Votre avantage en matière d'énergie : Solutions innovantes de conception de SMPS

Dans le monde de l'électronique d'aujourd'hui, où les objets sont de plus en plus petits et de plus en plus performants, le type d'alimentation est le héros méconnu de la plupart des nouvelles inventions. Malgré cela, certaines méthodes de conception des alimentations sont meilleures que d'autres. Parce que les gens ont besoin que leurs alimentations soient efficaces, compactes et fiables, les anciens régulateurs linéaires ont été remplacés par des alimentations à découpage (SMPS), qui sont également connues sous le nom d'alimentations à découpage qui fournissent une sortie CC basse tension. Nous sommes conscients qu'en matière de conception de SMPS, il ne s'agit pas seulement de fabriquer des composants, mais aussi de construire le cœur de la technologie de demain.

Des besoins en énergie en constante évolution : Pourquoi le SMPS ?

La façon dont nous déplaçons les électrons détermine les capacités de nos appareils. Qu'il s'agisse d'un smartphone ou d'une grosse machine, chaque système électronique dépend d'une alimentation électrique fiable et efficace. Pendant longtemps, les régulateurs linéaires ont été utilisés, mais au fur et à mesure que la technologie s'améliorait, il est devenu évident qu'ils présentaient des inconvénients majeurs.

Si vous pensez à un robinet traditionnel, il fonctionne en réduisant la pression de l'eau en bloquant une partie de celle-ci, ce qui gaspille l'énergie supplémentaire sous forme de chaleur. Les régulateurs linéaires fonctionnent également en transformant la tension supplémentaire en chaleur pour maintenir la sortie stable. Bien que cette méthode soit simple et élégante, elle consomme beaucoup d'énergie, surtout lorsque la différence de tension est importante.

Le SMPS a apporté un changement majeur à la conversion de l'énergie. Ce type d'alimentation active et désactive rapidement un semi-conducteur de puissance, souvent un transistor, ce qui se traduit par un rendement plus élevé et une meilleure efficacité énergétique. La combinaison de la commutation et de l'énergie stockée dans les inductances et les condensateurs du SMPS le rend très efficace dans la conversion des niveaux de tension et empêche le gaspillage d'une grande quantité d'énergie.

Examinons une comparaison claire :

Le tableau explique pourquoi les SMPS sont désormais l'option préférée pour l'électronique moderne, en particulier lorsqu'il s'agit de passer d'une entrée CA à une tension continue stable. Chez OMCH, nous avons toujours mis à jour nos méthodes de conception des SMPS pour répondre aux nouvelles demandes. Nos produits sont donc à la fois efficaces et respectueux de l'environnement, ce qui permet d'aider les clients aux États-Unis et dans le monde entier.

Principes fondamentaux de la conception d'un SMPS moderne

L'objectif principal de tout SMPS est de contrôler la tension ou le courant de sortie de manière efficace. Aujourd'hui, des stratégies de contrôle avancées sont utilisées dans les SMPS modernes pour leur permettre d'être plus performants que jamais. L'idée principale est d'utiliser un dispositif semi-conducteur, généralement un transistor de commutation, pour activer et désactiver rapidement la tension d'entrée afin de la transformer en impulsions. Les impulsions sont ensuite adoucies par des composants réactifs afin de produire une tension continue régulière.

Les systèmes d'alimentation à découpage modernes reposent généralement sur des méthodes avancées de modulation de largeur d'impulsion (MLI). Plutôt qu'un interrupteur marche/arrêt, la largeur des impulsions est ajustée pour régler la tension de sortie en fonction des besoins. C'est un peu comme ouvrir ou fermer l'accélérateur d'un moteur : une impulsion plus importante donne plus d'énergie et une impulsion plus étroite en donne moins. Grâce à ce contrôle précis, la tension reste constante et inchangée, quelle que soit la puissance utilisée.

