TopDictionnaire techniqueAlimentations à découpage „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Alimentations à découpage „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Les dispositifs d’alimentation à impulsions ont pratiquement éliminées ceux linéaires traditionnels ; aujourd’hui, c’est un groupe le plus grand et le plus populaire des dispositifs d’alimentation. Par rapport à ceux linéaraires, les dispositifs à impulsions se distinguent par de petites dimensions, un faible poids, une grande efficacité, une capacité importante et un bon prix. Par contre, la structure complexe, le niveau beaucoup plus élevé de perturbations générées par le dispositif d'alimentation et le niveau plus grand de perturbations à la sortie sont un certain inconvénient.

 

Types d'alimentations à découpage les plus fréquants :

 

A - pupitre

B - de module

C - LED

D - avec prise

E - pour un rail DIN

Règle principale de fonctionnement d'une alimentation à découpage 

Les dispositifs d’alimentation à impulsion utilisent utilise une modulation de largeur d’impulsions PWM (Pulse Width Modulation), alors la tension de sortie du dispostif d’alimentation est réglée par un changement de rapport cyclique en cas fréquence constante et inchangée.

 

La figure ci-dessous présente le principe de fonctionnement de PWM.

 

U - tension

t - temps

Uin - tension d'entrée

Uout - tension de sortie

T - période (nombre de périodes par seconde c'est la fréquence exprimée en Hz, kHz ou MHz)

t1 - durée d'impulsion (état élevé)

t2 - pas d'impulsion

Le raccourcissant la durée d'impulsion (t1) fait réduire la valeur moyenne de la tension de sortie (Uout), et inversement : l’augmentation de la durée d'impulsion (t1) fait augmenter la valeur moyenne de la tension de sortie (Uout). Les graphiques ci-dessus démontrent ce phénomène:

  • à gauche – un rapport cyclique faible – une moindre valeur de tension de sortie de Uout,
  • à droite un rapport cyclique élevé – une plus grande valeur de tension de sortie.

     

  • Pour calculer la valeur moyenne de la tension à la sortie utilisez la formule suivante :

     

    Le schéma présente et décrit le principe de fonctionnement d'un dispositif d'alimentation à impulsions :

     

    1 - entrée de la tension alternative

    2 - fusible

    3 - filtre d'entrée

    4 - montage en redresseur sous forme d'un pont de Graetz

    5 - transistor à clavette

    6 - contrôleur PWM

    7 - isolateur optique (isolation galvanique)

    8 - transformateur d'impulsions

    9 - redresseur

    10 - filtre de sortie

    11 - sortie de la tension continue

    La tension alternative réseau, p.ex. 230 V (1), passe par un filtre d’entrée avec des éléments LC (3). C’est un élément important qui protège le réseau électrique contre les perturbations apparaissant dans le dispositif d’alimentation et protègle le dispositif d’alimentation contre les perturbations liées au réseau électrique. contre de la fourniture de l'alimentation. La tension alternative est redressée par un pont redresseur (4) et, une fois redressée, en tant que tension continue, elle atteint le transformateur (8) qui est claveté par un transistor (5), appelé parfois un commutateur. Le transistor active et désactive un courant en forme d'onde rectangulaire à une fréquence définie (la gamme possible de 20 kHz à plusieurs centaines de kHz et même MHz) en utilisant une modulation de largeur d’impulsion PWM. Le transistor est commandé au moyen d’un système de couplage à réaction (6, 7) composé d’un isolateur optique et d’un contrôleur (pilote) de PWM. Le système vérifie quelle est la tension de sortie et, en fonction de sa diminution, il modifie la largeur de l'impulsion (rapport) en commandant le transistor et en l'ajustant de telle sorte que la sortie ait toujours une tension constante. En examinant la tension à la sortie, ce système fonctionne à grande vitesse ce qui permet de maintenir la tension de sortie constante et, en fonction de son augmentation ou de son abaissement, de corriger immédiatement des changements pour la maintenir au même niveau. La tension rectangulaire à la sortie du transformateur (8) est redressée (9) et ensuite, elle passe par un filtre de sortie (10) qui devrait "verrouiller" les harmoniques supérieurs et les perturbations générées par le fonctionnement du convertisseur. Une tension continue stabilisée est obtenue à la sortie (11) du dispositif d'alimentation à impulsions.

     

    Quelques suggestions sur les paramètres qu’il faur prendre en compte lors de l’acquisition du dispositif d’alimentation à impulsions. 

