Concevoir une alimentation à découpage à l'aide d'une topologie indirecte isolée

Comme tous les systèmes électroniques nécessitent un certain type de puissance, la caractérisation et la compréhension des alimentations sont bien établies. Cependant, la conception et la sélection d'une alimentation restent un défi pour les ingénieurs, en raison de la tendance visant à atteindre un format plus compact, un rendement et une fiabilité plus élevés et une meilleure intégrité de puissance dans les applications, des dispositifs mobiles aux matériels alimentés par secteur.

Avec les systèmes de communication de données à haut débit comme la technologie émergente 5G, les exigences en matière de temporisation et de marge de bruit deviennent relativement extrêmes.

Pour résoudre le problème d'une alimentation efficace et fiable dans un format compact, les concepteurs d'alimentation utilisent des alimentations à découpage (SMPS) avec une topologie indirecte. Cette topologie, utile pour les niveaux de puissance atteignant 150 W, fournit des conceptions avec un faible nombre de composants pour limiter le format et le coût. Elle fournit également un isolement entrée/sortie et un excellent rendement.

Cet article aborde le fonctionnement des alimentations à découpage et explore brièvement le choix entre achat et fabrication des alimentations. Il étudie également la conception d'une alimentation à sortie unique exploitant une topologie indirecte, avec une conception d'exemple utilisant des pièces et composants déjà disponibles.

Alimentations à découpage

Une alimentation à découpage est une source d'énergie utilisant un régulateur à découpage pour stabiliser les tensions de sortie d'une source CA ou CC. Le régulateur à découpage utilise un ou plusieurs dispositifs à semi-conducteurs comme un transistor bipolaire à jonctions, MOSFET ou IGBT en alternant les états d'activation et de désactivation pour conserver la régulation de la tension de sortie. Ces dispositifs peuvent fonctionner avec une durée d'activation fixe et une fréquence variable, ou plus couramment à une fréquence fixe et un rapport cyclique variable. La faible dissipation de puissance du dispositif de commutation, que ce soit en mode activé ou désactivé, génère un haut rendement. Le dispositif dissipe de la puissance uniquement pendant la transition entre les deux états. En outre, comme la fréquence de commutation est généralement de l'ordre de dixièmes de kilohertz, les transformateurs, inducteurs et condensateurs peuvent être plus petits et fournir un haut rendement volumétrique.

La possibilité d'interférences électromagnétiques nuit aux avantages d'une alimentation à découpage. Cela résulte des transitoires de commutation, mais peut être amélioré en réalisant minutieusement la sélection, la configuration et le blindage des composants. Ainsi, les avantages de l'alimentation à découpage dépassent de loin ses inconvénients pour en faire l'alimentation la plus couramment utilisée, reléguant ainsi les alimentations linéaires aux applications électroniques les plus sensibles uniquement.

Topologie d'une alimentation à découpage

Une alimentation à découpage peut être réalisée avec des conceptions et topologies de circuit très diversifiées. Il existe plus d'une douzaine de topologies couramment utilisées (Tableau 1).

Tableau 1 : Les 10 topologies d'alimentation à découpage les plus fréquemment utilisées. (Source des données : DigiKey Electronics)

Topologie indirecte

Le convertisseur indirect est le circuit d'alimentation à découpage le plus fréquemment utilisé (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un convertisseur indirect utilisant un commutateur MOSFET unique et un transformateur indirect. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le principal avantage d'une topologie indirecte est sa simplicité. À tous les niveaux de puissance donnés, c'est celle qui présente le moins de composants parmi les topologies d'alimentation à découpage. L'alimentation peut être fournie par une source CC ou CA. Une fois configurée pour fonctionner depuis une ligne CA (secteur), la ligne présente généralement un redressement des deux alternances. La source d'entrée (V_i) est CC.

Le cœur du circuit est le transformateur indirect. Contrairement aux enroulements des transformateurs conventionnels, les enroulements primaire et secondaire du transformateur indirect ne transportent pas le courant en même temps. Cela résulte de l'inversion de la phase d'enroulement, comme l'indique la notation par points sur les enroulements et la diode en série du côté secondaire.

