Respecter de manière rentable les normes internationales avec des alimentations CA/CC montées sur carte

Les alimentations CA/CC de 3 watts (W) à 20 W montées sur carte sont utilisées dans une variété croissante d'applications, notamment l'Internet des objets (IoT) et l'Internet industriel des objets (IIoT), l'Industrie 4.0, l'automatisation industrielle, les équipements audiovisuels, les équipements informatiques (ITE), les maisons/bâtiments intelligents, les produits blancs et les dispositifs grand public. S'il peut être tentant d'essayer de concevoir des alimentations CA/CC basse puissance, le processus est plus complexe et plus long qu'il n'y paraît à première vue. Les conceptions doivent répondre à des exigences de performances élevées, notamment des plages de tensions d'entrée étendues, une distribution de puissance de crête et des densités de puissance élevées. Elles doivent également être certifiées selon de nombreuses normes internationales en matière de sécurité, de rendement, de puissance en veille et de compatibilité électromagnétique (CEM).

En lieu et place, les concepteurs peuvent utiliser des alimentations CA/CC compactes montées sur carte, qui sont certifiées selon toutes les normes de performances internationales pertinentes, permettant d'accélérer la mise sur le marché. Ces alimentations efficaces présentent de vastes plages de tensions d'entrée et peuvent accepter des entrées CA ou CC pour une grande flexibilité et une compatibilité mondiale.

Cet article explore brièvement les considérations générales relatives aux applications d'alimentation CA/CC. Il présente ensuite trois exemples de convertisseurs de puissance CA/CC montés sur carte de la série RACxx-K de RECOM Power, en identifiant les caractéristiques et les avantages clés des produits spécifiques ainsi que leur application.

Combinaisons de convertisseurs CA/CC

Les alimentations CA/CC peuvent être connectées en série ou en parallèle pour fournir des niveaux de puissance plus élevés ou un fonctionnement remplaçable à chaud redondant (Figure 1).

Figure 1 : Deux convertisseurs CA/CC peuvent être connectés en série pour une tension plus élevée (en haut), ou en parallèle pour un courant plus élevé et/ou un fonctionnement redondant (en bas). (Source de l'image : RECOM Power)

Les alimentations connectées en parallèle (configuration du bas dans la Figure 1) peuvent être utilisées pour fournir des courants plus élevés ou une plus grande fiabilité grâce à la redondance. Des courants plus élevés sont possibles lorsque les deux alimentations fonctionnent à ou près de leurs courants de sortie nominaux. La tension de sortie ne change pas, mais le courant disponible est augmenté, ce qui accroît la puissance de sortie.

Les configurations d'alimentations redondantes utilisent plusieurs alimentations pour améliorer la fiabilité du système, et non pour augmenter le niveau de puissance disponible. Les configurations redondantes peuvent prendre plusieurs formes. Dans une topologie, le système est configuré pour absorber l'énergie uniquement de l'alimentation principale pendant le fonctionnement normal et pour passer automatiquement à l'alimentation de secours en cas de défaillance de l'alimentation principale.

La redondance N+1 est une autre topologie fréquemment utilisée pour augmenter la fiabilité de l'alimentation. Un système N+1 se compose de deux ou plusieurs alimentations. Dans la Figure 1, la configuration du bas peut être utilisée comme architecture redondante avec "N" = 1. Dans ce cas, chacune des alimentations fonctionne à 50 % de sa capacité en fonctionnement normal, et chacune peut fournir la pleine puissance de charge si l'autre alimentation tombe en panne.

Au lieu de mettre en parallèle les alimentations pour augmenter la puissance disponible, on peut aussi l'augmenter en connectant les alimentations en série (configuration du haut dans la Figure 1). Dans cet exemple, les deux alimentations ont la même tension de sortie, V_O, et la configuration en série fournit 2 V_O. Comme le courant fourni à la charge ne change pas, le fait de doubler la tension permet de doubler la puissance effective.

Les deux configurations de la Figure 1 comprennent des diodes ORing pour isoler les sorties des alimentations. Si l'une des alimentations tombe en panne, les diodes ORing protègent le système contre une défaillance catastrophique. Le courant nominal des diodes ORing doit être supérieur au courant nominal de sortie de l'alimentation, et la tension de claquage nominale doit être supérieure à la tension de sortie de l'alimentation.

Considérations d'entrée CA/CC

Bien qu'il existe plusieurs manières de connecter les sorties de deux ou plusieurs alimentations CA/CC ensemble pour des fonctionnalités supplémentaires, il n'est pas possible de connecter les entrées de deux convertisseurs CA/CC pour augmenter la plage de tensions d'entrée. C'est pour cette raison que les alimentations CA/CC à large plage d'entrée (ou entrée universelle) sont de plus en plus populaires. La protection par fusible est également un élément important à prendre en compte pour les entrées d'alimentation CA/CC (Figure 2).

