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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. Cet article aborde le fonctionnement des alimentations à découpage et explore brièvement le choix entre achat et fabrication des alimentations.
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. La possibilité d'interférences électromagnétiques nuit aux avantages d'une alimentation à découpage. Cela résulte des transitoires de commutation, mais peut être amélioré en réalisant minutieusement la sélection, la configuration et le blindage des composants. Une alimentation à découpage peut être réalisée avec des conceptions et topologies de circuit très diversifiées.
Schéma d'un convertisseur Flyback
L'alimentation à découpage Flyback est un montage classique et largement utilisé, tant dans un contexte pédagogique qu'industriel, particulièrement pour les applications de faible puissance.
Le principe de l’alimentation Flyback repose sur le transfert d’énergie du primaire vers le secondaire par l’intermédiaire d’un transformateur. Le transformateur utilisé dans les alimentations Flyback stocke de l’énergie au primaire puis la restitue au secondaire, et ainsi de suite. Le transformateur joue le rôle d’un seau d’eau qu’on remplit d’un côté puis qu’on vide de l’autre.
Pour illustrer le fonctionnement, considérons les étapes suivantes :
Une alimentation à découpage Flyback peut se passer du régulateur habituel qui contrôle le découpage. La partie "tension dangereuse" de l'alimentation est connectée directement au secteur. Le secteur 230V est redressé par 4 diodes 1N4007 et ensuite, C1 lisse la tension pour créer +325V.
L'ensemble D2, R4 et C4 est un snubber. Son but est d'absorber l'énergie emmagasinée dans l'inductance de fuite du transfo lorsque le transistor T1 s'ouvre. Il limite la surtension aux bornes de T1.
Lors de la mise sous tension, C1 se charge très rapidement à 325V. R1 et R2 assurent la conduction initiale du transistor T1 (800V/3A). Le primaire (P) est traversé par son courant magnétisant. La polarité du point est négative par rapport à l'autre extrémité de l'enroulement étant donné que le point du primaire est au potentiel le plus bas du circuit. Le courant magnétisant augmente jusqu'à saturation du transfo. A ce moment, la tension aux bornes de l'enroulement auxiliaire (A) s'annule.
Le condensateur de liaison C2 transmet cette variation et fait chuter le potentiel entre R1 et R2. T1 a tendance à bloquer.
La polarité de la tension des enroulements s'inverse. Par C2, cette variation de tension tend à diminuer encore davantage le potentiel entre R1 et R2. Il y a ainsi une sorte de rétroaction positive qui fait bloquer T1. D3 devient conductrice (Flyback classique) et D1 aussi, chargeant C3 de façon négative : c'est une particularité de ce montage !
Lorsque cette étape de démagnétisation est finie, les tensions des enroulements s'annulent. Le potentiel de C2 "remonte" et T1 entre à nouveau en conduction.
En régime établi, la tension aux bornes de C3 est de 9V environ, compensant ainsi la tension de la zener. R1 décharge tranquillement C3 lorsque l'alimentation est débranchée du secteur.
Si la tension aux bornes de C3 a tendance à devenir trop faible en valeur absolue, le potentiel de base de T1 sera augmenté d'autant, ce qui favorisera la conduction de T1. La régulation se fait donc sur l'enroulement auxiliaire et non sur la sortie. On peut choisir assez librement (même si ce n'est pas optimal) le rapport des nombres de spires primaire/auxiliaire.
T1 est un modèle 800V et 3A (2SC3457). Le transfo doit être capable de transférer la puissance nécessaire. C2 doit supporter au moins 325V (choisir 400V minimum).
Une alimentation Flyback ressemble à une alimentation Boost, mais le transfo garantit l’isolation électrique.
La tension de sortie ne dépend ni du rapport des nombres de spires, ni de la tension d’entrée, ni de la charge. Avec des régulateurs comme les TNY264 ou TNY266 Tinyswitch, on constate que les nombres de spires peuvent être choisis avec une incertitude artistique !
Pour transférer une plus grande puissance, il faut rendre fréquents ces transferts d’énergie. Le temps mort du mode discontinu n’est pas intéressant puisque c’est du temps perdu où aucune énergie n’est transférée.
Certains régulateurs de découpage modernes Flyback utilisent le mode transition qui consiste à reprendre un cycle de magnétisation juste à la fin de la démagnétisation précédente. En mode transition, il n’y a donc plus de temps mort.
Ces régulateurs ont besoin de se synchroniser sur la fin de démagnétisation pour lancer une nouvelle commande sur le transistor. La fréquence de découpage ne peut donc pas être fixée d’avance : elle dépend de la charge et de la tension d’entrée.
De plus, le montage Flyback peut s’adapter à une tension secteur redressée mais non filtrée. Cela permet, en ajustant le courant en fonction de la tension d’entrée, de réaliser un excellent facteur de puissance (Power Factor Correction) qui dépasse 0.9. Le régulateur a alors besoin de recevoir une tension image de la tension d’entrée.
WEBENCH Power Design Center de Texas Instruments
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 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.
Pour limiter les pertes magnétiques, les ferrites sont utilisées dès que la fréquence de travail dépasse 1kHz environ. Les matériaux sont caractérisés par leur cycle d'hystérésis. En ce qui concerne les ferrites, l'induction à saturation Bs est de l'ordre de 0,3 à 0,5 Tesla.
Si l'on introduit un entrefer localisé ou réparti dans le circuit magnétique, la perméabilité miest modifiée pour devenir une perméabilité effective me. Plus l'entrefer est important, plus me est faible. On peut donc appliquer un courant beaucoup plus important avec un circuit à entrefer, avant d'atteindre la saturation du matériau.
Les alimentations à découpage Flyback offrent une solution efficace pour de nombreuses applications nécessitant une alimentation compacte et fiable. En comprenant leur fonctionnement et en tenant compte des considérations de conception, il est possible de créer des alimentations adaptées à des besoins spécifiques.
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