Les convertisseurs résonants sont aujourd'hui largement utilisés dans les SMPS car ils permettent d'atteindre un rendement élevé. Contrairement aux convertisseurs à commutation dure, les convertisseurs résonnants programment leurs transitions de commutation de manière à ce qu'elles se produisent lorsque la tension ou le courant n'est pas présent, ce qui réduit les pertes de commutation. La commutation douce réduit considérablement les pertes d'énergie et les interférences électromagnétiques, ce qui permet de réduire la chaleur et d'augmenter la densité de puissance. Si vous imaginez deux pendules se balançant ensemble sans presque aucun frottement, c'est la beauté du fonctionnement résonant.

L'utilisation de méthodes de commutation douce permet d'augmenter la fréquence de commutation jusqu'à des centaines de kHz, ce qui se traduit par des alimentations plus petites et plus légères. La conception des alimentations d'aujourd'hui accorde une attention particulière aux systèmes de rétroaction puissants et aux méthodes de contrôle avancées afin de maintenir la stabilité, de réagir rapidement aux changements et de se prémunir contre les surintensités, les surtensions et les problèmes liés à la chaleur. Le circuit SMPS s'appuie sur ces systèmes de contrôle qui sont généralement pilotés par un oscillateur et utilisent une tension de référence, pour assurer le bon fonctionnement du système dans toutes les situations.

Topologies innovantes pour des performances maximales

La conception d'une alimentation à découpage détermine son efficacité, sa complexité et l'endroit où elle doit être utilisée. Même si les systèmes buck et boost sont toujours importants, les besoins actuels ont conduit au développement d'architectures d'alimentation plus avancées.

Un convertisseur buck est très efficace pour réduire la tension continue. Un inducteur est utilisé pour rendre le courant plus régulier et gérer la manière dont l'énergie est délivrée. À l'inverse, un convertisseur boost augmente la tension, en stockant l'énergie dans l'inducteur lorsqu'il s'allume, puis en la libérant à l'aide d'une diode et d'un condensateur. Ces convertisseurs sont faciles à utiliser, fiables et présents dans de nombreux systèmes de faible à moyenne puissance.

Pour s'assurer que la sortie est contrôlée et que le réseau est respecté, de nombreuses conceptions modernes ajoutent maintenant des circuits PFC actifs. Ils modifient la forme d'onde du courant d'entrée pour qu'elle soit identique à la tension, ce qui permet d'économiser de l'énergie et de se conformer à la norme IEC 61000-3-2. Cet aspect est très important dans les applications à forte puissance, en particulier dans les pays où les règles en matière d'efficacité énergétique sont de plus en plus strictes.

Le convertisseur résonant LLC est particulièrement remarquable dans les systèmes avancés. Il prend en charge la commutation à tension nulle (ZVS), ce qui élimine presque toutes les pertes qui se produisent lors de la commutation. Il peut fonctionner à des fréquences supérieures à 100 kHz, ce qui lui confère un rendement supérieur à 95%. C'est pourquoi le LLC est utilisé dans les petits systèmes sensibles à la chaleur, tels que les chargeurs de véhicules électriques et les serveurs d'entreprise, où chaque watt et chaque degré sont importants.

Lorsqu'une puissance plus importante est requise ou que le courant doit changer de direction, on utilise des circuits en pont complet et en demi-pont. Les circuits en pont complet, en particulier, sont capables de produire une puissance élevée avec les quatre interrupteurs fonctionnant ensemble avec précision. Même s'ils sont plus compliqués, ils utilisent mieux les transformateurs et permettent un meilleur contrôle de la tension, ce qui est important pour les entraînements industriels et les systèmes d'énergie renouvelable.

La bonne topologie doit être choisie en fonction de la stratégie et pas seulement des spécifications. La décision est guidée par la plage de tension, la quantité de chaleur que l'appareil peut supporter, l'espace disponible, les normes CEM et le budget. Les ingénieurs les plus compétents utilisent leurs connaissances pour adapter la conception à la tâche, en s'assurant qu'elle fonctionne bien et qu'elle est pratique.