Figure 2 : En général, un seul fusible d'entrée est utilisé (en haut), mais si l'entrée n'est pas polarisée, des fusibles peuvent être placés dans les deux lignes d'entrée (en bas). (Source de l'image : RECOM Power)

L'utilisation de fusibles temporisés (également appelés fusibles à action retardée) est généralement recommandée. Les fusibles peuvent être connectés aux deux lignes d'entrée si l'entrée CA n'est pas polarisée. Les recommandations typiques concernant la taille des fusibles pour les alimentations CA/CC monophasées sont de 1,5 ampère (A) pour les sorties inférieures à 40 W, de 2 A pour les sorties supérieures à 40 W mais inférieures à 60 W, et de 3 A pour les sorties de 60 W ou plus.

Si l'alimentation CA/CC est dotée d'une broche de masse (FG), elle doit être reliée à un point de masse de sécurité. La tension de sortie -V_OUT peut être connectée à FG, référençant la sortie +V_OUT à la masse. Les concepteurs doivent spécifier des interconnexions courtes et épaisses pour garantir des connexions solides afin de réduire davantage les interférences électromagnétiques (EMI) (Figure 3).

Figure 3 : La tension de sortie peut être connectée à la terre pour référencer la sortie à la masse. (Source de l'image : RECOM Power)

3 W pour les applications IoT, IIoT et domestiques

Pour les concepteurs d'applications IoT, IIoT et domestiques nécessitant une puissance de 3 W, RECOM propose l'alimentation CA/CC RAC03E-K/277 qui fournit une sortie de 12 volts (V) CC simple étroitement régulée (d'autres modèles sont disponibles avec des sorties de 3,3 VCC à 24 VCC). Ces alimentations certifiées au niveau international présentent une vaste plage de tensions d'entrée améliorée de 85 VCA à 305 VCA ou de 120 VCC à 430 VCC, et elles sont conformes aux exigences d'alimentation en veille ErP. La série RAC03E-K/277 offre une vaste plage de températures de fonctionnement, délivrant une pleine puissance de sortie de -30°C à +75°C (à l'exception des unités de sortie de 3,3 V qui délivrent une pleine puissance à +70°C), avec un refroidissement par convection naturelle (Figure 4).

Figure 4 : Les dispositifs série RAC03E-K/277 offrent une vaste plage de températures de fonctionnement, délivrant une pleine puissance de sortie de -30°C à +75°C (à l'exception des unités de sortie de 3,3 V qui délivrent une pleine puissance à +70°C). (Source de l'image : RECOM Power)

Ces alimentations ont une empreinte de 36,8 millimètres (mm) par 24,1 mm et une faible hauteur de 15,4 mm. Grâce à leur isolement entrée-sortie de 4 kVCA, elles sont adaptées à une utilisation dans le monde entier, et elles répondent aux normes suivantes :

• Certification UL/CEI/EN62368-1
• Certification CAN/CSA C22.2 No. 62368-1
• EN60335-1 (en attente)
• EN62233 (en attente)
• CEI/EN61558-1/2-16 (en attente)
• Conformité à EN55032/EN55035

10 W pour l'automatisation des processus et les bâtiments intelligents

La tenue en puissance de crête de 140 % de l'alimentation CA/CC de 10 W à sortie de 5 VCC RAC10-05SK/277 répond aux exigences de puissance transitoire des systèmes avec des charges inductives, à fort courant de démarrage ou non linéaires, comme les applications d'automatisation des processus et de bâtiments intelligents (Figure 5). Ces alimentations CA/CC montées sur circuit imprimé disposent de certifications de sécurité internationales pour les normes industrielles et domestiques.

Figure 5 : Les alimentations CA/CC 10 W RAC10-05SK/277 disposent de certifications de sécurité internationales pour les normes industrielles et domestiques. (Source de l'image : RECOM Power)

Les modèles de 10 W sont disponibles avec des tensions de sortie simples de 3,3 VCC à 24 VCC, ou dans des versions à sortie double délivrant ±12 VCC ou ±15 VCC. Ces alimentations sont conformes à CEI62477-1, catégorie III de surtension d'alimentation (OVC III) pour les systèmes industriels utilisés dans des installations fixes, et pour les cas où des exigences spéciales sont imposées pour la fiabilité et la disponibilité de l'équipement. Les alimentations dans ces installations ont typiquement une connexion câblée permanente au tableau de distribution CA. Comme le RAC03E-K/277 de 3 W mentionné précédemment, ces alimentations CA/CC offrent une plage de tensions d'entrée extra-étendue de 85 VCA à 305 VCA ou de 120 VCC à 430 VCC.

