Comprendre les bases d'un circuit d'alimentation à découpage

Préface

Les circuits SMPS (Switch Mode Power Supply) sont un élément essentiel des appareils électroniques modernes. Ils sont utilisés pour convertir l'énergie électrique provenant d'une source d'alimentation dans la forme la plus efficace. Contrairement aux alimentations linéaires constantes, les circuits SMPS contrôlent la tension de sortie en activant et désactivant rapidement une série de transistors de puissance. Ces mécanismes de commutation rapide permettent aux circuits SMPS d'atteindre un rendement élevé, une petite taille et une faible dissipation thermique, ce qui les rend adaptés à de nombreuses applications, par exemple les téléphones portables et les équipements industriels.

Composants de base de la SMPS

Les principaux éléments du circuit SMPS sont le redresseur, le condensateur de filtrage, le transistor de commutation, l'inducteur et le circuit de commande. Le redresseur transforme la tension d'entrée alternative provenant du secteur ou d'un transformateur en tension continue. Le condensateur de filtrage lisse ensuite les ondulations de tension. Le transistor de commutation (MOSFET) est l'élément principal du circuit qui contrôle le flux de courant et l'inducteur stocke et libère l'énergie pendant le processus de commutation. Le circuit hacheur, également appelé convertisseur haute fréquence, est un circuit électronique qui active et désactive le transistor de commutation à plusieurs kHz. Le circuit de commande régule la fréquence de commutation et le rapport cyclique afin de maintenir la tension de sortie stable.

Comment fonctionne le SMPS ?

Les circuits SMPS fonctionnent grâce à l'utilisation d'une commutation rapide du transistor qui s'effectue à une fréquence élevée, généralement de l'ordre du kHz. À l'état passant, l'énergie est conservée dans l'inducteur et à l'état bloqué, cette énergie est transférée à la charge de sortie. Le rapport cyclique du signal de commutation peut être ajusté, ce qui permet de réguler la tension de sortie. Ce processus permet aux circuits SMPS de réaliser la conversion à haut rendement de la puissance d'entrée (PIN) à la tension de sortie souhaitée avec la perte de puissance et les caractéristiques de courant les plus faibles possibles.

Avantages de l'utilisation d'un Interrupteur Mode PSU

Interrupteur Mode PSU Circuit

Processus de travail

Le processus de fonctionnement d'un circuit SMPS implique plusieurs étapes clés. Un schéma de circuit détaillé illustrant ces étapes sera fourni.

1. Entrée Filtrage et rectification

• Tension secteur AC et EMI Filtrage : La première étape du circuit d'alimentation à découpage (SMPS) est la tension principale CA (110V ou 230V CA) qui est filtrée par un filtre d'interférence électromagnétique (EMI). Ce filtre se compose d'inductances (bobines) et de condensateurs qui éliminent le bruit à haute fréquence de l'alimentation secteur, empêchant ainsi le SMPS de renvoyer du bruit électrique au réseau.
• PontRedresseur et le condensateur de lissage : La tension alternative filtrée passe ensuite par un pont redresseur, une configuration à quatre diodes qui transforme la tension alternative en une tension continue pulsée. Par exemple, une entrée de 230 V CA sera de l'ordre de 325 V CC après redressement. La fonction principale de la grande capacité électrolytique est de fournir une tension continue stable en lissant la tension continue pulsée qui est utilisée pour alimenter l'étape suivante du circuit SMPS.

2. Commutation et isolation des transformateurs

• PWM Contrôleur : Le circuit intégré du contrôleur PWM, par exemple le TL494, génère des signaux PWM à haute fréquence, généralement entre 20 kHz et 100 kHz, qui sont transmis à la grille du transistor de commutation, le plus souvent un MOSFET.
• Transistor de commutation (MOSFET) : Le MOSFET est ensuite utilisé pour commuter la tension continue qui a été redressée, produisant ainsi des impulsions de courant alternatif à haute fréquence. La fréquence et la durée de la commutation marche/arrêt sont régulées par le PWM du contrôleur, qui détermine le flux de puissance vers la sortie.
• Transformateur haute fréquence : L'enroulement primaire d'un transformateur haute fréquence est alimenté par des impulsions CA haute fréquence qui remplissent deux fonctions essentielles : l'isolation entre le côté entrée haute tension et le côté sortie basse tension et la conversion de la tension vers le haut ou vers le bas pour correspondre au niveau de sortie requis.

