Qu’est-ce qu’une alimentation à découpage ?
Une alimentation à découpage (SMPS) est une alimentation qui intègre un circuit de conversion de puissance très efficace appelé régulateur à découpage.
Les équipements électroniques équipés de circuits intégrés et de microcontrôleurs nécessitent un courant continu stable avec de faibles fluctuations de tension. Les alimentations stabilisées peuvent être linéaires ou à découpage, mais les alimentations linéaires sont traditionnellement la norme.
Dans le cas des alimentations linéaires, le circuit est simple : une tension alternative de 100 V est convertie en une tension alternative constante, et le courant alternatif est redressé en utilisant la propriété de la diode de faire circuler le courant vers l’avant, mais pas vers l’arrière. Il est ensuite lissé à l’aide de condensateurs. Cette méthode présentait toutefois l’inconvénient de ne pas pouvoir réduire la taille de l’alimentation ou d’en améliorer l’efficacité.
Les alimentations à découpage ont résolu ce problème. Alors que les alimentations linéaires convertissent le courant alternatif commercial en tension et le redressent ensuite, les alimentations à découpage redressent d’abord le courant alternatif commercial en courant continu et le convertissent ensuite en tension, ce qui est exactement la méthode inverse.
Les alimentations à découpage le convertissent ensuite en courant alternatif à impulsions en l’allumant et en l’éteignant et en l’introduisant dans un transformateur à haute fréquence. La caractéristique des alimentations à découpage est qu’elles peuvent être plus petites et plus légères, mais les circuits sont plus complexes.
Utilisations des alimentations à découpage
Par rapport aux alimentations linéaires classiques, les alimentations à découpage présentent des circuits nettement plus complexes, mais elles ont l’avantage d’être extrêmement compactes grâce à l’utilisation de circuits intégrés dans les circuits de stabilisation. Le fait que l’alimentation ne contienne pas de gros et lourd transformateur de puissance (un dispositif qui utilise l’induction électromagnétique pour convertir la hauteur de la tension d’alimentation en courant alternatif), comme c’est le cas pour les alimentations simplifiées, permet de la rendre plus petite et plus légère.
En raison de cette compacité et de cette légèreté, les utilisations des alimentations à découpage comprennent les adaptateurs de courant alternatif pour les téléphones portables. Elles sont également très compatibles avec les petits appareils électroniques tels que les PC et les tablettes, qui sont souvent transportés.
Ces dernières années, afin de promouvoir davantage cette miniaturisation, des dispositifs GaN à haute puissance et à haut rendement ont été incorporés dans les alimentations à découpage pour adaptateurs CA, permettant ainsi d’obtenir des adaptateurs CA encore plus petits que les dispositifs Si conventionnels.
Principe des alimentations à découpage
Le principe des alimentations à découpage est l’inverse de celui des alimentations linéaires conventionnelles. Alors que les alimentations linéaires utilisent un transformateur pour convertir le courant commercial en tension et le redresser ensuite, les alimentations à découpage redressent d’abord le courant alternatif commercial en courant continu et le convertissent ensuite en tension. Cependant, une fois redressée, la conversion de la tension ne peut plus être effectuée à l’aide d’un transformateur.
C’est pourquoi dans les alimentations à découpage le courant redressé est converti en courant alternatif à impulsions par la commutation à grande vitesse d’éléments semi-conducteurs. Tels que des transistors et des MOS FET, qui sont ensuite acheminés vers un transformateur à haute fréquence. Cela augmente le nombre de composants et de circuits nécessaires et les rend plus complexes, mais cette complexité est la clé des alimentations à découpage.
Il existe différentes méthodes de contrôle pour les alimentations à découpage, dont la modulation de largeur d’impulsion (PWM) est un exemple typique. Il s’agit d’une méthode permettant de stabiliser la tension en ajustant la durée du cycle de commutation marche/arrêt, c’est-à-dire la largeur de l’onde d’impulsion, de manière à ce que la surface de chaque impulsion soit la même. Les alimentations à découpage peuvent également se caractériser par une efficacité accrue, car la sortie peut être ajustée par la mise en marche et l’arrêt.
De plus, les impulsions des alimentations à découpage ont une fréquence élevée de dizaines de kHz à plusieurs centaines de kHz, de sorte que le transformateur peut être petit et léger. Cependant, les hautes fréquences augmentent les pertes dans le noyau de fer, c’est pourquoi on utilise des noyaux de ferrite. Cela permet d’augmenter l’efficacité de l’alimentation électrique et d’économiser de l’énergie.