Alimentations de 20 W avec puissance à vide ultrafaible

Les concepteurs de dispositifs IoT et intelligents peuvent utiliser les modules CA/CC de 20 W série RAC20-K. Par exemple, la version RAC20-48SK produit une sortie de 48 VCC avec une consommation à vide de seulement 40 milliwatts (mW) en mode toujours actif et en mode veille. Ces alimentations sont conformes à la norme ErP Lot 6 pour le mode veille. Elles sont disponibles avec une vaste plage d'entrée de 85 VCA à 264 VCA, et avec une plage d'entrée extra-large optionnelle de 85 VCA à 305 VCA ou de 120 VCC à 370 VCC. Les versions modifiées de ces alimentations répondent à la norme relative aux alimentations OVC III CEI62477-1. Ces alimentations montées sur circuit imprimé sont disponibles avec des tensions de sortie simples de 5 VCC à 48 VCC, ou dans des versions à sortie double délivrant ±12 VCC ou ±15 VCC. Ces alimentations se caractérisent par un haut rendement de faible charge à pleine charge, comme illustré dans le graphique de la version 5 V RAC20-05SK (Figure 6).

Figure 6 : Le graphique du rendement par rapport à la charge de sortie pour le RAC20-05SK (modèle à sortie 5 V) montre un haut rendement, de faible charge à pleine charge. (Source de l'image : RECOM Power)

Les alimentations CA/CC RAC20-48SK sont conformes aux exigences en matière d'émissions conduites de la norme EN55022 Classe B sans aucun filtrage supplémentaire. Elles affichent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, et sont accompagnées de certifications de sécurité internationales pour les équipements industriels, audiovisuels et informatiques, y compris (* = en attente pour les modèles à entrée extra-large) :

• Certification CEI/EN62368-1
• Certification UL62368-1
• Certification CAN/CSA-C22.2 No. 62368-1-14
• Certification CEI/EN60335 *
• Certification CEI/EN61558-1 *
• Certification CEI/EN61558-2-16 *
• Conformité CEI/EN61204-3 *
• Conformité EN55032/14 *
• Conformité EN55024 *

Deux sorties à partir d'une seule sortie

Comme indiqué précédemment, le RAC03E-K/277 de 3 W est uniquement disponible en conception à une seule sortie. Les alimentations CA/CC RAC10-05SK/277 de 10 W et RAC20-48SK de 20 W sont proposées avec des sorties simples et doubles. Cependant, les configurations à sortie double sont limitées à ±12 VCC ou ±15 VCC. Dans certaines applications, une combinaison différente de tensions de sortie peut être nécessaire. Dans ces cas, les concepteurs peuvent coupler une alimentation CA/CC à sortie simple avec un régulateur à découpage ou un convertisseur CC/CC à plus basse puissance pour fournir une tension de sortie auxiliaire, ou un rail de sortie négatif (Figure 7).

Figure 7 : Il est possible de combiner un régulateur à découpage (R-78xx, en haut) ou un convertisseur CC/CC (en bas) avec une alimentation CA/CC pour produire une tension de sortie auxiliaire (en haut) ou un rail de tension négatif (en bas). (Source de l'image : RECOM Power)

Filtrage EMI supplémentaire

Les alimentations CA/CC série RAC de RECOM présentées dans cet article disposent toutes d'un filtre antiparasite intégré qui répond aux exigences en matière d'émissions conduites EN55022 Classe B. Dans les applications plus exigeantes, un filtrage supplémentaire peut être requis. Lorsqu'un filtre externe est ajouté, il convient d'utiliser une topologie centrale de câblage en étoile et à la terre, et le câblage entre le filtre externe et le convertisseur doit être aussi court que possible (Figure 8).

Figure 8 : Les alimentations CA/CC RAC de RECOM répondent aux exigences en matière d'émissions conduites EN55022 Classe B. Un filtre externe peut être ajouté si nécessaire. (Source de l'image : RECOM Power)

Conclusion

La demande en matière d'alimentations CA/CC basse puissance montées sur carte continue de croître, mais ces systèmes restent complexes. Si le concepteur n'est pas initié aux subtilités de conception, de test et de conformité des alimentations, la conception à partir de zéro peut prendre du temps et entraîner des coûts supplémentaires et des retards dans le calendrier de développement, et exiger un espace carte plus important que nécessaire.

Dans de nombreux cas, une meilleure option consiste à choisir parmi une gamme d'alimentations CA/CC montées sur carte, compactes et prêtes à l'emploi. Comme illustré, celles-ci sont disponibles dans une grande variété de plages de tensions d'entrée et peuvent accepter des entrées CA ou CC. De plus, elles sont probablement déjà certifiées selon toutes les réglementations de conformité et normes de performances internationales pertinentes.

Lecture recommandée

1. Guide de sélection et d'utilisation des sources d'alimentation IoT et IIoT