Les SMPS expliqués : Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage ?

Garantir l'efficacité de l'alimentation des appareils électroniques est une priorité absolue pour le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui, en raison de sa nature compacte. Il suffit de jeter un coup d'œil autour de soi : les chargeurs de téléphones portables, les adaptateurs d'ordinateurs portables et même les alimentations en courant continu internes des téléviseurs et des ordinateurs sont plus élégants, plus rapides et plus efficaces que les transformateurs encombrants du passé. Qu'est-ce qui a provoqué ce changement ? Les blocs d'alimentation à découpage (SMPS). Sans que l'on s'en aperçoive, cette technologie effectue une grande partie du travail de fond dans l'électronique moderne, ce qui lui permet d'être compacte et légère tout en améliorant l'efficacité par rapport aux alimentations linéaires. Mais qu'est-ce qu'une alimentation à découpage ? Et comment y parvient-elle ? Dans cet article, nous allons explorer les raisons pour lesquelles la technologie SMPS est devenue la principale technique de conversion de l'alimentation en électronique, en expliquant ses concepts, son fonctionnement, ses composants et ses applications.

Comprendre le concept de base

Une alimentation à découpage gère la puissance électrique d'entrée en courant continu par une commutation rapide, et non par une dissipation continue. Pensez à l'écoulement de l'eau - une alimentation électrique linéaire est comme un robinet d'eau qui est complètement ouvert, permettant à l'eau de se déverser sans contrôle. La pression de l'eau peut alors être contrôlée à l'aide de vannes qui créent un frottement et une résistance, dépensant continuellement de l'énergie sous forme de chaleur. L'eau peut également être régulée en ouvrant et en fermant le robinet ; c'est ainsi que fonctionnerait une alimentation à découpage. La durée pendant laquelle le robinet est ouvert ou fermé détermine le débit moyen de l'eau - le gaspillage d'énergie lié à l'action de tourner le robinet est minime. Une alimentation à découpage (SMPS) est plus efficace sur le plan énergétique qu'une alimentation linéaire. Sa fonction principale est de convertir l'énergie électrique tirée d'une source de courant alternatif brut ou d'une source de courant continu en une tension ou un courant de sortie constant avec la charge requise, sans effort et sans perte de puissance. Les conversions améliorées minimisent la production de chaleur et permettent un contrôle de régulation plus élevé de la puissance de sortie.

SMPS vs. alimentations linéaires : La comparaison

Pour bien comprendre la valeur d'une alimentation à découpage, il est utile de connaître sa principale alternative, et son prédécesseur : l'alimentation linéaire. La simplicité de l'alimentation linéaire dans sa tension de sortie propre facilite la conception des alimentations. Cependant, son principe de fonctionnement présente de sérieuses limitations dans de nombreuses applications modernes. Une comparaison basée sur des caractéristiques clés sera effectuée.

Efficacité et dissipation de puissance

Les alimentations linéaires assurent la régulation de la tension en faisant chuter l'excès de tension à travers un composant de passage en série tel qu'un transistor. Cette énergie est transformée en chaleur, ce qui entraîne une perte de puissance ainsi qu'une production de chaleur, d'où un rendement médiocre. En outre, ce phénomène s'aggrave lorsque la tension d'entrée et la tension de sortie présentent un écart important, ou lorsque le courant est élevé. En outre, un régulateur linéaire peut ne donner qu'un rendement de 40-60%, ce qui est remarquablement faible.

Les alimentations à découpage, quant à elles, utilisent presque exclusivement des composants qui fonctionnent lorsqu'ils sont entièrement allumés ou éteints. Cela minimise la perte de puissance et améliore donc considérablement le rendement qui dépasse souvent 85-95% dans les conceptions pratiques. Cela réduit considérablement le gaspillage d'énergie et augmente encore l'efficacité des dissipateurs de chaleur plus petits, ce qui contribue à réduire la température.

