Accueil » Dossier » Fonctionnement d’une alimentation (1ère partie)

Fonctionnement d’une alimentation (1ère partie)

1 : Introduction 2 : Pourquoi du découpage ? 3 : Comment découpe-t-on une tension ? 4 : Fonctionnement 5 : Approfondissements des composants 6 : Approfondissements des composants (suite) 7 : Topologies de fonctionnement 8 : Topologie en demi-pont 9 : Topologie en demi-pont (suite) 10 : Topologie en conduction directe 11 : Topologie en conduction directe (suite) 12 : Point de vue global sur l'alimentation, modifs à éviter 13 : Rendement électrique 15 : Rendement électrique : remise en cause et évolution

Rendement électrique : améliorations possibles

On peut évidemment choisir des composants ayant de meilleures caractéristiques telle qu’une plus faible résistance série pour les transistors (en vérifiant que la capacitance n’augmente pas trop), des diodes avec de très faibles tensions de seuil, des condensateurs spéciaux à très basse résistance équivalente, mais leur coût est évidemment proportionnel à leur qualité. La géométrie des transformateurs et des inducteurs peut aussi être optimisée pour limiter les pertes magnétiques diverses, mais c’est un domaine complexe et les prix s’envolent vite.

Un autre moyen est d’adapter les topologies existantes en remplaçant certains composants passifs par un système actif qui imitera leur comportement sans en avoir les inconvénients. Certaines topologies résonantes ciblent et s’attaquent à un problème bien particulier et sont de ce fait très efficaces. Malheureusement, si l’on veut optimiser chaque source de pertes, la complexité de l’alimentation croit exponentiellement :

Image 1 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)

Ci-dessous, on peut représenter les différences d’efficacité entre les topologies classiques (soit à transistors bipolaires ou MOSFET plus récents) et les nouvelles topologies résonantes qui permettent d’aller plus loin dans la fréquence de découpage afin de réduire l’encombrement. En plus, en augmentant cette vitesse de découpage, on augmente l’aspect dynamique de l’alimentation à des sollicitations rapides sur les lignes, ce qui est bénéfique pour la stabilité :

Image 2 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)

A ce niveau, on peut citer l’une des autres avancées qui existent déjà dans certaines alimentations industrielles avec une technique appelée « redressement synchrone ». Le but de cette manipulation est de remplacer toutes les diodes Schottky juste après le transformateur. Elles sont l’une des sources majeures de pertes à cause de la chute de tension (~0.5 V) qu’elles occasionnent lors du passage d’un courant. On les remplace alors par 2 transistors pilotés de manière à reproduire leur comportement (passante ou bloquée), mais en éliminant une grosse partie des pertes :

Image 3 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)

Au final, c’est bien plus efficace car les pertes dues aux transistors sont beaucoup plus faibles grâce à leur résistance de passage très faible (quelques milliohms). Le problème c’est qu’il faut une circuiterie supplémentaire pour les gérer, en sachant qu’il y en a 6 à caser dans l’alimentation avec 2 par tension (12, 5 et 3.3 V). Il ne faut pas oublier les pertes par commutation, mais avec un excellent circuit de pilotage, on peut s’arranger pour anticiper l’arrivée des impulsions et fermer le MOSFET juste avant qu’elle ne le traverse pour éviter d’avoir tension et courant à ses bornes en même temps, et donc limiter ses pertes. Ca devient du haut niveau et la complexité s’en ressent. Ce dispositif est plus coûteux et nettement plus complexe à synchroniser, mais parions que dès qu’un fabricant d’alimentations ATX l’utilisera, les autres devraient rapidement s’y mettre. Le gain en rendement peut se situer entre 3 et 7 % suivant la puissance désirée, c’est considérable.

Pour donner un exemple chiffré, on suppose un courant délivré de 20 A sur le 12 V. Les pertes occasionnées par des diodes Schottky traditionnelles se chiffrent à ~17 W. Si on améliore leur tension de seuil de 0.2 V en prenant la meilleure qualité possible, les pertes passent à ~13 W, le gain est faible pour un prix plus élevé. Et si on utilise la rectification synchrone avec 2 MOSFETs de résistance série égale à 10 mOhms, les pertes chutent à ~4 W !

On peut utiliser des MOSFET quasiment partout pour optimiser un tas de choses différentes. La seule limite est la complexité et le coût de l’ensemble. Certaines approches les utilisent même dans la régulation du 3.3 V avec un deuxième système à découpage pour le réguler à partir du 5 V. Nos alimentations font la même chose, mais avec un simple amplificateur magnétique (mag-amp) qui servira d’interrupteur magnétique à retard.

Pour améliorer le rendement à faible charge, l’une des pistes pour l’optimiser est de diminuer la fréquence de découpage à la volée pour réduire les pertes de commutation. Au lieu d’avoir des impulsions très brèves à une fréquence donnée, suivies d’un long temps d’inactivité, on fait l’inverse en gardant une largeur d’impulsion constante à une fréquence plus faible. Certains contrôleurs spéciaux permettent ce genre de manipulation, mais ça ne nous concerne pas encore. En combinant les 2 modes suivant un seuil prédéfini, l’alimentation devient alors « intelligente » et son rendement s’améliore à faible puissance. On pourrait comparer ça à la technologie Speedstep de certains processeurs qui ralentissent quand on ne fait rien pour économiser l’énergie, ici ça serait pour limiter les pertes et consommer moins aussi.

Les améliorations sont innombrables, mais encore faut-il vouloir les faire. Cela ne semble pas être le cas, faute de compétences peut être (hormis chez les entreprises spécialisées)…

Sommaire :

  1. Introduction
  2. Pourquoi du découpage ?
  3. Comment découpe-t-on une tension ?
  4. Fonctionnement
  5. Approfondissements des composants
  6. Approfondissements des composants (suite)
  7. Topologies de fonctionnement
  8. Topologie en demi-pont
  9. Topologie en demi-pont (suite)
  10. Topologie en conduction directe
  11. Topologie en conduction directe (suite)
  12. Point de vue global sur l'alimentation, modifs à éviter
  13. Rendement électrique
  14. Rendement électrique : améliorations possibles
  15. Rendement électrique : remise en cause et évolution