Le noyau de ferrite est fixé à une tige d’un matériau appelé ferrite qui enveloppe le câble, ce qui absorbe le champ magnétique généré par le courant de bruit à haute fréquence circulant dans le câble et le convertit en chaleur, réduisant ainsi le bruit.
Le point faible des alimentations à découpage est le bruit généré par la commutation à grande vitesse, mais il devrait être réduit grâce à la technologie de la ferrite.
Autres informations sur les alimentations à découpage
1. Fréquence des alimentations à découpage
Les alimentations à découpage convertissent la tension de sortie en une valeur de tension spécifiée en ajustant le temps ON/OFF pour l’opération de commutation par des éléments semi-conducteurs. La fréquence du signal qui commande cette commutation ON/OFF est appelée “fréquence de commutation”.
2. Pourquoi la tension de 24 V est-elle souvent utilisée ?
Dans les produits électriques qui utilisent des alimentations à découpage, la tension de sortie requise pour l’alimentation est souvent de 24 V DC. La raison en est, selon diverses théories, que les circuits de commande ont besoin de cette tension.
Dans le passé, le courant continu était souvent alimenté par des piles, de sorte que la théorie veut qu’il soit déterminé par un multiple intégral de la cellule de 1,5 V d’une pile sèche. Dans les appareils plus petits, 6 V, 9 V, 12 V, etc. sont également utilisés de la même manière, mais il s’agit également de multiples entiers de 1,5.
Avant que les circuits de commande utilisés dans l’automatisation des usines ne soient remplacés par des PLC (automates programmables), les circuits étaient constitués de relais électromagnétiques et la tension était utilisée pour activer les relais. C’est la raison pour laquelle le 24 V est encore souvent utilisé aujourd’hui. D’autres raisons justifient l’utilisation du 24 VDC, comme sa résistance aux environnements bruyants.
3. Bruit dans les alimentations à découpage
Les alimentations à découpage utilisent des éléments de commutation pour activer et désactiver le courant à grande vitesse, de sorte qu’il est inévitable que des bruits à haute fréquence soient générés. L’histoire du développement des alimentations à découpage a été marquée par l’augmentation de l’efficacité et, en même temps, par l’impératif de la lutte contre le bruit. Les alimentations à découpage modernes sont équipées de diverses mesures de lutte contre le bruit.
Les alimentations à découpage sont elles-mêmes des sources de bruit. Le bruit n’est pas seulement ajouté à la ligne d’alimentation de sortie, mais devient également une onde électromagnétique qui affecte l’équipement électronique.
Les contre-mesures au bruit comprennent les techniques suivantes
- Réflexion.
Utilisation d’inductances et de condensateurs comme filtres pour empêcher la transmission des composants du bruit.
- Absorption
Absorber le bruit avec des noyaux de ferrite et le convertir en chaleur ou autre énergie.
- Dérivation
Fait tomber le bruit à la terre à l’aide de condensateurs, etc.
- Blindage
Les composants du bruit rayonné sont mis à la terre avec un boîtier métallique ou absorbés avec un matériau en ferrite ou un autre matériau absorbant les ondes radio.
4. Exemples détaillés de suppression du bruit pour les alimentations à découpage
L’un des types de bruit les plus couramment traités est le bruit de mode commun et le bruit différentiel.
Bruit de mode commun
Il s’agit du bruit qui s’échappe à travers la capacité parasite générée entre le circuit imprimé de l’alimentation à découpage et le boîtier de l’appareil, et qui revient du côté de l’alimentation via la masse (GND) comme un chemin de boucle. On l’appelle ainsi parce que la direction du courant de bruit aux pôles positif et négatif de l’alimentation est la même pour chacun d’eux.
Bruit différentiel
Dans ce cas, le courant de bruit provenant d’une source de bruit entre dans le circuit d’alimentation à découpage en série avec la ligne d’alimentation et retourne du côté de l’alimentation via la ligne d’alimentation. Comme son nom l’indique, la direction de chaque courant de bruit aux pôles positif et négatif de l’alimentation est opposée et est également appelée bruit en mode normal.
En général, le bruit en mode commun rayonne plus que le bruit en mode normal, mais les deux doivent être neutralisés si le niveau de bruit autorisé est dépassé. La première méthode consiste à raccourcir la longueur du câble du chemin ou à utiliser des fils torsadés.
Pour des contre-mesures à grande échelle, des filtres de bruit doivent être ajoutés. Les bobines d’arrêt sont efficaces contre le bruit de mode commun. Des condensateurs de dérivation à la masse, appelés passcons, sont également utilisés. La suppression du bruit différentiel est obtenue en connectant des condensateurs entre les lignes électriques circulant dans des directions opposées.