Taille, poids et coût

La production de chaleur des SMPS est inférieure à celle des alimentations linéaires à puissance de sortie équivalente. Ils nécessitent également des dissipateurs plus petits. Plus important encore, les SMPS fonctionnent à des fréquences plus élevées que celles de la ligne électrique (50/60 Hz). Parfois, les SMPS fonctionnent à des centaines de kilohertz, voire de mégahertz. Les SMPS peuvent donc utiliser des transformateurs et des composants de filtrage plus petits (les condensateurs ont besoin d'inductances) car la taille du transformateur et d'autres pièces magnétiques est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement. Cela contribue à réduire considérablement la taille et le poids des blocs d'alimentation, d'où la petite taille des blocs d'alimentation électroniques contemporains. Bien que le nombre de composants d'un SMPS soit généralement plus élevé, le coût des grands composants fabriqués en masse dans le cadre d'une production en grande série nécessite plus simplement d'énormes transformateurs et dissipateurs de chaleur, et les SMPS deviennent des alimentations linéaires lorsqu'ils s'abaissent à des niveaux de puissance de sortie élevés. L'utilisation d'un noyau de fer lourd est souvent nécessaire dans un transformateur d'alimentation linéaire 50/60Hz et ajoute au poids.

Bruit, ondulation et complexité

En ce qui concerne l'efficacité des alimentations, leur fonctionnement continu produit une tension d'ondulation de sortie à très faible bruit et des interférences électromagnétiques minimales par rapport à leurs homologues linéaires. Dans cette catégorie d'alimentations à découpage, leur nature entraîne la génération d'impulsions de tension et de courant, ce qui se traduit par une tension d'ondulation de sortie plus élevée et des interférences électromagnétiques significatives. Pour tenter de résoudre ces problèmes, le concepteur doit ajouter des circuits de lissage plus complexes qui augmentent encore la complexité de l'alimentation. Avec les alimentations à découpage, il est également nécessaire de procéder à un filtrage et à un blindage complexes, ce qui accroît la complexité du lissage de l'alimentation. Contrairement aux alimentations linéaires de base qui reposent sur des circuits simples, les SMPS de contrôle plus avancés nécessitent des circuits complexes, souvent constitués de circuits intégrés spécialisés.

Comment fonctionnent les alimentations à découpage : Un guide simplifié

Les alimentations à découpage (SMPS) présentent des caractéristiques distinctes pour les composants de la conversion et de la régulation de l'énergie, même si elles rationalisent davantage les systèmes que les convertisseurs linéaires. Pour considérer les processus essentiels comme des étapes, il convient d'examiner le schéma suivant :

Étape 1 : Entrée et rectification

Les entrées en courant alternatif sont caractérisées par un niveau de tension particulier. Cette tension est d'abord modifiée au moyen de diodes pour être transformée de CA en CC, ou en d'autres termes, redressée. La sortie se présente sous la forme d'un courant continu pulsé qu'un condensateur de filtrage calme, bien qu'il reste instable et susceptible de fluctuer tant que l'entrée CA change. Dans un certain nombre de modèles modernes, la rectification se produit lorsque le courant alternatif est fourni et qu'aucun transformateur n'est nécessaire.

Étape 2 : Commutation via PWM

Le SMPS utilise un interrupteur à grande vitesse comme composant de base des systèmes de modulation de largeur d'impulsion (PWM). Le rapport cyclique détermine la proportion du temps de marche par rapport au temps total de l'interrupteur à grande vitesse. Le commutateur est alimenté en courant continu afin que le SMPS puisse émettre des impulsions de tension. L'alimentation à découpage (SMPS) est appelée ainsi afin de distinguer le type spécifique de source de courant continu, qui applique une haute fréquence avec des transistors MOSFET. La caractéristique principale de la mise en œuvre d'un SMPS est l'application d'un contrôle de modulation de largeur d'impulsion.

Étape 3 : Transfert et stockage de l'énergie

Des impulsions d'énergie basse tension sont envoyées à un dispositif de stockage d'énergie - dans la plupart des cas, un inducteur ou un transformateur. Lorsque l'interrupteur est fermé, une certaine quantité d'énergie est capturée dans le champ magnétique. Cette énergie est ensuite libérée lorsque l'interrupteur s'ouvre. Les transformateurs permettent également d'augmenter ou de diminuer le niveau de tension, tout en maintenant l'isolation électrique entre l'entrée et la sortie.

