Schéma fonctionnel SMPS : Révéler les secrets de l'efficacité énergétique

Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage (SMPS) ?

Au cours des dernières décennies, nous nous sommes appuyés sur alimentations linéairesLe système d'information sur la santé, robuste et simple, mais extrêmement inefficace, est en train de se mettre en place. Vous souvenez-vous de ces énormes chargeurs de téléphones portables qui font qu'il est impossible d'en mettre deux dans une même prise ? Ou laboratoire les blocs d'alimentation des années 80 ? Ils étaient linéaires et remplis de circuits électroniques composé de transformateurs et condensateurs.

Aujourd'hui, grâce aux progrès de la technologie, des appareils plus petits et plus performants sont disponibles. efficace se disputent les parts de marché ; ils nécessitent un nouveau dispositif. C'est à ce moment-là que Alimentations à découpage a commencé à redéfinir la Alimentation en courant alternatif l'industrie. Contrairement à leur alimentations linéaires des contreparties, SMPS ne gaspillez pas d'énergie en détruisant l'excédent tension. Au contraire, ils se montrent agressifs et rapides interrupteur pouvoir la livraison à la charge, une caractéristique de la alimentation en mode commutation. Cette prouesse remarquable accroît l'efficacité, ce qui permet le design plus petit et plus léger pour l'emporter sur les traditionnels et encombrants alimentations linéaires. Chaque pièce de électronique grand publicde la petite à la grande chargeurs de téléphones portables à des serveurs de données massifs, bénéficient de cette le type d'alimentation. A schéma fonctionnel est une première étape dans la compréhension des circuits électroniques et alimentation électronique Mais le fait d'avoir une vue d'ensemble permet d'interpréter le graphique et de répartir la superficie de l'unité de mesure. la conversion de l'énergie.

Le principe de base : comment SMPS atteint l'efficacité

Alimentations à haut rendement, également connu sous le nom de SMPS pour Alimentations à découpageLa commutation à haute fréquence permet d'effectuer des tâches telles que économie d'énergie. Contrairement aux régulateurs linéaires qui épuisent l'énergie en surchauffant, les SMPS utilisent des commutateurs à semi-conducteurs tels que les MOSFET qui s'allument et s'éteignent à une fréquence de dizaines ou de centaines de kilohertz. Lorsqu'ils sont en position "marche" État", l'énergie est conservée dans réactif composants tels que les condensateurs et les inducteurs, tandis que l'énergie stockée est libérée lors de l'opération "éteint" à transmettre à la sortie. La mise en marche et l'arrêt efficaces du système réduisent considérablement les pertes d'énergie.

Alors que le rapport cyclique ou le rapport de puissance de "dans les délais"au total "durée du cycle"Une boucle de contrôle à rétroaction ajuste le rapport cyclique pour un contrôle précis de la tension afin de maintenir une tension stable indépendamment des variations de l'entrée ou de la charge. Ceci, associé à une distribution contrôlée, permet d'obtenir des performances élevées tout en maintenant les pertes thermiques à de faibles niveaux, surpassant efficacement les alimentations linéaires.

Visualisation du système : Vue d'ensemble du schéma fonctionnel du SMPS

Pour bien comprendre le fonctionnement d'un SMPS, il faut examiner son schéma fonctionnel. Il s'agit d'un plan architectural qui montre les principales zones fonctionnelles et la manière dont les signaux d'alimentation et de commande circulent entre elles. Bien que les implémentations spécifiques varient considérablement en fonction de la topologie (que nous aborderons plus tard), les blocs fonctionnels de base sont largement cohérents.

Voici un schéma fonctionnel simplifié représentant un SMPS AC-DC typique :

Acquérir une compréhension approfondie de le fonctionnement d'un SMPSIl est donc essentiel d'étudier son schéma fonctionnel. Considérez un SMPS comme un plan architectural, montrant les principaux composants fonctionnels et la manière dont les signaux d'alimentation et de contrôle circulent entre eux. Bien que les implémentations spécifiques puissent varier en fonction de la topologie (dont nous parlerons plus loin), les blocs fonctionnels de base restent largement cohérents.

