Exploration des bases : Comment fonctionne une alimentation à découpage ?

Préface

Une alimentation à découpage, également appelée alimentation à découpage (SMPS), est un dispositif électronique basé sur un régulateur à découpage qui convertit efficacement l'énergie électrique. Contrairement aux alimentations linéaires qui ajustent en permanence la tension d'entrée, les alimentations à découpage convertissent la tension alternative en tension continue avec une efficacité et une vitesse élevées, ce qui résout le problème de la faible efficacité de l'alimentation. Ce type d'alimentation est indispensable dans les appareils, de l'électronique grand public aux systèmes industriels, et constitue une source d'énergie essentielle dans le monde moderne.

Les composants fondamentaux d'une alimentation à découpage

Chaque alimentation à découpage comprend plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour convertir efficacement l'énergie.

Redresseur

Le redresseur assure la conversion du courant alternatif en courant continu. Un pont redresseur est généralement utilisé dans une alimentation à découpage (SPS), qui se compose de quatre diodes organisées en pont. Cette configuration fait circuler le courant dans une direction même si l'entrée est en courant alternatif, convertissant ainsi le courant alternatif en courant continu pulsé. À ce stade, la sortie présente généralement une fluctuation à haute fréquence qui doit être lissée par les filtres suivants.

Filtre d'entrée ou filtre EMI

Le filtre d'entrée ou filtre EMI est le principal composant permettant de supprimer les perturbations à haute fréquence générées par le redresseur ainsi que celles produites à l'extérieur. Ces filtres sont constitués d'un mélange d'inductances et de condensateurs, les inductances bloquant les bruits à haute fréquence et les condensateurs aidant à lisser le courant de sortie. Un tel étage est très important pour maintenir la stabilité du système électrique et éviter les interférences avec d'autres appareils électroniques.

Condensateur d'entrée

Le condensateur d'entrée est utilisé pour stocker l'énergie du processus de rectification. Sa fonction première est de produire une source de courant continu stable pour l'alimentation électrique. En cas de fluctuations de la fréquence du réseau ou d'augmentation soudaine de la charge, le condensateur peut immédiatement fournir de l'énergie pour s'assurer que la sortie de puissance est continue et stable, ce qui évite que les chutes de tension n'affectent les performances de l'alimentation.

Transistor de commutation (ou MOSFET)

Le transistor de commutation utilisé dans l'alimentation est un MOSFET. Il fonctionne en allumant et en éteignant le circuit à une fréquence très élevée, déterminée par le contrôleur PWM. Le MOSFET est unique dans sa capacité à commuter extrêmement rapidement, en quelques nanosecondes, et cette action de commutation rapide produit des courants d'impulsion à haute fréquence qui sont traités par le transformateur, ce qui en fait la meilleure option pour les applications à haute puissance.

Contrôleur PWM (modulation de largeur d'impulsion)

Le contrôleur PWM est utilisé pour réguler la fréquence et la durée de commutation de chaque interrupteur (largeur d'impulsion) du MOSFET, contrôlant ainsi avec précision le flux de courant. La taille des impulsions détermine la quantité de courant moyen qui traverse le MOSFET et, par conséquent, la stabilité de la tension et du courant de sortie. La technologie PWM améliore non seulement l'efficacité de l'alimentation électrique, mais minimise également la production de chaleur, un facteur de grande valeur lorsqu'il s'agit de maintenir la tension de sortie souhaitée.

Transformateur

Le courant haute fréquence est fourni au transformateur via le contrôleur PWM et le MOSFET de manière coordonnée. L'une des principales fonctions du transformateur est d'assurer la transformation de la tension et l'isolation électrique. Il transforme le courant pulsé à haute fréquence en niveaux de tension souhaités, tout en séparant électriquement l'entrée de la sortie et en améliorant la sécurité du système. Cette configuration du convertisseur est essentielle pour garantir la cohérence des performances de l'équipement.