3. Sortie Rectification et filtrage

• SecondaireRedresseur Diodes : Du côté secondaire du transformateur, des diodes de redressement à haute fréquence sont chargées de reconvertir les impulsions de courant alternatif à haute fréquence en tension continue. Ces diodes doivent être capables de supporter une tension inverse élevée et avoir un temps de récupération rapide afin de fonctionner efficacement à des fréquences élevées.
• Filtre Inducteur et le condensateur : Les diodes de redressement fournissent la tension continue qui est ensuite lissée à l'aide d'une inductance et d'un condensateur de filtrage. Pendant la phase d'activation du MOSFET, l'inducteur stocke l'énergie et la décharge pendant la phase de désactivation, ce qui permet au courant de circuler en continu vers la charge. Le condensateur de filtrage lisse ensuite la tension continue, ce qui permet d'obtenir une sortie stable.
• Tension continue de sortie: La tension de sortie finale est simplement le produit du rapport des tours du transformateur et du rapport cyclique du signal PWM. Par exemple, si la tension de sortie nécessaire est de 12 V CC, la boucle de rétroaction garantira que cette tension est aussi stable que possible dans différentes conditions de charge.

4. Rétroaction et régulation de la tension

• Rétroaction de l'optocoupleur : La tension de sortie régulée est fournie par une boucle de rétroaction de l'optocoupleur, qui est utilisée pour assurer la stabilité et la précision souhaitées. La régulation est effectuée par le régulateur shunt TL431, la tension de sortie étant échantillonnée par le réseau de diviseurs de tension du côté de la sortie, puis comparée à une tension de référence. L'optocoupleur TL431 du circuit régule la luminosité de la LED ; si la tension de sortie est trop élevée, la LED brille davantage et le signal le plus fort traverse le phototransistor du côté primaire.
• PWMCycle de travail Contrôle : Le contrôleur PWM IC fonctionne avec le retour d'information de l'optocoupleur et détermine le rapport cyclique du signal de commutation en fonction du retour d'information, qui détermine à son tour la quantité d'énergie fournie au côté secondaire, en maintenant la tension de sortie stable.

5. Circuits de protection

• Protection contre les surintensités : La protection contre les surintensités est assurée par une résistance de détection de courant placée en série avec le drain du MOSFET. Si le courant dépasse la limite fixée, le contrôleur PWM éteint le MOSFET pour éviter tout dommage supplémentaire.
• Protection contre les surtensions : La protection contre les surtensions est assurée par une boucle de rétroaction, c'est-à-dire que si la tension de sortie est supérieure au niveau souhaité, le contrôleur diminue le rapport cyclique, puis la tension de sortie.

Résumé du processus de travail

• Stade d'entrée: Tension secteur CA → Filtre EMI → Pont redresseur → Condensateur de filtrage → Tension CC.
• Stade de commutation: Contrôleur PWM → MOSFET → Transformateur → Impulsions CA à haute fréquence.
• Etage de sortie: Diodes de redressement → Condensateurs de filtrage → Tension de sortie en courant continu.
• Boucle de rétroaction: Diviseur de tension → Régulateur TL431 → Optocoupleur → Contrôleur PWM.