Maîtriser la sélection des composants pour les SMPS

Les composants de la conception d'un SMPS sont importants car ils déterminent le bon fonctionnement du système, son efficacité et sa durée de vie. Une erreur mineure peut créer des problèmes qui s'étendent et menacent la stabilité du système. C'est pourquoi le choix des composants ne doit pas se faire au hasard ; il doit s'agir d'une décision mûrement réfléchie pour l'ensemble du système.

Les semi-conducteurs de puissance sont le point de départ de tout. Bien que les MOSFET au silicium soient encore largement utilisés, les dispositifs GaN et SiC transforment la façon dont les conceptions modernes sont construites. Ils sont capables de commuter plus rapidement, de fonctionner à des températures plus élevées et de réduire considérablement les pertes. Le résultat ? Des convertisseurs plus petits, plus froids et plus efficaces. Toutefois, la décision dépend de la tension, de la fréquence et de l'argent que vous êtes prêt à sacrifier.

Le magnétisme est à la fois la partie la plus importante et la plus difficile des SMPS. Il est important que les transformateurs et les inductances gèrent leur réponse à la fréquence, le point de saturation et la chaleur qu'ils produisent. Si le noyau n'est pas conçu correctement, il consommera plus d'énergie et risque de tomber en panne. La plupart des conceptions haute fréquence s'appuient sur des noyaux de ferrite et des fils de Litz pour surmonter l'effet de peau. Lorsqu'ils sont correctement mis en œuvre, ils garantissent un fonctionnement stable, même avec des charges changeantes.

Les condensateurs sont responsables du filtrage, du stockage de l'énergie et de la stabilité de la tension. Le choix du condensateur dépend de la performance à haute fréquence ou du stockage d'une grande quantité d'énergie. Le bruit et la fiabilité sont influencés par l'ESR, les valeurs nominales du courant d'ondulation et la façon dont le condensateur est placé. Lorsque l'espace et le bruit sont importants, les céramiques à faible ESR sont couramment utilisées.

Le circuit intégré du contrôleur est responsable de l'ensemble du système au niveau du système. Il détermine le mode de commutation du variateur, assure la protection et inclut généralement des fonctions telles que le démarrage progressif et la gestion des défaillances. Bien que les circuits intégrés soient plus faciles à concevoir aujourd'hui, vous devez toujours les choisir avec soin en fonction de leur topologie, de leur méthode de contrôle et de leur conception thermique.

Relever les défis de la conception d'un SMPS

Bien que les alimentations à découpage soient très efficaces, elles posent également de nombreux problèmes techniques et présentent plusieurs inconvénients. Pour fabriquer un SMPS fiable, il faut tenir compte de questions telles que les interférences électromagnétiques, la chaleur, la stabilité de la boucle et la rapidité de la réponse transitoire.

Les interférences électromagnétiques constituent généralement le plus grand défi au début. Lors d'une commutation rapide, le bruit à haute fréquence qui en résulte peut perturber les circuits voisins ou aller à l'encontre des normes CEM. Pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI), les ingénieurs utilisent une disposition intelligente des circuits imprimés, rendent les boucles de courant aussi étroites que possible et ajoutent des selfs de mode commun. Certaines conceptions font appel à des commutations douces pour réduire la quantité de bruit provenant de la source.

Un autre défi important est la gestion de la chaleur. Même si le système est 90% efficace, la chaleur dégagée par les commutations doit être gérée d'une manière ou d'une autre. C'est pourquoi il est important d'utiliser une bonne disposition, des vias thermiques, des dissipateurs et de planifier le flux d'air. Un système bien conçu est confortable et permet aux composants de durer plus longtemps et au système d'être plus fiable.