Étape 4 : Rectification et filtrage de la sortie

La sortie du dispositif de stockage d'énergie doit encore être traitée pour être convertie en une tension continue régulière et stable. Les impulsions sont redressées par des diodes de commutation à grande vitesse (diodes Schottky), tandis que des condensateurs éliminent les oscillations restantes. La sortie est maintenant une tension continue stable et utilisable.

Étape 5 : La boucle de contrôle en retour

La tension de sortie est constamment surveillée et comparée à une tension prédéterminée. En cas de différence, la commande PWM modifie le temps d'activation de l'interrupteur afin de maintenir la sortie. Cela se fait comme un thermostat qui contrôle la température d'une pièce - la tension de sortie suit les différents changements de l'entrée ou de la charge sans effort constant.

Principaux composants d'un SMPS

Comprendre le rôle des principaux composants permet de démystifier le système de gestion de l'information. alimentation électronique:

• Transistor de commutation (MOSFET/BJT) : C'est le cœur de l'action de commutation, qui permet d'activer et de désactiver rapidement le courant sous la commande du contrôleur.
• Contrôleur IC : Un circuit intégré spécialisé qui génère le signal PWM sur la base du retour d'information, en gérant le transistor de commutation et en obtenant les résultats suivants régulation de la tension.
• Transformateur ou inducteur : Élément de stockage et de transfert d'énergie. Transformateur de puissanceassurent l'isolation et la mise à l'échelle de la tension, les inductances stockent l'énergie dans des conceptions non isolées, souvent en utilisant un noyau de fer à des fréquences élevées.
• Diodes de redressement : Convertir les impulsions CA en courant continu après l'étage de commutation/transformation. Des diodes à récupération rapide ou des diodes Schottky sont utilisées pour gérer les fréquences de commutation élevées.
• Condensateurs de filtrage : Les condensateurs de grande taille (entrée et sortie) lissent les tensions continues oscillantes. Les condensateurs de sortie sont essentiels pour réduire l'ondulation de sortie et font partie du circuit de lissage.
• Inducteurs de filtre : Utilisé avec les condensateurs dans les filtres de sortie afin de lisser davantage la tension continue.

Exploration des topologies courantes de SMPS

Les étapes de base sont similaires, alimentation à découpage Les circuits peuvent être configurés de différentes manières, connues sous le nom de topologies, chacune étant adaptée à des applications, des taux de conversion de tension et des caractéristiques différentes. puissance de sortie niveaux. Ils sont comme des outils différents conçus pour des tâches spécifiques.

Topologies non isolées

Ces topologies manquent d'isolation électrique entre l'entrée et la sortie, ce qui signifie que la sortie et l'entrée partagent la même référence de masse. La conception de leur alimentation est souvent plus simple et plus économique.

• Convertisseur Buck (Step-Down) : Réduit une tension continue élevée en une tension continue plus faible. Il fonctionne comme un transformateur de tension continue, mais de manière beaucoup plus efficace.
• Convertisseur Boost (Step-Up) : Augmente une tension continue faible en une tension plus élevée. Il est utile lorsque la tension source disponible n'est pas suffisante.
• Convertisseur Buck-Boost : Peut générer une tension de sortie supérieure ou inférieure à la tension d'entrée avec une polarité de sortie inversée par rapport à l'entrée.

Topologies isolées

Ces topologies utilisent un transformateur de puissance pour assurer l'isolation électrique entre l'entrée et la sortie, ce qui offre des avantages en matière de sécurité et la possibilité de créer plusieurs tensions de sortie avec des caractéristiques différentes. caractéristiques du courant.

• Convertisseur Flyback : Il s'agit de l'une des topologies isolées les plus simples, que l'on trouve couramment dans les applications de puissance de sortie faible à moyenne (telles que les chargeurs de téléphones portables ou l'alimentation de veille des téléviseurs). Lorsque l'interrupteur est sur ON, l'énergie est stockée dans le noyau du transformateur et lorsqu'il est sur OFF, l'énergie est transférée à la sortie.
• Convertisseur avant : Transfère l'énergie à la sortie pendant le temps de commutation ON. Il est moins simple que le Flyback mais peut être plus efficace à des niveaux de puissance de sortie plus élevés.
• Convertisseurs en demi-pont et en pont complet : Pour les applications à puissance de sortie plus élevée, ces topologies intègrent plusieurs transistors de commutation reliés entre eux sous la forme d'un pont du côté primaire du transformateur.