L'utilisation du transformateur indirect offre de nombreux avantages. Le premier est l'isolement électronique du côté primaire et du côté secondaire de l'alimentation. L'isolement réduit le couplage des transitoires du côté primaire, élimine les boucles de masse et fournit une meilleure flexibilité dans la polarité de sortie de l'alimentation.

Le transformateur permet de générer plusieurs tensions de sortie dans l'alimentation. Des enroulements supplémentaires sont ajoutés au transformateur pour chaque tension. La régulation est uniquement basée sur une sortie unique et les sorties secondaires sont généralement régulées localement.

Le fonctionnement du circuit commence par l'activation du commutateur (par exemple un MOSFET) (Figure 2).

Figure 2 : Fonctionnement de l'alimentation indirecte montrant les principales formes d'ondes pour chacun des deux modes de fonctionnement. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Lorsque le commutateur est actif, la tension V_DRAIN est proche de zéro volt et le courant, I_P, circule via l'enroulement primaire du transformateur. L'énergie est stockée dans l'inductance magnétisante du transformateur. Le courant augmente de façon linéaire au fil du temps. Du côté secondaire, la polarisation de la diode en série est inversée et aucun courant ne circule dans la partie secondaire. L'énergie stockée dans le condensateur de sortie alimente la sortie.

Lorsque le commutateur MOSFET est désactivé, l'énergie stockée dans le transformateur est transmise via la diode vers le condensateur de sortie et la charge de sortie. Le courant secondaire démarre à une valeur élevée et diminue de façon linéaire. Si le courant secondaire tombe à zéro avant la réactivation du commutateur, l'alimentation est appelée alimentation en mode de courant discontinu (DCM). Si le courant secondaire ne tombe pas à zéro, alors l'alimentation est appelée alimentation en mode de courant continu (CCM). Comme l'énergie stockée dans l'inductance est entièrement déchargée à chaque cycle de commutation, l'alimentation DCM peut utiliser un transformateur plus petit. En outre, l'alimentation est généralement plus stable et produit des interférences électromagnétiques réduites.

L'énergie stockée dans l'inductance de fuite du transformateur circule dans la partie primaire lorsque le commutateur est désactivé et elle est absorbée par le blocage d'entrée ou le circuit d'amortissement, dont la fonction est de protéger le commutateur à semi-conducteurs des hautes tensions inductives. La puissance est dissipée uniquement pendant les transitions du commutateur entre les états d'activation et de désactivation (Figure 3).

Figure 3 : Mesure d'une alimentation indirecte montrant les formes d'ondes de tension et de courant sur un commutateur MOSFET, ainsi que la dissipation de puissance instantanée. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La trace supérieure dans la Figure 3 illustre la tension dans le commutateur MOSFET avec une alimentation indirecte. Les couches colorées indiquent l'état du MOSFET. La couche en bleu indique que le dispositif est en mode conducteur, tandis que les zones rouges indiquent que le dispositif est désactivé. La trace centrale illustre le courant traversant le dispositif. La trace inférieure montre la puissance instantanée calculée comme le produit de la tension appliquée et du courant résultant. Notez que la dissipation de puissance est plus importante durant les transitions de commutation. Les lectures sous la trace affichent (de gauche à droite) : les pertes de puissance pendant l'activation, la conduction, la désactivation, pendant l'état de désactivation et les pertes de puissance totales pour toutes les zones.

Contrôleurs/régulateurs

Le dispositif de commutation, comme le MOSFET du schéma (Figure 2) est commandé par un contrôleur ou un régulateur à découpage. Dans la plupart des cas, le contrôleur applique une forme d'ondes PWM à l'élément de contrôle du commutateur, c'est-à-dire la grille pour les MOSFET. La sortie de l'alimentation est recouplée au contrôleur, ce qui change le rapport cyclique du signal d'attaque de grille pour maintenir une tension de sortie constante. Ainsi, le contrôleur forme un système de contrôle en boucle fermée autour du convertisseur indirect.