Considérations relatives à la conception

Les considérations relatives à la conception des alimentations à découpage (SMPS) comprennent plusieurs aspects clés qui garantissent un fonctionnement efficace et stable :

• Sélection de la topologie : Le type de topologie du convertisseur (buck, boost, flyback, etc.) est le choix le plus important en fonction de la tension de sortie et des besoins en puissance. Il en résulte une modification de la complexité et de l'efficacité du circuit.
• Choix des composants : Le choix des composants tels que les MOSFET, les diodes, les condensateurs et les inductances est très important. La sélection de ces éléments doit être faite de manière à gérer la charge attendue et à minimiser les pertes et les interférences électromagnétiques (EMI).
• Circuits de commande et PWM : Les circuits de contrôle et les contrôleurs PWM doivent être utilisés de manière appropriée pour garantir la précision de la régulation de la tension et du contrôle de la fréquence. Ces deux éléments sont essentiels pour que l'alimentation électrique puisse s'adapter à des charges variables.
• Mécanismes de protection : La mise en place d'une protection contre les surtensions, les surintensités et la chaleur garantit la sécurité du SMPS et des appareils connectés contre les dommages potentiels, ce qui améliore la fiabilité de l'alimentation électrique.
• Efficacité et facteur de puissance : Le facteur de puissance et l'efficacité de la conversion de l'énergie sont des facteurs cruciaux pour réduire le gaspillage d'énergie et la conformité aux réglementations, en particulier lors de la conversion d'un réseau CA en une sortie CC stable.
• Gestion de l'IME : S'assurer que la conception est optimisée pour minimiser les interférences électromagnétiques en utilisant une disposition, un blindage et une sélection de composants appropriés est la clé pour éviter les interférences avec d'autres appareils électroniques et répondre aux normes internationales.

Problèmes courants et solutions pour la conception de SMPS

Les conceptions de SMPS sont souvent confrontées à plusieurs problèmes courants. Un problème courant est une mauvaise régulation de la tension, qui est généralement causée par une boucle de rétroaction instable ou une mauvaise sélection des circuits de contrôle. Il est possible d'y remédier en utilisant des optocoupleurs de haute qualité et des résistances de précision dans le réseau de rétroaction. Ensuite, les interférences électromagnétiques (EMI) sont un autre problème causé par les commutations à haute fréquence. Il est donc nécessaire d'utiliser des techniques d'agencement des circuits imprimés, des filtres EMI et des blindages appropriés pour les réduire au minimum. En outre, la gestion thermique est très importante car la commutation à haute fréquence génère de la chaleur qui peut entraîner des arrêts. Les dissipateurs de chaleur, les coussinets thermiques et la ventilation sont les moyens de résoudre ce problème. Enfin, la défaillance des composants due à la surtension et à la surintensité est évitée grâce à des circuits de protection et à des composants dont la valeur nominale est appropriée.

Conclusion

À l'avenir, les conceptions de SMPS se concentreront sur un rendement plus élevé, la compacité et l'inclusion de nouvelles fonctions. L'émergence des semi-conducteurs GaN (nitrure de gallium) et SiC (carbure de silicium) est une avancée majeure, qui permet des vitesses de commutation plus rapides et une moindre génération de chaleur. Cela donne lieu à la production d'alimentations de petite taille et très efficaces, avec de faibles interférences électromagnétiques (EMI).

FAQ

Quel est le rôle du convertisseur Boost dans la conception d'un SMPS ?

Dans les SMPS, le convertisseur élévateur est utilisé pour augmenter la tension d'entrée en courant continu jusqu'à une tension de sortie plus élevée en stockant l'énergie dans le champ magnétique de l'inducteur lorsqu'il est en marche et en la restituant à la sortie lorsqu'il est à l'arrêt. Ce circuit est idéal pour les applications qui nécessitent une tension de sortie plus élevée afin d'alimenter des appareils analogiques et des onduleurs.

Comment fonctionne un convertisseur Buck dans un circuit SMPS et quels sont ses avantages ?

Le convertisseur buck du circuit du SMPS est chargé de réguler la tension d'entrée CC à une tension inférieure en activant et désactivant de manière répétée le MOSFET, créant ainsi une onde carrée qui charge l'inductance et le condensateur de sortie. Le régulateur assure une tension stable avec un rendement élevé. C'est un élément très utile en électronique de puissance en raison de sa simplicité et de ses caractéristiques de courant stables.