Ensuite, nous devons vérifier la stabilité de la boucle de contrôle. Lorsque la compensation dans un système de rétroaction SMPS n'est pas correcte, on peut observer une oscillation ou une réaction lente. Les concepteurs utilisent l'analyse du diagramme de Bode et le réglage de la marge de phase pour garantir que la sortie est régulée rapidement et régulièrement dans des conditions changeantes.

La réponse transitoire est aujourd'hui plus importante qu'elle ne l'était auparavant, en particulier pendant la phase de décharge. Les applications d'aujourd'hui, y compris les entraînements de moteurs et les systèmes numériques, nécessitent un suivi rapide de la charge. Une grande boucle et des condensateurs de sortie appropriés sont nécessaires pour protéger la tension contre les variations soudaines.

Outils avancés et simulation dans la conception de SMPS

Aujourd'hui, l'intuition et le hasard ne suffisent plus pour concevoir des systèmes de protection contre les surtensions. Ces systèmes étant complexes et exigeant des performances élevées, il est nécessaire d'utiliser des outils et des logiciels de simulation avancés. Grâce à ces compagnons numériques, le processus de conception est plus rapide, moins de prototypes coûteux sont nécessaires et la performance de chaque composant est vérifiée avant qu'il ne soit soudé.

Des outils tels que LTspice, PSPICE et PowerEsim d'Infineon sont importants pour la simulation des circuits. Grâce à ces outils, les ingénieurs peuvent concevoir l'ensemble du circuit SMPS, couvrant tous ses composants, les boucles de contrôle et les éléments parasites. La simulation permet d'effectuer les opérations suivantes :

• Vérifier la fonctionnalité : Il doit fonctionner comme prévu avec différentes tensions d'entrée et charges et la tension de sortie moyenne doit être prédite correctement.
• Optimiser les performances : Ajustez les valeurs des composants pour vous assurer que le circuit fonctionne efficacement, qu'il donne la tension de sortie souhaitée et qu'il est stable.
• Analyser les scénarios les plus défavorables : Tester la conception dans les conditions les plus difficiles et les plus dangereuses qu'il est difficile de créer dans la réalité.
• Prévoir le comportement des interférences électromagnétiques : Certains outils avancés peuvent prévoir les interférences électromagnétiques, ce qui vous aide à résoudre le problème avant qu'il ne devienne sérieux. Pour ce faire, il faut généralement examiner le schéma fonctionnel qui représente l'ensemble du système.

Outre la simulation de circuits, les outils de conception de circuits imprimés sont très importants. Les fonctions d'électronique de puissance des logiciels ECAD modernes comprennent des options de coulée de cuivre pour les chemins de courant, une analyse thermique pour repérer les zones chaudes et des outils d'adaptation de l'impédance. L'agencement d'un circuit imprimé est tout aussi crucial que le schéma dans la conception d'un SMPS, car il affecte à la fois l'efficacité et l'interférence électromagnétique.

En outre, de nombreuses entreprises de l'industrie des semi-conducteurs proposent des outils de conception en ligne et des exemples de conception. Ils peuvent vous aider à commencer la conception en fournissant des solutions testées et des calculateurs pour des facteurs importants tels que le courant et la tension de l'inducteur, les réseaux de compensation et la contrainte exercée sur les composants. Ces outils aident beaucoup les concepteurs, en particulier lorsqu'ils travaillent sur des applications typiques.

Solutions SMPS sur mesure : Répondre à vos besoins

L'un des aspects les plus convaincants des Conception d'un SMPS est sa flexibilité inhérente. Contrairement aux solutions d'alimentation rigides et universelles, les SMPS peuvent être méticuleusement adaptés pour répondre aux besoins uniques et souvent exigeants de diverses applications. C'est dans cette capacité d'adaptation que réside le véritable “avantage en matière d'alimentation” pour de nombreuses entreprises.