    Tension d'entrée (Input Voltage) 

    La tension en réseau électrique est de 230 V AC en Pologne et dans l’Union européenne (sauf le Royaume-Uni - 240 V AC). Les normes autorisent un écart de 10%, alors la tension d'alimentation peut varier de 207 V à 253 V AC. Nous vous récommandons alors de choisir un dispositfi d’alimentation avec une large gamme de tension d'entrée, p.ex. 100-264 V AC.

     

    Courant de mise en marche (Max Inrush Current) 

    Après la mise du dispositif d’alimentation sous tension, il apparaît une grande impulsion de courant qui peut atteindre des valeurs élevées en fonction de la puissance du dispositif d'alimentation, d’ordre de plusieurs dizaines ampères, d’une durée jusqu'à une période, c'est-à-dire en cas de fréquence de 50 Hz AC à 20 ms. Ce phénomène résulte du chargement des condensateurs d'entrée. Cela peut poser un problème, p.ex. lorsque vous utilisez quelques dispositifs d'alimentation en même temps, ou un seul à haute tension. Un courant de démarrage important peut provoquer un déclenchement des protections du réseau électrique (fusibles, disjoncteurs de surcharge, etc.). Dans ce cas-là, vous pouvez changer de fusibles de surintensité en ceux du type C ou D.

     

    Efficacité (Efficiency) 

    C'est le rapport de la puissance de sortie du courant continue (rendue par le dispositif d'alimentation) à la puissance d'entrée du courant alternatif (consommée du réseau) exprimé en pourcents.

     

    L’efficacité est désignée par la lettre de l'alphabet grec "eta": η. En cas de chaque dispositif qui transforme de l’énergie, une certaine partie d’énergie consommée est perdue et c’est l’efficacité qui permet d’évaluer la puissance des pertes. Il faut prendre en compte ce paramètre car plus l'efficacité est élevée, moins l'énergie est perdue. Ainsi, la température à l’intérieur du dispositif d’alimentation est plus basse et par conséquent, la fiabilité est augmentée et la durée de vie prolongée. Aujourd’hui, les dispositifs d’alimentation à impulsion atteignent l'efficacité de > 90% (les dispositifs d’alimentation à transformateur / linéaires se caractèrisent par une faible efficacité énergétique, inférieure à 50%).

     

    La formule de l'efficacité:

     

    η – efficacité exprimée en pourcents

    Pout – puissance de sortie

    Pin - puissance d'entrée

    Exemple 1.
    Nous avons un dispositif d'alimentation dont la puissance de sortie est de 100 W qui consomme 117,6 W. Nous calculons son efficacité.

     

    Dans la plupart des cas, les données technique du dispositif d'alimentation indiquent la puissance de sortie et l'efficacité. Les fabricants ne précisent pas dans la spécification combien d'énergie est consommée par le dispositif d’alimentation. Nous pouvons facilement la calculer en introduisant des valeurs à la formule transformée.

     

    Exemple 2.
    Nous avons un dispositif d'alimentation de 150 W et dont l'efficacité est de 86%. Nous calculon l'énergie consommée.

     

    Il est aussi facile à calculer combient d'énergie est perdue pour le compte de la chaleur dans ce dispositif d'alimentation (Pd – moc strat), en utilisant une formule simple (nous soustrayons la puissance rendue de la puissance consommée).

     

    Danc ce cas-là, on perd 24,4 W pour le compte de la chaleur, évidemment à pleine charge. Ces 24,4 W augmentent la température à l'intérieur du boîtier et rechauffe les éléments intérieurs.

     

    MTBF - temps moyen entre les alertes (Mean Time Between Failure) 

    Exprimé en heures et c'est une information sur la fiabilité du dispositif.

     

    Très souvent, ce paramètre est interprété de manière incorrecte. Par exemple, le MTBF du dispositf d'alimentation est de 700 000 heures donc presque 80 ans. Cela ne signifie pas que le dispositf d'alimentation fonctionnera parfaitement par tant d'années.

     

    Les modes et les méthodes de calculer de MTBF ont été introduits par l'armée américaine en 1965 au moment de la publication du modèle MIL-HDBK-217. Il contenait la fréquence des défauts prévus pour différents composants électroniques, par ex. pour des condensateurs, résistances, transistors. On y a aussi publié les méthodes de calcul de la fréquences de pannes. Il s'agissait de normaliser les méthodes d'évaluation de la fiabilité des dispositifs électroniques et des équipements militaires.