Sur la base du diagramme, voici les éléments clés :

• Filtre d'entrée: Élimine le bruit électrique et garantit qu'un signal d'alimentation propre pénètre dans le système.

• Redresseur et lissage Filtre: Convertit le CA (courant alternatif) en CC (courant continu) et réduit l'ondulation de la tension pour produire un signal CC plus régulier.

• Élément de commutation (hacheur): Il permet d'activer et de désactiver rapidement le courant continu à haute tension à une fréquence spécifique, ce qui permet de contrôler la tension et de transférer l'énergie.

• Transformateur / Inducteur: Il abaisse (ou augmente) la tension et assure l'isolation galvanique entre les étages d'entrée et de sortie. Dans certaines topologies, les inducteurs stockent et libèrent de l'énergie.

• Redresseur de sortie: Convertit le courant alternatif à haute fréquence (provenant du transformateur) en courant continu pulsé.

• SortieFiltre: Lisse les impulsions de courant continu pour produire une sortie de courant continu stable.

• Boucle de rétroaction: Contrôle en permanence la tension de sortie et renvoie cette information au circuit de commande.

• Circuit de contrôle: Traite le signal de retour et ajuste l'activité de commutation pour maintenir une tension de sortie constante.

Comprendre la fonction de chaque bloc est la base pour maîtriser le fonctionnement d'un SMPS. Analysons-les un par un.

Déconstruction du diagramme : Fonction de chaque bloc

Nous allons approfondir la signification de chacun de ces blocs. Nous verrons également pourquoi ils sont nécessaires au fonctionnement du SMPS.

Phase d'entrée : Protection et préparation de l'alimentation

L'objectif principal d'un SMPS AC-DC est de traiter l'alimentation secteur entrante. Dans la plupart des cas, cette alimentation n'est pas toujours propre en raison de la présence de pointes, de surtensions et de bruits à haute fréquence. En outre, il est possible que la commutation à grande vitesse du SMPS génère du bruit qui pourrait être renvoyé sur la ligne principale et perturber d'autres appareils.

– EntréeEMI/EMC Filtre: Ce bloc protège le bruit électrique externe de l'entrée ainsi que le bruit généré par le SMPS de la sortie sur le Ligne AC. Le filtre EMI est constitué de condensateurs X, Y, d'inductances de mode commun et d'inductances de mode différentiel. Il est impératif d'atteindre la norme définie de compatibilité électromagnétique EMC-L, et ce filtre agit en tant que la première ligne de défense. S'il n'y a pas de filtrage d'entrée efficace, le SMPS perturbera certainement les appareils électroniques qui se trouvent à proximité du filtre.

– Filtrage post EMIL'étape de rectification consiste à tourner le Tension alternative en courant continu pulsé à l'aide d'un pont de diodes. Cette sortie est encore affinée en courant continu par un grand condensateur électrolytique qui agit comme un ".en vrac" ou "réservoir"Le condensateur. Le condensateur économise l'énergie des pics de courant alternatif et maintient une tension suffisante pour permettre au circuit suivant de fonctionner efficacement. La tension est normalement élevée, par exemple, environ 160V pour l'entrée 120V AC et 320V pour l'entrée 230V AC. Pour les SMPS à courant continu, cette étape est omise.

Le cœur de commutation : Transfert d'énergie

C'est ici que se produit le processus de "commutation". La powervolution divise le courant continu haute tension en flux d'impulsions rapides.

– L'élément de commutation (par exemple, MOSFET, IGBT) : Connu pour permettre une commutation à grande vitesse, ce composant central nécessite un MOSFET en opérations de niveau intermédiaire à inférieur. L'IGBT est largement recommandé dans les applications à forte puissance. Ce semi-conducteur agit comme un commutateur électronique rapide qui commande les circuits de contrôle. Le commutateur a deux positionsLe régulateur peut être utilisé comme un régulateur de puissance, c'est-à-dire qu'il est entièrement activé avec une résistance très faible, et entièrement désactivé avec une résistance très élevée. Comme la puissance n'est pas dissipée de manière significative par rapport à un régulateur linéaire fonctionnant dans sa zone active, cette solution est idéale.