Sortie Redresseur

L'étape suivante de ce processus consiste à convertir le courant alternatif en courant continu. C'est ce que fait le redresseur de sortie après que le transformateur a fait son travail sur le courant. Le redresseur de sortie est souvent conçu sous forme de pont afin de garantir qu'un seul sens de circulation du courant est autorisé, ce qui est une condition pour la production d'un courant continu stable à partir de la sortie du transformateur, qui peut être utilisé pour des besoins de tension d'entrée en courant continu avec une variété de valeurs.

Sortie Filtre

Le redresseur de courant continu de sortie peut également présenter des impulsions à haute fréquence et du bruit. Le filtre de sortie, composé d'inductances et de condensateurs, affine encore les impulsions qui ont pu apparaître précédemment afin de produire une tension de sortie propre et stable pour les appareils connectés, garantissant ainsi une tension constante pour les meilleures performances.

Comment fonctionne une alimentation à découpage ?

Voici l'organigramme illustrant les étapes simples du fonctionnement d'une alimentation à découpage.

Entrer dans la phase de rectification

L'étage de conversion CA/CC est le tout premier étage où l'alimentation à découpage reçoit le courant alternatif d'une source externe, par exemple une prise murale. Ce courant alternatif est de nature variable, car il est composé d'une tension positive et d'une tension négative. Le redresseur a pour fonction de convertir ce courant alternatif en courant continu (CC) avec lequel les appareils électroniques peuvent fonctionner. Dans la majorité des alimentations, on utilise un pont de diodes qui contient quatre diodes, disposées dans une configuration qui ne permet qu'un seul sens de circulation du courant, et donc d'égaliser les oscillations du courant alternatif en un courant continu pulsé. Cette étape de redressement est illustrée dans le schéma fonctionnel de la figure 1, qui est représentatif de nombreuses alimentations c.a.-c.c. ou c.c.-c.c.

Filtrage des entrées et des interférences électromagnétiques

Une fois corrigé, le courant continu pulsé est néanmoins porteur de fluctuations et de bruits à haute fréquence qui peuvent perturber les appareils électroniques. Ce problème est résolu par le filtre d'entrée, le filtre EMI étant généralement installé à côté. Cet étage se compose d'inductances qui bloquent le bruit à haute fréquence et de condensateurs qui filtrent le courant continu pulsé en un courant continu de sortie plus régulier. Ce filtrage est d'une grande importance pour éviter le bruit qui peut autrement dégrader les performances et affecter d'autres appareils électroniques.

Commutation

L'étage de commutation est le cœur de l'alimentation, qui détermine le fonctionnement de l'alimentation à découpage. Il se compose d'un transistor de commutation, généralement un MOSFET, qui est très rapide et contrôlé par un contrôleur PWM (Pulse Width Modulation). Ce modèle discontinu du filtre d'entrée CC est converti en impulsions à plus haute fréquence. Le nombre et la longueur de ces impulsions sont soigneusement réglés pour garantir que la quantité d'énergie transférée au transformateur est correctement régulée, ce qui permet un contrôle précis de la sortie du convertisseur. Les différentes configurations de convertisseurs, telles que le convertisseur direct et le convertisseur flyback, requièrent des stratégies de contrôle différentes.

Transformation et isolement

Après avoir été transformée en impulsions à haute fréquence, la puissance continue est ensuite introduite dans un transformateur. Le transformateur remplit deux fonctions principales : il modifie la tension au niveau souhaité, en l'augmentant ou en la diminuant en fonction des besoins de l'appareil, et il assure l'isolation électrique entre l'entrée et la sortie, ce qui améliore la sécurité. Le transformateur haute fréquence est conçu pour être plus compact et plus efficace que ceux utilisés dans les anciennes alimentations électriques qui traitent les champs magnétiques.

Sortie Rectification

À ce stade, le courant alternatif à haute fréquence est redressé par le transformateur en courant continu. Pour ce faire, on utilise un autre groupe de diodes dans un dispositif de redressement, identique à l'étage d'entrée mais adapté au niveau de tension après la transformation. À cette fin, le convertisseur DC-DC est utilisé pour générer une sortie DC constante dont les appareils électroniques ont besoin pour fonctionner, avec le niveau de tension souhaité. Le processus de redressement de la sortie, également connu sous le nom de régulation de la tension constante, est essentiel pour convertir la haute tension continue provenant du transformateur en basse tension continue souhaitée pour la sortie.