Les contrôleurs peuvent également gérer plusieurs fonctions auxiliaires, comme la protection de l'alimentation contre les surcharges, les surtensions ou les conditions de ligne trop faible. Ils peuvent également gérer le démarrage de l'alimentation pour garantir un démarrage (progressif) bien contrôlé, en limitant les transitoires de tension et de courant initiaux.

Conception d'une alimentation à découpage

De nombreux fournisseurs de composants à semi-conducteurs offrent des outils de conception pour faciliter la conception des alimentations à découpage, comme WEBENCH Power Designer de Texas Instruments (Figure 4).

Figure 4 : La page d'accueil du WEBENCH Power Design Center de Texas Instruments affiche les spécifications de base d'une conception d'alimentation à découpage pour une alimentation indirecte de 25 W et 5 V. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La conception commence avec les spécifications de l'alimentation saisies par l'utilisateur, notamment la plage de tensions d'alimentation, la tension de sortie souhaitée et l'intensité. Dans cet exemple, la conception souhaitée concerne une alimentation CA de 5 V, 5 A avec une topologie isolée. Pour des alimentations plus complexes à sorties multiples, il existe un outil de conception avancé, Power Architect.

Après cette étape, le logiciel initie une série de conceptions et d'invites pour que l'utilisateur choisisse le contrôleur. L'utilisateur peut examiner chaque conception et afficher le schéma, le coût de nomenclature, le rendement et une dizaine d'autres spécifications relatives au circuit.

Dans cet exemple, le convertisseur indirect UCC28740 de Texas Instruments a été sélectionné et le schéma de conception est affiché (Figure 5).

Figure 5 : Schéma d'une alimentation à découpage CA de 25 W utilisant une rétroaction optiquement isolée suggérée par WEBENCH. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Il suffit de pointer le curseur sur un composant du schéma pour afficher une description détaillée de la pièce et pouvoir sélectionner un composant alternatif. Le contrôleur (U1) reçoit une rétroaction de la sortie via un photocoupleur PS2811-1-F3-A de CEL. Cette méthode de rétroaction maintient l'isolement électrique entre les sections primaire et secondaire du circuit. Le contrôleur fournit le signal d'attaque PWM au commutateur de puissance M1, le MOSFET STB21N90K5 de 900 V, 18,5 A de STMicroelectronics. L'outil de conception permet également de sélectionner ou de concevoir un transformateur indirect.

Une page de synthèse de conception fournit un aperçu des principaux éléments de conception (Figure 6).

Figure 6 : La synthèse de conception consolide tous les éléments de la conception suggérée. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La section d'accord de l'optimiseur permet à l'utilisateur d'optimiser la conception pour les coûts de nomenclature les plus bas, l'empreinte la plus compacte, ou le rendement le plus élevé. L'utilisation de cet outil permet aux concepteurs inexpérimentés d'améliorer leur expérience en examinant les diverses conceptions et en étudiant les effets des modifications de composant.

Fabrication ou achat ?

Il est certain qu'à moins que l'ingénieur n'affiche une expérience en alimentation à découpage, il y aura une courbe d'apprentissage. Si le délai de commercialisation est un facteur important, il est probablement préférable d'acheter une alimentation standard ou de sous-traiter une conception d'alimentation personnalisée. Si vous avez le temps et les ressources techniques nécessaires, et particulièrement si plusieurs projets nécessitent des alimentations, alors la conception d'une alimentation est plus avantageuse. Cela étant dit, une familiarisation continue à la conception d'alimentations à découpage permettra d'améliorer l'expertise de l'équipe de conception.

Conclusion

Les alimentations à découpage présentent un rendement élevé et un petit format. Pour les niveaux de puissance inférieurs à 150 W, les alimentations à topologie indirecte présentent l'avantage de sorties multiples, d'un faible nombre de composants et d'un isolement des lignes.