– PWM Circuit de contrôle : Chaque SMPS a son "cerveauqui est généralement un circuit intégré de contrôle PWM. Il reçoit le signal de retour de la sortie et produit les impulsions qui font fonctionner l'élément de commutation. Si la tension de sortie devient trop faible, le contrôleur commande l'augmentation du transfert d'énergie de l'augmentation de la largeur de l'impulsion de marche (cycle de travail). Si la tension de sortie devient trop élevée, l'impulsion d'activation est réduite (le rapport cyclique est diminué) afin de niveler la sortie. Ce processus est la régulation de tension anticipée et il aide à maintenir la tension de sortie dans des limites fixes en cas de variation de la charge et de la tension d'entrée. Les contrôleurs les plus sophistiqués peuvent appliquer la modulation de fréquence d'impulsion (PFM) et d'autres techniques en plus de la MLI.

Transfert d'énergie et isolation (en fonction de la topologie)

Cette étape est au cœur de la SMPS conceptionIl gère le transfert réel d'énergie de l'entrée à la sortie et permet souvent d'appliquer une isolation électrique pour des raisons de sécurité, de réglementation ou autres.

À la base, cette fonction est assurée par un transformateur ou un inducteur, et le choix est entièrement dicté par la topologie utilisée dans l'étage de puissance. Les différentes topologies offrent des niveaux variables d'efficacité, de complexité et d'isolation.

Topologies isolées - à base de transformateurs

Les opérations des topologies SMPS telles que Retour en vol, En avant, Demi-pontet Les ponts complets utilisent des transformateurs haute fréquence qui permettent le couplage des côtés primaire et secondaire. Ils assurent également une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie et permettent d'élever ou de réduire la tension par le biais du rapport du transformateur.

Le champ magnétique du transformateur stocke l'énergie lorsque l'interrupteur du côté primaire est activé, et cette énergie est restituée au côté secondaire lorsque l'interrupteur est désactivé. Par rapport aux encombrants 50 ou 60 hertz utilisés dans les alimentations linéaires, la commutation à haute fréquence permet des conceptions compactes et légères, ce qui améliore la densité de puissance et l'efficacité de la conception.

Topologies non isolées - à base d'inducteurs

Dans les applications non isolées, des convertisseurs plus simples tels que Buck, Boost et Buck-Boost utilisent l'induction au lieu des transformateurs. Ces configurations sont moins complexes, plus abordables et souvent plus efficaces en termes de rendement énergétique et de régulation au point de charge.

• En Convertisseurs BuckLa phase "on" consiste en un interrupteur qui s'allume, ce qui permet à l'inducteur d'emmagasiner de l'énergie tout en se déchargeant sur la charge pendant la phase "off".

• Convertisseurs Boost stockent temporairement l'énergie dans des inducteurs et la déchargent ensuite à des tensions plus élevées que la tension d'entrée donnée.

• Le convertisseur Buck-Boost peut gérer dynamiquement le cycle de travail, ce qui lui permet de contrôler les tensions de sortie pour qu'elles soient à la fois plus élevées et plus basses que les tensions d'entrée.

Ces topologies sont couramment appliquées dans alimentations isolées en aval. Ceci est particulièrement vrai pour les systèmes SMPS à plusieurs étages où un convertisseur primaire isolé alimente plusieurs convertisseurs DC-DC non isolés situés à proximité de la charge.

Pourquoi la Topologie Important pour l'efficacité

Chaque topologie a un mérite basé sur :

• Pertes de commutation

• Pertes par conduction

• Le nombre de composants interconnectés thermiquement, leur nombre et leur profil thermique

• L'adéquation de la topologie dépend des rapports de tension pour les transformateurs abaisseurs et les moteurs réducteurs.

Les convertisseurs Buck, par exemple, sont très efficaces lorsque la tension d'entrée est légèrement supérieure à la tension de sortie et qu'elle est réduite à l'aide d'un algorithme à composant unique. Les topologies isolées telles que Pont avant ou pont complet sont plus complexes mais améliorent la désisolation et l'évolutivité en termes de puissance pour les applications avancées. Les meilleurs résultats sont obtenus en choisissant la bonne topologie. Il s'agit garantit l'efficacité, minimisation de la tailleet compatibilité avec les normes de sécurité modernes pour les conceptions de SMPS.