Filtrage de la sortie

Malgré le fait que le courant continu de sortie peut encore présenter des variations mineures et un certain bruit résiduel, même après le redressement. L'étage de filtrage permet de résoudre ces problèmes en combinant des condensateurs et des inductances. Les condensateurs assurent le lissage de la tension et les inductances le filtrage de tout bruit à haute fréquence, de sorte que la sortie DC est propre, avec une chute de tension minimale et stable.

Retour d'information et ajustement

Le dernier étage est un mécanisme de rétroaction et de correction qui surveille en permanence la tension de sortie et effectue les ajustements nécessaires pour maintenir la sortie stable. La boucle est normalement fermée en détectant la sortie et en envoyant des signaux au contrôleur PWM, qui ajuste alors le cycle de travail du transistor de commutation en conséquence. Cette adaptation dynamique est un élément fondamental pour compenser tout changement dans la puissance ou la tension d'entrée, pour maintenir la performance constante dans différentes conditions et pour gérer de manière appropriée les boucles et les circuits de contrôle.

Efficacité et interférences électromagnétiques (IEM)

Dans une alimentation à découpage (SMPS), l'efficacité et les interférences électromagnétiques (EMI) sont des facteurs importants qui ont un impact sur les performances et la conception. Voici un aperçu détaillé de chacun de ces facteurs :

Efficacité de la SMPS

L'efficacité d'un SMPS est déterminée par sa capacité à convertir la puissance d'entrée (généralement CA) en puissance de sortie (CC) avec une perte d'énergie aussi faible que possible. Le rendement est défini comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée, généralement exprimé en pourcentage :

Rendement(%) = (Puissance d'entrée / Puissance de sortie) × 100

Les principaux facteurs contribuant à la haute efficacité des SMPS sont les suivants :

EMI en SMPS

L'EMI est le phénomène qui se produit lorsque les champs électromagnétiques générés par les commutations à haute fréquence du SMPS se superposent au fonctionnement normal des appareils électroniques. Ce phénomène peut entraîner des interférences avec d'autres appareils électroniques situés à proximité, par exemple un téléphone intelligent ou une machine à laver, et les performances de l'alimentation électrique s'en trouvent également dégradées. La régulation des interférences électromagnétiques est essentielle pour le respect des exigences réglementaires et pour assurer un bon fonctionnement.

Les principales sources et solutions d'EMI dans les SMPS sont les suivantes :

• Transitoires de commutation : La variation rapide du courant dans des éléments tels que les transistors et les diodes produit le bruit et les pointes. Les réponses à ces problèmes sont les circuits snubber, qui absorbent ces transitoires, et la conception de l'agencement qui est faite de manière réfléchie pour éviter les zones de boucle où ces transitoires peuvent induire des interférences électromagnétiques.
• Entrée et SortieFiltres: Ces filtres, en particulier du côté de l'entrée, offrent une protection contre les bruits à haute fréquence provenant de l'entrée du réseau et empêchent également les bruits provenant du SMPS d'atteindre d'autres appareils. Du côté de la sortie, les filtres sont utilisés pour garantir que la sortie CC est pure et constante.
• Blindage et mise à la terre : Il est important de s'assurer que l'alimentation électrique est bien blindée et que la mise à la terre est effectuée correctement, car ces pratiques peuvent réduire considérablement l'émission d'ondes électromagnétiques.
• Sélection et placement des composants : L'utilisation de pièces à faible inductance et capacité parasites et un placement correct des composants peuvent constituer une bonne méthode d'atténuation des interférences électromagnétiques.

En résumé, l'efficacité du SMPS est une mesure de son efficacité de conversion de l'énergie, tandis que la gestion de l'EMI consiste à minimiser les interférences de bruit électromagnétique qui se produisent pendant son fonctionnement.