Avantages et inconvénients du SMPS

Sur la base de notre comparaison et de notre explication, nous pouvons résumer les principaux compromis pour les blocs d'alimentation en mode:

Avantages :

• Haute efficacité : Le fait de fonctionner avec une efficacité maximale permet de réduire considérablement les pertes d'énergie thermique.
• Taille compacte et faible poids : La compacité accrue apporte une valeur ajoutée aux applications portables et sensibles au poids.
• Large plage de tension d'entrée : Un certain nombre de modèles sont compatibles avec une large gamme de tensions CA et d'entrées CC (par exemple, entrée d'alimentation CA universelle).
• Rentabilité : Souvent plus économiques que leurs homologues linéaires pour une puissance de sortie et une taille physique importantes.
• Peut monter ou descendre : Permet une modification polyvalente de la tension (y compris l'isolation) avec une tension de sortie maintenue avec précision.

Inconvénients :

• Une plus grande complexité : Nécessité d'un plus grand nombre de pièces et d'une configuration compliquée de l'alimentation électrique.
• Bruit électrique (EMI/RFI) : Les circuits d'alimentation produisent un certain niveau de bruit lié à la commutation qui nécessite un filtrage par un circuit de lissage compliqué.
• Ondulation de la sortie : Les variations de la tension de sortie nécessitent une instrumentation méticuleuse pour limiter les oscillations définissables et les sorties à faible bruit.
• Réponse transitoire : Contrairement aux alimentations linéaires, la vitesse à laquelle certaines de ces alimentations réagissent aux variations de charge peut ne pas être instantanée.
• Charge minimale requise : Certaines topologies ne fonctionneront pas correctement si une charge n'est pas appliquée, respectant une valeur minimale de régulation.

Où sont utilisés les SMPS ? (Applications)

Les avantages d'une alimentation à découpage semblent élargir son utilisation dans l'électronique moderne. Vous pouvez trouver ces unités d'alimentation en mode dans :

• Équipement industriel : Les automates programmables, les commandes de moteur, les systèmes de contrôle, les équipements de test et de mesure, qui ont besoin d'une alimentation en courant continu fiable.
• Électronique grand public : Ordinateurs (de bureau, portables), téléviseurs, consoles de jeux, chargeurs (chargeurs de téléphones portables), systèmes audio.
• Eclairage LED : Transformation efficace de l'alimentation en courant alternatif pour répondre aux exigences précises de tension/courant continu pour les LED.
• Télécommunications : Alimentation des stations de base, des commutateurs de réseau, des modems et des téléphones.
• Équipement médical : Lorsque la miniaturisation, l'efficacité et les exigences spécifiques en matière d'isolation sont cruciales.

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Conclusion

En résumé, l'alimentation à découpage ou SMPS est une technologie avancée qui trouve de nombreuses applications dans l'électronique moderne. Sa capacité à commuter à un rythme rapide la rend plus efficace que les alimentations linéaires traditionnelles, contribuant ainsi à la petite taille et au poids léger requis par les appareils que nous utilisons quotidiennement. La complexité supplémentaire de la conception de l'alimentation et de la gestion du bruit requise pour obtenir un faible niveau de bruit et d'ondulation de sortie rend les choses plus difficiles. Mais les avantages l'emportent largement sur les inconvénients. Le SMPS se distingue le plus comme la réponse fiable à la conversion efficace de l'alimentation électronique, de l'électronique grand public aux systèmes industriels critiques qui dépendent d'une alimentation en courant continu stable. La compréhension de la fonctionnalité révèle l'ingénierie sophistiquée qui alimente le monde, illustrant l'importance de l'utilisation de composants de qualité, en particulier dans les scénarios d'application difficiles où la fiabilité est une nécessité, et non une option.