Etage de sortie : Récupération et lissage de la tension souhaitée

La tension d'alimentation qui doit être fournie à la charge doit être une tension continue lisse, de sorte que l'impulsion provenant de la bobine secondaire du transformateur ou de l'inducteur doit être redressée.

• Pour la forme d'impulsion AC et DC, des diodes Schottky à haute vitesse assurent le redressement. Pour un meilleur rendement, il est préférable d'utiliser le redressement synchrone avec des diodes Schottky à haute vitesse. MOSFETs afin de minimiser les pertes de puissance.

• Une LC filtre Le redressement permet de lisser la sortie et d'améliorer la qualité de la tension. La rectification n'élimine pas toutes les ondulations et fluctuations restantes, mais la sortie est traitée avec un filtre LC. L'utilisation d'un filtre LC garantit la qualité de la sortie, en maintenant la sortie DC régulière souhaitée avec un minimum d'ondulation.

Une condition essentielle est un système de rétroaction en boucle fermée qui contrôle la valeur de sortie, nécessaire pour garantir la mise en place de la régulation.

• Une partie de la tension de sortie est échantillonnée et envoyée à travers l'amplificateur d'erreur pour être comparée à la valeur de référence. Le décalage de la tension par rapport à la valeur acceptée fournit un signal d'énergie différentielle de la tension de sortie.

• Dans les conceptions non isoléesle signal de retour à travers la limite d'isolation avec un optocoupleur, isolant électriquement le côté contrôlé du côté commande tout en maintenant le contrôle du signal.

• Contrôle par rétroaction via PWM, le signal de retour modifie le rapport cyclique du contrôleur MLI. Si la tension de sortie diminue, la puissance de sortie est augmentée en augmentant le rapport cyclique. Si la tension augmente, le cycle de sortie est réduit. La puissance est ajustée en permanence. Des boucles de rétroaction bien conçues garantissent la stabilité, la réactivité et la précision du système. Une boucle de rétroaction mal conçue peut produire des comportements oscillatoires ou entraîner une réponse lente aux variations du niveau de tension.

Les compromis : Avantages et inconvénients des SMPS

Après avoir lu "Déconstruire le diagramme : Fonction de chaque bloc", il est facile d'identifier que la conception de l'alimentation permet un niveau primaire de capacité du système. Dans ce contexte, le choix entre une alimentation à découpage (SMPS) et un régulateur linéaire s'accompagne de compromis critiques. Ils présentent tous deux un ensemble de mérites et de démérites, qui ont tous deux une valeur relative.

Pour	Cons
Rendement élevé : Le SMPS atteint un rendement très élevé (80-90%), nettement supérieur à celui des régulateurs linéaires (40-60%). Cela permet de réduire les pertes et la chaleur, d'économiser de l'énergie et de réduire les besoins en refroidissement.	Complexité du circuit : Les circuits SMPS sont plus complexes que les régulateurs linéaires et nécessitent un niveau de compréhension plus élevé de la conception de l'électronique de puissance.
Taille et poids : La fréquence de commutation élevée permet d'utiliser des composants plus compacts (transformateurs, inductances, condensateurs), ce qui rend les SMPS idéaux pour les appareils portables et les applications où l'espace et le poids sont critiques.	Génération de bruit EMI : La vitesse de commutation rapide génère des niveaux plus élevés d'interférences électromagnétiques (EMI), qui peuvent interférer avec d'autres appareils électroniques et dépasser les limites réglementaires. Un blindage et un filtrage appropriés sont nécessaires.
Large gamme de tensions d'entrée : Les SMPS peuvent gérer une large gamme de tensions d'entrée sans perdre la régulation de la sortie, ce qui les rend polyvalents pour des sources d'énergie et des conditions de ligne variées.	Difficulté de conception et d'optimisation : La conception et l'optimisation des SMPS pour une efficacité maximale, une faible ondulation et une stabilité dans des conditions variables peuvent s'avérer très difficiles.
Isolation : Les topologies isolées assurent la sécurité entre l'entrée et la sortie, empêchant les tensions dangereuses d'atteindre les utilisateurs ou les circuits sensibles.	Réponse transitoire : Bien que les SMPS aient amélioré leur réponse transitoire, ils peuvent encore réagir plus lentement aux changements soudains de charge que les régulateurs linéaires idéaux, bien que les régulateurs linéaires aient également des problèmes avec les transitoires importants.

