Découvrez l'art et la science de la conception d'une alimentation à découpage

Mon premier projet de conception en tant que jeune ingénieur électricien en 1975 a été l'expanseur E/S HP 9878A pour l'ordinateur de bureau HP 9825A. J'avais la responsabilité de concevoir tous les aspects électroniques du projet et je devais travailler en tandem avec Jerry Nichols, l'ingénieur HP chargé de la conception mécanique du projet.

Sur le principe, l'expanseur E/S ressemblait beaucoup aux concentrateurs USB d'aujourd'hui. Il s'agit de prendre le port E/S d'un ordinateur et de « l'étendre » en plusieurs ports. Le rôle de l'expanseur E/S HP 9878A était de transformer un connecteur E/S en sept connecteurs. Comme toutes les cartes E/S avaient des noms d'épices (Parsley [Persil], Sage [Sauge] et Rosemary [Romarin]), le nom de code pour le projet d'expanseur E/S est immédiatement devenu « Spice Rack » (étagère à épices). Spice Rack a été lancé en 1976 (Figure 1).

Figure 1 : L'expanseur E/S HP 9878A (vers 1976) utilisait la régulation de puissance linéaire pour ses alimentations 5 V, 12 V et -12 V, car la conception de régulateur à découpage était encore tout un art à l'époque. (Crédit photo : Steve Leibson)

Une partie de ce travail de conception consistait à alimenter les cartes E/S branchées aux sept connecteurs de l'expanseur. Chaque carte pouvait absorber un maximum de 500 mA depuis le rail 5 V régulé du connecteur E/S, et 100 mA depuis les rails régulés de 12 V et de -12 V. L'alimentation de l'expanseur E/S devait donc fournir 3,5 A à 5 V (en plus des 5 V requis par les circuits internes de l'expanseur E/S) et un maximum de 700 mA pour les alimentations régulées de 12 V et de -12 V.

Les exigences d'alimentation 12 V du HP 9878A ont été facilement atteintes grâce aux nouveaux (à l'époque) régulateurs à trois bornes µA7812 et µA7912, mais aucune solution évidente n'était disponible pour l'alimentation régulée de 5 V, qui devait fournir près de 4 A. Après quelques recherches rapides, j'ai choisi le circuit intégré de régulateur ajustable µA723 en boîtier TO-5 à 10 broches, qui nécessitait plusieurs composants de support supplémentaires et un transistor de puissance NPN 2N3055 externe dans un grand boîtier TO-3 robuste.

Petite parenthèse : le légendaire Bob Widlar a conçu le circuit intégré de régulateur ajustable µA723 en 1967, qui s'est avéré remarquablement résistant. Comme la plupart des conceptions de circuits intégrés analogiques de Bob Widlar, le régulateur µA723 est encore disponible à grande échelle, même aujourd'hui. Plutôt pas mal pour un circuit intégré vieux d'un demi-siècle.

Les régulateurs à trois bornes et le transistor de puissance 2N3055 étaient boulonnés à un panneau en aluminium solidement fixé au châssis en aluminium moulé du HP 9878A pour la dissipation thermique, tandis que le régulateur ajustable µA723 à montage sur carte disposait d'un petit dissipateur thermique à pince. La dissipation thermique n'a jamais été un problème avec cette conception.

Les régulateurs à trois bornes µA7812 et µA7912 restent peut-être encore les meilleures options aujourd'hui, même après presque 45 ans, mais je ne choisirais plus le régulateur ajustable µA723 ni le transistor ballast NPN 2N3055. Pour réduire la chaleur résiduelle excessive, la conception de l'alimentation du HP 9878A nécessitait un transformateur de puissance bobiné personnalisé, de sorte que le rail d'alimentation CC non régulé soit légèrement plus élevé que le rail régulé de 5 V. Cependant, à l'époque, HP avait son propre atelier de transformateurs et les transformateurs bobinés sur mesure n'étaient pas un problème. À présent, la situation est différente : je n'utiliserais pas d'alimentation linéaire pour ce genre de tâche aujourd'hui.

En 1975, la conception d'alimentation à découpage n'en était qu'à ses balbutiements. En fait, il s'agissait plus d'un art que d'une science et il existait peu de circuits intégrés pour aider à concevoir les alimentations à découpage. En vérité, il n'y en avait pas. Aujourd'hui, il s'agit beaucoup plus d'une science et on trouve de très nombreux régulateurs de puissance à découpage sur le marché sous forme de circuits intégrés, mais je continue de penser que la conception d'alimentations à découpage efficaces et fiables reste en grande partie une forme d'art. Comme avec tous les arts, les artistes doivent commencer par apprendre les règles. Ce n'est qu'ensuite qu'ils peuvent s'affranchir de ces règles, et seulement lorsque cela présente pour eux un avantage.

Il existe de nombreuses ressources pour vous aider à apprendre l'art et la science de la conception d'une alimentation à découpage. Parmi les meilleures ressources, on trouve les kits d'évaluation et les formations associées conçus par Texas Instruments (TI) pour la série Power Management Lab Kit (PMLK). La série inclut :

Chacun de ces trois produits inclut une carte d'évaluation et un manuel couvrant respectivement la conception d'alimentations à découpage de types abaisseur et élévateur et les régulateurs à faible chute de tension (LDO). Vous aurez peut-être également besoin de LDO pour la conception d'une alimentation à découpage pour dériver plusieurs tensions d'alimentation régulée à faible intensité à partir de l'alimentation à découpage régulée.

Tous ces manuels de TI incluent des tests basés sur les cartes d'évaluation. Lorsque vous aurez étudié tous les tests de ces trois manuels PMLK, vous en saurez beaucoup sur la science de l'alimentation. J'aurais vraiment aimé avoir ces ressources il y a 45 ans.

À propos de l'auteur

Image of Steve Leibson Steve Leibson a été ingénieur système pour HP et Cadnetix, rédacteur en chef pour EDN et Microprocessor Report, blogger technique pour Xilinx et Cadence (entre autres), et il est intervenu en tant qu'expert technologique dans deux épisodes de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Il a aidé les ingénieurs de conception à développer des systèmes améliorés, plus rapides et plus fiables pendant 33 ans.
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