Introduction aux alimentations à découpage (SMPS)

Alimentations à découpage (SMPS) sont relativement complexes par rapport aux alimentations régulées linéaires. Mais cette complexité permet d'obtenir une alimentation en courant continu stable et régulée qui peut fournir de l'énergie de manière plus efficace pour une taille, un poids et un coût donnés. Cet article est le premier d'une série consacrée aux alimentations à découpage, à leurs différentes topologies, à leurs avantages et à leurs applications.

Introduction : Les bases de la conversion d'énergie

Une alimentation prend du courant non régulé et le convertit en un courant stable et régulé. Les équipements électroniques sont généralement alimentés par des sources de courant continu basse tension, dont la source est soit une batterie, soit une combinaison de batterie et de convertisseur DC/DC, soit une alimentation convertissant le courant alternatif en une ou plusieurs sources de courant continu basse tension.

Un bloc d'alimentation est un élément important dans le processus de conversion de l'énergie. Presque tous les équipements électroniques ont besoin d'une alimentation en courant continu qui soit bien régulée, qui présente des caractéristiques de faible bruit et qui permette une réponse rapide aux variations de charge. Certaines alimentations fournissent également une isolation de l'entrée à la sortie pour la sécurité et la protection contre les transitoires.

Il existe deux types d'alimentations régulées : alimentations régulées linéaires et les alimentations à découpage (SMPS). Nous parlerons principalement des SMPS, mais une comparaison rapide des deux types de SMPS fournira un contexte supplémentaire.

Alimentation linéaire vs. SMPS

Les principaux avantages d'un SMPS sont l'efficacité, la taille et le poids. Une alimentation linéaire contient un transformateur de réseau et un régulateur dissipatif en série. Cela signifie que l'alimentation a des transformateurs 50/60 Hz extrêmement grands et lourds et des rendements de conversion de puissance très médiocres, ce qui constitue deux inconvénients majeurs.

La conception des alimentations à découpage est relativement complexe par rapport aux alimentations régulées linéaires. Toutefois, cette complexité de conception permet d'obtenir une alimentation en courant continu stable et régulée, capable de fournir plus de puissance de manière efficace pour une taille, un poids et un coût donnés.

En utilisant des fréquences de commutation élevées, la taille des composants magnétiques et des composants de filtrage associés dans le SMPS est considérablement réduite par rapport à l'alimentation linéaire. Par exemple, un SMPS fonctionnant à 20 kHz permet de réduire la taille des composants de 4 fois, et cette réduction passe à environ 8 fois à 100 kHz et plus. Cela signifie qu'un SMPS peut produire des alimentations très compactes et légères. De nos jours, il s'agit d'une exigence essentielle pour la majorité des systèmes électroniques.

Aperçu des SMPS

Les alimentations à découpage utilisent des dispositifs de commutation à haute fréquence pour transférer l'énergie électrique de la source à la charge de manière très efficace. L'action de commutation est contrôlée par la modulation de largeur d'impulsion (MLI) et la régulation de la tension est obtenue en faisant varier le rapport cyclique de la MLI.

Les équipements électroniques devenant de plus en plus petits, le marché exige que les convertisseurs de puissance fassent de même. Depuis l'introduction des techniques à découpage, il s'agit d'un processus évolutif plutôt que révolutionnaire. Le marché mondial étant une réalité, les alimentations fonctionnent à partir de larges plages d'entrée pour couvrir les variations de l'alimentation secteur dans le monde entier.

Circuit SMPS de base

• Redresseur d'entrée et filtre : Utilisé pour convertir une entrée CA en CC. Un SMPS avec une entrée CC ne nécessite pas cet étage. Le redresseur produit un courant continu non régulé qui passe ensuite par le circuit de filtrage.
• Onduleur : L'étage onduleur convertit le courant continu (qu'il provienne directement de l'entrée ou de l'étage redresseur) en courant alternatif en le faisant passer par un oscillateur de puissance, dont le transformateur de sortie est très petit et comporte peu d'enroulements à une fréquence de 10 à quelques centaines de KHz.
• Transformateur de commutation : Si la sortie doit être isolée de l'entrée, le SMPS utilise un transformateur à haute fréquence comme isolateur entre l'élément de commutation et la sortie. Ce transformateur convertit la tension vers le haut ou vers le bas au niveau de sortie requis sur son enroulement secondaire.
• Redresseur de sortie et filtre : Convertit le courant alternatif en courant continu.
• Règlement : Le circuit de rétroaction surveille la tension et le courant de sortie et les compare à la tension et au courant de référence pour maintenir la tension de sortie régulée/constante.

Topologies SMPS

Les circuits SMPS contiennent des réseaux de transformateurs, d'inductances de stockage d'énergie et de filtrage, de condensateurs et de commutateurs et redresseurs électroniques de gestion de l'énergie. Leur disposition particulière est appelée topologie.

Un SMPS réduit la taille et améliore l'efficacité en augmentant la fréquence de fonctionnement. Les compromis sont l'augmentation de l'ondulation et du bruit (à la fois conduit et rayonné EMI) sur la sortie, qui doivent être gérés

Facteurs à prendre en compte lors de la sélection d'une topologie pour une application particulière :

• Une isolation diélectrique entre l'entrée et la sortie est-elle nécessaire ?
• La tension de sortie est-elle supérieure ou inférieure à toute la plage de la tension d'entrée ?
• Des sorties multiples sont-elles nécessaires ?
• La topologie envisagée impose-t-elle une tension raisonnable aux semi-conducteurs de tension ?
• La topologie envisagée impose-t-elle une contrainte de courant raisonnable aux semi-conducteurs de tension ?
• Quelle est la tension maximale appliquée au primaire du transformateur et quel est le rapport cyclique maximal ?
• Quelle est la puissance maximale autorisée ?

Types de SMPS

Les SMPS peuvent être classés en deux types en fonction de la topologie du circuit : convertisseurs non isolés et convertisseurs isolés.

• Convertisseurs non isolés: la source d'entrée et la charge de sortie partagent un chemin de courant commun pendant le fonctionnement et l'énergie est transférée à travers des éléments de stockage d'énergie (inducteurs et condensateurs).
• Convertisseurs isolés: l'énergie est transférée par l'intermédiaire de composants magnétiques couplés mutuellement (transformateurs), le couplage entre l'alimentation et la charge étant réalisé uniquement par l'intermédiaire d'un champ électromagnétique, ce qui permet une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie.

Dans la plupart des applications, la topologie SMPS contient un transformateur de puissance pour assurer l'isolation, la mise à l'échelle de la tension par le rapport des spires et la capacité de fournir des sorties multiples. Cependant, il existe des topologies non isolées telles que les convertisseurs buck, boost et buck-boost, où le traitement de l'énergie est réalisé par le seul transfert d'énergie inductive.

Le tableau ci-dessous présente les niveaux de puissance de sortie maximum typiques des différentes topologies.

Méthodes de commutation

L'opération de commutation peut être ’dure’ ou ’douce’.

Conclusion

Bien que relativement complexes, les alimentations à découpage sont de plus en plus populaires en raison de leur taille, de leur poids et de leur efficacité.

Dans notre prochain article, nous examinerons de plus près les aspects suivants convertisseurs non isolés et leurs applications.