Comme indiqué, ni les SMPS ni les régulateurs linéaires ne sont supérieurs l'un à l'autre, car ils sont tous deux plus performants dans des conditions spécifiques. La précision, les contraintes de taille physique, la quantité de bruit et la complexité influencent le choix de la meilleure solution d'alimentation pour un système donné. Pour ceux qui ne sont pas familiarisés avec ce concept, un bon point de départ consiste à comprendre ce qui suit Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage ?.

Là où les SMPS sont essentiels : Applications clés

Avec tous les avantages qu'offrent les blocs d'alimentation à découpage (SMPS), il n'est pas étonnant que ces blocs d'alimentation soient courants dans toutes les parties de l'électronique d'aujourd'hui. Si un appareil a besoin d'une conversion d'énergie, il y a de fortes chances qu'un SMPS soit impliqué.

• Ordinateurs de bureau : Dans un ordinateur de bureau, un SMPS convertit la tension alternative provenant d'une prise murale en différentes tensions continues requises par la carte mère, l'unité centrale et d'autres périphériques. L'alimentation des appareils informatiques est ainsi peu coûteuse, compacte et fiable.

• Appareils mobiles (smartphones, ordinateurs portables, tablettes) : Les chargeurs de smartphones, de tablettes et d'ordinateurs portables sont généralement basés sur le concept SMPS. Ces unités sont petites et légères et, plus important encore, ne nécessitent pas de gros adaptateurs pour la conversion, tout en restant performantes.

• LED Éclairage : Les LED modernes, comme les LED haute puissance, sont alimentées par des SMPS, ce qui permet d'obtenir un éclairage brillant et économe en énergie dans des lieux tels que les lampadaires, les bureaux et les lieux de divertissement. Par rapport à d'autres sources d'alimentation, les SMPS sont plus efficaces.

• Téléviseurs et écrans : Le système d'alimentation des téléviseurs et des dispositifs d'affichage contient des unités SMPS, qui sont donc incluses dans leur schéma fonctionnel pour montrer la conversion active de l'énergie et la régulation de la tension nécessaires à leur bon fonctionnement.

• Serveurs industriels et équipements de télécommunication : Dans le cas des unités SMPS utilisées dans les serveurs et les systèmes de communication pour les centres de données et les systèmes de télécommunication, l'accent est mis sur la robustesse et l'efficacité de la distribution d'énergie en raison de la nature critique de l'environnement.

• Automatisation industrielle et la robotique : Dans le domaine de l'automatisation industrielle et de la robotique, l'utilisation de la technologie SMPS est indispensable car les systèmes de contrôle, les capteurs et les actionneurs qui alimentent les processus de fabrication et de production ont besoin d'une énergie constante et fiable.

• Dispositifs médicaux : En raison des exigences de sécurité et de fonctionnement, les appareils médicaux dépendent des unités SMPS pour une alimentation stable et fiable. Les appareils de diagnostic électrique, les dispositifs de surveillance, les appareils de maintien en vie et les autres appareils médicaux sensibles sont alimentés de manière optimale et avec un minimum de risques par les unités SMPS.

• Véhicules électriques (VE): Des dispositifs SMPS à haute puissance sont utilisés pour charger le véhicule et pour contrôler les systèmes de batterie du véhicule, ce qui améliore la vitesse de charge et la flexibilité avec les ajustements du niveau de puissance.

• Conversion et isolation de la puissance : Qu'il s'agisse de simples appareils électroniques grand public ou de machines industrielles complexes, ces unités SMPS assurent des fonctions efficaces d'alimentation, de mise hors tension ou d'isolation.

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