Il suffit de penser au vaste éventail d'industries qui dépendent de l'énergie spécialisée :

• Systèmes de contrôle industriel : Exigent des alimentations robustes et très fiables, capables de fonctionner dans des environnements difficiles, souvent avec de larges plages de température et une immunité aux transitoires.
• Dispositifs médicaux : Exigez des courants de fuite très faibles, des certifications de sécurité rigoureuses (comme IEC 606601-1) et une fiabilité exceptionnelle, y compris des exigences de tension constante, afin de garantir la sécurité des patients.
• LED L'éclairage : Nécessite des alimentations à haut rendement et à gradation avec une excellente correction du facteur de puissance pour maximiser le rendement lumineux et minimiser la consommation d'énergie.
• Électronique grand public: Priorité à la compacité extrême, à la densité de puissance élevée et à la rentabilité pour la production de masse.
• Applications dans le domaine des nouvelles énergies (par exemple, recharge des véhicules électriques), Énergies renouvelables Inverseurs) : Il faut des capacités de conversion bidirectionnelle à haute puissance, une gestion thermique avancée et des fonctions de protection robustes.

Des solutions d'alimentation personnalisées adaptées à votre innovation

Chaque situation requiert des exigences différentes qu'une alimentation ordinaire ne peut pas satisfaire aussi bien qu'une alimentation personnalisée. C'est là qu'OMCH brille vraiment.

En tant que fabricant de SMPS de premier plan, OMCH (https://www.omch.com/switch-mode-power-supply/) offre plus qu'une large gamme de produits standard. Nous sommes conscients qu'une véritable innovation peut nécessiter une solution personnalisée. Nous sommes experts dans la conception de solutions énergétiques personnalisées et nous travaillons avec nos clients du début à la fin du projet.

Si votre projet nécessite une certaine taille pour des raisons d'espace, s'il doit être économe en énergie dans les conceptions à haute puissance ou s'il requiert des certifications de sécurité spéciales, notre équipe peut s'en charger. Nous construisons et fabriquons des produits SMPS qui correspondent exactement à vos besoins, afin qu'ils offrent les meilleures performances, la meilleure fiabilité et qu'ils répondent à toutes les exigences. Nous veillons à ce que votre solution d'alimentation s'adapte à votre système, et non l'inverse. C'est ce qui fait la spécificité d'OMCH - une alimentation précise, conçue pour vos nouvelles idées.

L'avenir de SMPS : tendances et innovations

La conception des blocs d'alimentation progresse plus rapidement que jamais. Les futures alimentations seront moins encombrantes, plus intelligentes et plus efficaces. La densité de puissance est l'objectif principal. Grâce au GaN et au SiC, nous pouvons désormais faire entrer plus de puissance dans des zones plus petites avec moins de pertes. Par conséquent, la taille des magnétiques et des systèmes de refroidissement peut être réduite. Pour atteindre une efficacité supérieure à 95%, il est nécessaire d'utiliser des circuits résonnants soigneusement conçus, de meilleurs aimants et des systèmes de contrôle avancés - chaque petite amélioration est très importante à grande échelle.

L'IA et la ML commencent à influencer la façon dont l'énergie est gérée. Pensez aux SMPS qui peuvent s'ajuster eux-mêmes, prédire quand ils risquent de tomber en panne et réagir aux changements dans leur environnement. De nombreuses conceptions utilisent désormais un contrôle numérique plutôt qu'analogique, ce qui offre une meilleure précision, la possibilité de programmer et des diagnostics détaillés. Il est ainsi beaucoup plus facile de personnaliser et de régler un véhicule.

La durabilité est aujourd'hui plus importante qu'elle ne l'a jamais été. Aujourd'hui, les concepteurs prêtent attention au recyclage et à l'impact de leurs produits dès le début. Omch ne se contente pas d'observer ces tendances - nous les intégrons dans le développement de nos produits SMPS de nouvelle génération. L'avenir sera efficace, intelligent et très compact.