     

    Outre le modèle MIL-HDBK-217 il y a aussi d’autres méthodes de calcul du paramètre de MTBF que nous pouvons rencontrer das les données techniques des dispositifs électroniques. Tous les modèles se distinguent par différents algorithmes de calcul de la fiabilité. Exemples des méthodes : HRD5, Telcordia, RBD, modèle Markov, FMEA/FMECA, arbre de dommages, HALT.

     

    En connaissant le temps MTBF, nous pouvons calculer la probabilité d'endommagement du dispositif avant l’échéance de MTBF. Cette information est très utile qui permet d'évaluer la défaillance du système. Rénéralement, la règle est simple: plus le MTBF est élevé, plus le dispositif est fiable.

     

    N'oublions pas que le MTBF désigne toujours le temps après l'expiration duquel la fiabilité du dispositif descend à 36,8%. 

    Pourquoi ? Nous devons introduire la formule pour la fiabilité pour faire des calculs.

     

    R(T) – fiabilité exprimée en pourcentage par rapport au temps de fonctionnement du dispositif

    T – temps de fonctionnement du dispositif

    MTBF – temps moyen entre les pannes

    2,718 – nombre d'Euler (apparaît en tant que lettre "e" dans les formules)

    En toutes lettres : 2,718 augmenté au carré négatif du temps de fonctionnement divisé par MTBF.

     

    Nous calculons la défaillance du dispositif dont le MTBF est de 50 000 heures après 50 000 heures.

     

    Alors la fiabilité d'un dispositif de MTBF = 50 000 heures est de 36,8% après 50 000 heures. Autrement dit, après 50 000 heures il y a une probabilité que, par 100 dispositifs, ~37 fonctionneront correctement, et 63 tomberont en panne.

     

    Vérifions la probabilité d'apparition d'une panne au cours de 3 ans p.ex. Pour deux dispositifs d'alimentations à MTBF différent.

     

    1. MTBF = 50 000 heures, 3 ans = 3 ans x 24 heures x 365 jours = 26 280 eures et nous appliquons la formule suivante :

     

    Le résultat démontre la probabilité qu'après 3 ans 59,1% dispositifs d'alimentation fonctionneront parfaitement (p.ex. Par 100 dispositifs il y en aura ~59 qui fonctionneront correctement, et 41 tomberont en panne).

     

    2. MTBF = 700 000 heures, 3 ans = 3 ans x 24 heures x 365 jours = 26 280 heures et nous appliquant la formule.

     

    Ce cas-là démontre la probabilité qu'après 3 ans 97,1% dispositifs d'alimentation fonctionneront parfaitement (p.ex. par 100 dispositifs, ~97 fonctionneront parfaitement, et 3 tomberont en panne).

     

    Le paramètre MTBF est le plus souvent défini par le fabricant par rapport au fonctionnement du dispositifs à la température ambiante de 25°C. En cas de fonctionnement à des températures plus élevées, on dit que l'augmentation de la température de 10°C fait réduire deux fois la valeur de MTBF. Pourquoi le MTBF de certains dispositifs est élevé et celui des autres est faible? Les différences résultent de la qualité des éléments utilisés et du degré de la complexité du dispositif. Il y a des fabricants qui n’indiquent pas ce paramètre dans les données techniques.

     

    Tension de sortie (Output Voltage) 

    La tension de sortie est une tension qui doit être stabilisée lors des changements de chargement du dispositif d'alimentation de 0 à 100%. Il faut savoir qu’en cas de tous les dispositifs d’alimentation il y a des bruits, des ondulations et des interférences qui affectent la tension de sortie. Leur amplitude peut atteindre jusqu'à plusieurs centaines de mVp-p. Parfois, une valeur élevée de l’ondulation de la tension de sortie peut provoquer des problèmes, si le dispositif alimenté est susceptible aux ondulations, par ex. des perturbations dans l'image de la caméra dans les applications de CCTV ou des redémarrages fréquents d’un appareil électronique.

     

    Vous trouverez ci-dessous un aperçu d’un oscillogramme d’ondulations de la tension d’un dispositif d’alimentation à impulsions de 12 V.