Concernant les mécanismes de sécurité dans les SMPS

Modes de défaillance

Les alimentations à découpage sont dotées de différents mécanismes de sécurité pour gérer les éventuelles situations de défaillance. Les plus importants sont la protection contre les surtensions, la protection contre les surintensités et l'arrêt thermique. Chaque mécanisme a la capacité de traiter des conditions anormales particulières et, en tant que tel, il empêche l'alimentation d'être endommagée ainsi que l'appareil connecté en le protégeant contre des problèmes tels qu'une résistance élevée et une résistance parasite.

Précautions

En ce qui concerne les précautions de sécurité dans les alimentations à découpage, une mise à la terre adéquate et des composants évalués à des niveaux de tension et de courant appropriés, tels que les ponts de diodes et les condensateurs de sortie, sont également pris en compte. Il est recommandé de procéder à une maintenance et à une inspection régulières pour s'assurer que les dispositifs de sécurité fonctionnent toujours correctement et pour gérer efficacement la régulation de la tension.

Quand utiliser une alimentation à découpage ?

Les SMPS (alimentations à découpage) sont la forme dominante des convertisseurs de puissance en raison de leur rendement élevé, qui est souvent supérieur à 90%. Ils constituent le choix le plus judicieux pour les applications qui nécessitent une conversion de puissance efficace, compacte et légère, avec une faible élévation de température. Elles sont utilisées dans tous les domaines, depuis les équipements industriels à grande échelle jusqu'aux petits appareils portables qui sont désormais monnaie courante, comme le téléphone intelligent typique qui contient plus de 10 puces SMPS. Le choix d'une alimentation à découpage, en particulier d'une puce SMPS, peut souvent dépendre du besoin d'efficacité, des contraintes d'espace et de la capacité à gérer des demandes de puissance variables, telles que des exigences de puissance élevée et de faible résistance.

• Systèmes industriels (par exemple, machines à commande numérique, lignes de production automatisées)
• Gadgets grand public (par exemple, smartphones, ordinateurs portables)
• Systèmes d'énergie renouvelable (par exemple, onduleurs solaires, turbines éoliennes)

Conclusion

Les alimentations à découpage (SMPS) ne se contentent pas de convertir efficacement l'énergie avec une faible perte d'énergie, elles s'adaptent également à différentes applications. En tête fabricants de smps continuent d'innover en proposant des solutions qui répondent aux exigences croissantes des appareils modernes. Les SMPS utilisent des commutations à haute fréquence et des composants avancés pour convertir le courant alternatif en courant continu avec une perte d'énergie et une production de chaleur minimales, ce qui les rend supérieurs aux convertisseurs de puissance linéaires traditionnels. Au fur et à mesure que la technologie évolue, les SMPS deviendront plus efficaces, plus flexibles et plus petits, répondant aux besoins croissants en énergie d'appareils tels que les smartphones et les voitures modernes, tout en jouant un rôle crucial dans diverses applications industrielles.

FAQ

Comment un SMPS traite-t-il une alimentation en courant alternatif pour produire une sortie en courant continu stable ?

Le SMPS commence par le redressement de l'alimentation d'entrée CA qui est convertie en courant continu pulsé par un redresseur. Ce courant continu est ensuite filtré à l'aide de filtres et converti à la tension de sortie souhaitée à l'aide de régulateurs à découpage tels que les convertisseurs buck ou boost. Cette méthode garantit une conversion efficace de l'énergie avec une faible perte de puissance.

Quel est le fonctionnement d'un convertisseur inductif dans un SMPS ?

Le convertisseur inductif d'un SMPS stocke l'énergie dans le champ magnétique lorsque l'interrupteur est activé. Lorsque l'interrupteur est éteint, l'énergie est envoyée à la sortie. Ce processus contrôle la tension en régulant le rapport cyclique.

Quels sont les principaux inconvénients de l'utilisation d'un convertisseur inductif dans la conception d'un SMPS ?

Réponse : Les convertisseurs inductifs sont généralement plus grands et plus complexes que les modèles non inductifs, ce qui contribue à leur coût plus élevé. Ils peuvent également générer davantage d'interférences électromagnétiques (EMI), ce qui peut nécessiter un filtrage supplémentaire. En revanche, ils conviennent aux applications à haute puissance, où leurs inconvénients sont compensés par leurs avantages en termes de performances.