peut être divisé en deux phases. Lors de la mise sous tension, le courant de charge circule de la source d'entrée à la charge via l'inductance, puis retourne à la source d'entrée par la ligne de retour (ou masse). Pendant cette phase, la diode est polarisée en inverse. Après la mise hors tension, l'inductance attend le passage du courant. Lorsque l'interrupteur est remis en marche, la tension fournie au filtre contribue à bloquer la diode de limitation.
Le régulateur à découpage flyback est identique aux quatre composants de base du régulateur à mode direct, mais leur ordre est différent. Le comportement de contre-attaque se divise également en deux périodes. À la mise sous tension, le courant traverse l'inductance, permettant le stockage d'énergie dans son noyau. À la mise hors tension, la tension aux bornes de l'inductance s'inverse (effet flyback). Le courant traversant l'inductance ne variant pas instantanément, l'énergie de celle-ci est dissipée dans le condensateur pendant la phase de conduction du redresseur. Ce processus se poursuit jusqu'à la fin de la première alternance, durant laquelle l'inductance est entièrement déchargée. Le seul dispositif de stockage de la charge est le condensateur du filtre de sortie.
Une alimentation à découpage peut être réalisée avec des conceptions et topologies de circuit très diversifiées.
Voici les topologies d'alimentation à découpage les plus fréquemment utilisées :
Le principal avantage d'une topologie indirecte est sa simplicité. À tous les niveaux de puissance donnés, c'est celle qui présente le moins de composants parmi les topologies d'alimentation à découpage. L'alimentation peut être fournie par une source CC ou CA. Une fois configurée pour fonctionner depuis une ligne CA (secteur), la ligne présente généralement un redressement des deux alternances.
Le cœur du circuit est le transformateur indirect. Contrairement aux enroulements des transformateurs conventionnels, les enroulements primaire et secondaire du transformateur indirect ne transportent pas le courant en même temps. L'utilisation du transformateur indirect offre de nombreux avantages. Le premier est l'isolement électronique du côté primaire et du côté secondaire de l'alimentation. Le transformateur permet de générer plusieurs tensions de sortie dans l'alimentation. Des enroulements supplémentaires sont ajoutés au transformateur pour chaque tension.
Lorsque le commutateur est actif, la tension VDRAIN est proche de zéro volt et le courant, IP, circule via l'enroulement primaire du transformateur. L'énergie est stockée dans l'inductance magnétisante du transformateur. Le courant augmente de façon linéaire au fil du temps. Du côté secondaire, la polarisation de la diode en série est inversée et aucun courant ne circule dans la partie secondaire.
Lorsque le commutateur MOSFET est désactivé, l'énergie stockée dans le transformateur est transmise via la diode vers le condensateur de sortie et la charge de sortie. Le courant secondaire démarre à une valeur élevée et diminue de façon linéaire. Si le courant secondaire tombe à zéro avant la réactivation du commutateur, l'alimentation est appelée alimentation en mode de courant discontinu (DCM). Si le courant secondaire ne tombe pas à zéro, alors l'alimentation est appelée alimentation en mode de courant continu (CCM). Comme l'énergie stockée dans l'inductance est entièrement déchargée à chaque cycle de commutation, l'alimentation DCM peut utiliser un transformateur plus petit. L'énergie stockée dans l'inductance de fuite du transformateur circule dans la partie primaire lorsque le commutateur est désactivé et elle est absorbée par le blocage d'entrée ou le circuit d'amortissement, dont la fonction est de protéger le commutateur à semi-conducteurs des hautes tensions inductives.
La trace supérieure dans la Figure 3 illustre la tension dans le commutateur MOSFET avec une alimentation indirecte. Les couches colorées indiquent l'état du MOSFET. La couche en bleu indique que le dispositif est en mode conducteur, tandis que les zones rouges indiquent que le dispositif est désactivé. La trace centrale illustre le courant traversant le dispositif. La trace inférieure montre la puissance instantanée calculée comme le produit de la tension appliquée et du courant résultant. Notez que la dissipation de puissance est plus importante durant les transitions de commutation.
Le dispositif de commutation, comme le MOSFET du schéma (Figure 2) est commandé par un contrôleur ou un régulateur à découpage. Dans la plupart des cas, le contrôleur applique une forme d'ondes PWM à l'élément de contrôle du commutateur, c'est-à-dire la grille pour les MOSFET. La sortie de l'alimentation est recouplée au contrôleur, ce qui change le rapport cyclique du signal d'attaque de grille pour maintenir une tension de sortie constante. Les contrôleurs peuvent également gérer plusieurs fonctions auxiliaires, comme la protection de l'alimentation contre les surcharges, les surtensions ou les conditions de ligne trop faible.
La conception commence avec les spécifications de l'alimentation saisies par l'utilisateur, notamment la plage de tensions d'alimentation, la tension de sortie souhaitée et l'intensité. Dans cet exemple, la conception souhaitée concerne une alimentation CA de 5 V, 5 A avec une topologie isolée. Après cette étape, le logiciel initie une série de conceptions et d'invites pour que l'utilisateur choisisse le contrôleur.
Il suffit de pointer le curseur sur un composant du schéma pour afficher une description détaillée de la pièce et pouvoir sélectionner un composant alternatif. Le contrôleur (U1) reçoit une rétroaction de la sortie via un photocoupleur PS2811-1-F3-A de CEL. Cette méthode de rétroaction maintient l'isolement électrique entre les sections primaire et secondaire du circuit. Le contrôleur fournit le signal d'attaque PWM au commutateur de puissance M1, le MOSFET STB21N90K5 de 900 V, 18,5 A de STMicroelectronics.
Il est certain qu'à moins que l'ingénieur n'affiche une expérience en alimentation à découpage, il y aura une courbe d'apprentissage. Si le délai de commercialisation est un facteur important, il est probablement préférable d'acheter une alimentation standard ou de sous-traiter une conception d'alimentation personnalisée. Si vous avez le temps et les ressources techniques nécessaires, et particulièrement si plusieurs projets nécessitent des alimentations, alors la conception d'une alimentation est plus avantageuse.
Les alimentations à découpage présentent un rendement élevé et un petit format. Cependant, elles peuvent être plus complexes à fabriquer et à dépanner que leurs homologues linéaires. De plus, les alimentations à découpage peuvent générer des interférences électromagnétiques (EMI) qui nécessitent des mesures de filtrage appropriées.
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Voici les caractéristiques d'une alimentation réglable à découpage au secondaire (abaisseur de tension):
Voici une liste de composants typiques utilisés dans une alimentation à découpage réglable :
Il est crucial de choisir des composants de qualité et de respecter les spécifications techniques pour garantir le bon fonctionnement et la fiabilité de l'alimentation à découpage.
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