     

    Une réponse dynamique à des variations brusques de charge (Dynamic Response) 

    Chaque dispositif d’alimentation doit fournir, à la charge, une tension de sortie de valeur constante qui ne changera pas au moment du changement de courant de charge. Cependant, il y a parfois des changements brusques de charge (p.ex. la mise en marche/l’arrêt de l'illuminateur infrarouge dans une caméra CCTV ou l’activation/la désactivation d’une charge supplémentaire). Au moment de changement de charge de 0 à 100% (ou à l'inverse), il y a des interférences et des hésistations de la tension de sortie qui apparaissent, et qui peuvent affecter le fonctionnement des autres appareils connectés au dispositif d'alimentation.

     

    La figure ci-dessous présente des changements de tension de sortie par rapport aux changements de charge de 0 à 100% d'un dispositif d'alimentation de haute qualité, puisés dans sa spécification technique.

     

    V - tension de sortie

    L - charge

    La plupart des dispositifs d’alimentation à impulsions sont équipés de circuits de protection de la sortie contre les effets des courts-circuits et des surcharges. Comme il y a différents modes de sécurité, il convient de choisir un dispositif d’alimentation en fonction du type de charge. Des moteurs, des ampoules, des charges à capacité ou a inductance élevée, etc., alors des charges à caractéristique non-linéaire, peuvent nécessiter une grande impulsion de courant au moment du démarrage, qui dépasse largement le courant nominal maximal du dispositif d'alimentation. Cela peut déclancher les systèmes de protection et empêcher de mettre un marche le dispositif d’alimentation. En pratique, il peut s’avérer que le dispositifs d'alimentation, p.ex. 12 V, 50 W ne sera pas en mesure de se mettre en marche après avoir connecté une charge de 12 V 30 W (p.ex. une ampoule, un moteur).

     

    Les concepteurs des dispositifs d'alimentation appliquent différents types de protection contre les effets des court-circuits et des surcharges. Les systèmes de protections doivent protéger le dispositif d'alimentation et la charge. Vous trouverez i-dessous ceux les plus fréquents .

     

    Mode Hiccup (Hiccup mode) 

    C'est un système de protection largement utilisé (ang. hiccup – hoquet) qui se distingue par de faibles pertes de puissance dans les dispositifs d'alimentation en cas de surcharge ou de court-circuit et par un retour automatique au fonctionnement normal une fois le court-circuit ou la surcharge est éliminée.

     

    Le graphique ci-dessous montre le principe de fonctionnement du mode hiccup.

     

    Uout - tension de sortie

    Iout - courant de sortie

    t - temps

    A – court-circuit (surcharge)

    B – disparition de la cause de court-circuit

    Pendant A il y a une surcharge ou un court-circuit. L’alimentation est coupée. Une impulsion de courant à une très courte durée (p.ex. 100 ms), dont la valeur est de jusqu’à 150% du courant maximal, apparaît à la sortie. Toutes les quelques secondes, le dispositif d’alimentation envoie une impulsion jusqu'à ce que la cause de la surcharge ou du court-circuit (B) soit éliminée, puis il revient au mode de fonctionnement normal. Dans la plupart des cas, le seuil de cette protection (arrêt) est de 110-150% du courant nominal (Iout). Le plus souvent, ce mode est intégré à la protection thermique. Si la charge consomme du courant supérieur à celui nominal mais inférieur au seuil de déclanchement de la protection, bientôt, la protection thermique se met en marche, en coupant l'alimentation et le dispositif d'alimentation passe en mode de hiccup jusqu'à ce que la cause de la surcharge soit éliminée.

     

    Le graphique ci-dessous présente d'autres types de protection contre la consommation excessive d'énergie (trois courbes : A, B et C).

     

    Uout - tension de sortie

    Iout - courant de sortie

    La courbe A – limitaton de courant (Foldback Current Limiting)
    Ce type de protection est aussi utilisé dans des dispositifs d'alimentation linéaires. Une fois le courant maximal est dépassé (la résistance réduite à la charge) il est réduit. Autrement dit, si la résistance de la charge est réduite, le courant est aussi réduit. Une telle solution a un avantage : de petites pertes de puissance dans les dispositifs d'alimentation en cas de surcharge ou de court-circuit. Mais une telle solution empêche de mettre en marche le dispositif d'alimentation lorsque le courant de démarrage est élevé (p.ex. une grande capacité).

     

    La courbe B – stabilisation du courant (Constant Current Limiting)
    En cas de dépassement du courant maximal (réduction de la résistance à la charge), le dispositif d'alimentation maintient un courant de sortie constant indépendamment de la valeur de surcharge, alors que la tension de sortie diminue. En outre, la deuxième protection est souvent utilisée ; elle coupe l'alimentation lorsque la tension baisse à quelques volts. Un inconvénient important de cette méthode sont de grandes pertes de puissance dans le dispositif d’alimentation et un grand courant circulant dans la charge ce qui peut entraîner des dommages. Ce type de protection permet de démarrer le dispositif d’alimentation à des charges de caractéristique non linéaire.

     

    La courbe C – limitation de puissance (Over Power Limiting)
    En cas de dépassement du courant maximal (réduction de la résistance à la charge), la puissance de sortie du dispositif d’alimentation reste à un niveau constant. Plus la charge de la tension augmente, plus la tension et le courant de sortie sont réduits conformément à la caractéristique C. Ce type de protection permet de démarrer le dispositif d’alimentation à des charges de caractéristique non linéaire.

     

    Température de fonctionnement (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    En fonction de l'efficacité du dispositif d'alimentation, une partie de l'énergie transmise au dispositif d’alimentation est perdue pour le compte de la chaleur, la température à l'intérieur du dispositif d’alimentation augmente par rapport à la température extérieure. Les dispositions d’alimentation de haute qualité, en fonctionnant à la température de 25°C, peuvent se chauffer jusqu'à 50-70°C et à la température ambiante de 50°C ils peuvent se chauffer jusqu'à 75-95°C

     

    Il est très important de comprendre que la température de fonctionnement affecte directement la durée de vie du dispositif et sa fiabilité. Les dispositins d’alimentation à impulsions se distinguent par une structure complexe et ils sont composés d'un grand nombre d’éléments électroniques qui peuvent être placés les uns près des autres à l'intérieur du boîtier du dispositif d'alimentation. Une température intérieure trop élevée peut endommager le dispositif d'alimentation et raccourcir sensiblement sa durée de sa vie. Il ne faut pas oublier qu'il y a une forte dépendance entre la puissance de sortie et la température. Il faut absolument éviter le fonctionnement du dispositif d’alimentation à des températures supérieures à 50°C, bien que les fabricants indiquent souvent une température de fonctionnement supérieure à cette valeur. Dans ce cas-là, il est recommandé d'étudier attentivement la documentation technique.

     

    A titre d'exemple, un dispositif d'alimentation de 150 W 12 V – la température de fonctionnement indiquée est d’entre -10°C et 70°C. Cependant, la documentation technique du fabricant comprend un graphique de la charge en pourcents dans la fonction de la température de fonctionnement.

     

    L - Charge de pourcentage

    T - Température de fonctionnement

    Comme vous pouvez le voir dans la figure, le dispositif d’alimentation peut fournir une puissance totale à la charge, mais seulement à la température de 50°C. En cas de fonctionnement à 70°C, le dispositif peut être chargée à 50%, donc par la moitié du courant maximal.

     

    Les composants les plus sensibles à l'augmentation de la température sont les condensateurs électrolytiques. Pratiquement, chaque dispositif d’alimentation en contient quelques uns. Les fabricants des condensateurs indiquent un paramètre essentiel, c'est-à-dire la durée de vie, pour la température de fonctionnement maximale. La diminution de la température de 10°C entraîne une augmentation de deux fois de la durée de vie du condensateur électrolytique. P.ex. la durée de vue des condensateurs électrolytiques est de 1 000 heures à la température de 105°C.

    Donc:

  • 105°C – 1 000 heures (41 jours)
  • 95°C – 2 000 heures (83 jours)
  • 85°C – 4 000 heures (166 jours)
  • 75°C – 8 000 heures (333 jours)
  • 65°C – 16 000 heures (1,8 ans)
  • 55°C – 32 000 heures (3,6 ans)
  • 45°C – 64 000 heures (7,3 ans)

     

  • Ces temps ne déterminent pas la fin de la durée de vie du condensateur, mais seulement le temps, après lequel une détérioration significative de ses paramètres aura lieu (capacité, résistance série, etc.), ce qui conduit le plus souvent à une panne.

     

    Comme le montre l'exemple ci-dessus, la température inférieure = durée de vie plus longue. Il y a des condensateurs dont la durée de vie est plusieurs fois plus longue mais ils sont plus chers. C'est le fabricant décide des sous-ensembles utilisés. En cas de dispositifs d’alimentations moins chers, le fabricant n’installa pas de pièces chères, à une durée de vie plus longue.