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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 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

Approfondissements des composants (suite)

On arrive à la fin du processus avec un signal redressé, mais toujours en créneau. Il faut maintenant le lisser et le filtrer pour obtenir une tension et un courant propres et stables. Cet étage de filtrage est l’un des plus importants, sinon le plus important à ne surtout pas négliger. De lui dépend la qualité des signaux envoyés à tous les périphériques. Ci-dessous, figure un étage de filtrage fin, situé juste après une barrière Schottky D3/D4, qu’on retrouve sur chaque tension principale d’une alimentation. On n’en représente qu’une seule par commodité :

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

Image 2 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)Le point remarquable qui permette le bon fonctionnement d’un système à découpage repose sur les propriétés des inductances (notée « inductance de lissage » sur la photo de l’alimentation par ex.). Le courant qui traverse une inductance, qui est un fil entouré autour d’un noyau ferromagnétique, ne peut en aucun cas s’interrompre ou changer brutalement. Quand le courant varie rapidement, l’inductance s’oppose à sa variation en tentant de maintenir un niveau constant grâce à l’énergie qu’elle a emmagasiné sous forme magnétique dans son noyau lors du passage du courant. S’il diminue ou s’interrompt, l’inductance maintient le courant de sortie aussi longtemps que possible, elle agit alors comme un générateur.

Cette propriété très pratique est utilisée pendant le temps où le courant délivré par le transformateur est nul (entre chaque impulsion). Il ne faut évidemment pas interrompre l’apport d’énergie aux périphériques, ne serait-ce qu’une fraction de seconde ! Cette tâche revient à une grosse inductance L1 qui donne un courant de cette allure sous le régime d’impulsions :

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

Le temps Ton est le temps de conduction des transistors. Pendant Ton, le courant arrive directement de l’étage de découpage au travers du transformateur pour alimenter la charge. Dans le même temps, l’inductance se charge en énergie magnétique au passage du courant qui grimpe doucement. Le temps Toff est le temps où l’étage de sortie est complètement coupé du monde (transistors de découpage bloqués). Durant cette période, c’est l’inductance qui s’occupera alors de fournir le courant le temps qu’une nouvelle impulsion arrive et ainsi de suite. D’un point de vue extérieur, le courant équivalent est la moyenne de ce signal en dent de scie. Si l’on regarde les tensions à l’oscilloscope, on peut retrouver cette forme triangulaire à la fréquence du découpage (ou du double suivant la topologie) car le lissage n’est pas parfait. Cette inductance L1 jouera aussi un rôle dans les alimentations à régulation couplée…

Image 4 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)Le courant est continu et lissé, on s’attaque maintenant au filtrage de la tension à l’aide des condensateurs C9 et C10 qui forment un filtre passe-bas avec une petite inductance L2. Ce filtre a pour rôle de bloquer et d’atténuer les parasites hautes fréquences issues du découpage. Un condensateur c’est l’inverse d’une inductance si l’on veut, lui ne tolère pas que la tension à ses bornes varie brutalement. Il fera tout pour la maintenir à un niveau constant en délivrant l’énergie emmagasinée pour compenser. Malgré les variations possibles en sortie, le condensateur lissera donc les imperfections pour donner une tension aussi plate que possible.

Image 5 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)Il doit y avoir une capacité suffisante (en Farad) pour assurer la continuité lors des demandes brutales de puissance sur la ligne, le temps que l’alimentation réagisse et n’ordonne au découpage d’envoyer plus d’énergie. Si on ne met pas assez de condensateurs, la stabilité de l’alimentation en pâtira sérieusement car à la moindre sollicitation, la tension s’effondra pendant une fraction de seconde faute d’énergie disponible et cela peut suffire à faire planter la machine. L’ondulation résiduelle (ripple) sera plus importante faute de condensateurs et la tension sera beaucoup moins propre. C’est ce que vous aurez sur des alimentations bas de gamme où l’on n’hésite pas à réduire, voire à supprimer, des condensateurs et des petites inductances afin de faire des économies. Il en résulte bien évidemment une tension de sortie complètement ignoble. Ils doivent aussi être du type « Low ESR » (ou mieux « Ultra Low ESR »), c’est à dire à faible résistance série pour éviter les pertes inutiles (un condensateur ça chauffe un peu).

Souvenez-vous des problèmes de condensateurs de mauvaise qualité qui laissaient échapper leur liquide électrolytique sur certaines cartes mères et notamment à l’étage d’alimentation du processeur où ils sont beaucoup sollicités. La capacité totale était largement diminuée et le plantage survenait quand le processeur passait à pleine charge car son Vcore, qui doit être maintenu avec une tolérance très stricte, ne pouvait plus l’être et s’effondrait lors de l’appel du courant (vitesse de montée = plusieurs dizaines d’ampères par microseconde).

Voilà, on a finalement notre tension de sortie relativement propre pour alimenter ce que l’on veut. Le dernier point, et non des moindres, concerne l’aspect régulation pour maintenir les tensions à un niveau stable quelles que soient les charges sur les lignes. Ca sera l’objet d’une partie comparative entre les régulations classiques dites « couplées » ou « croisées » et les régulations indépendantes beaucoup plus performantes. Cette régulation se fera en agissant sur le temps de conduction des transistors de découpage. Plus on demandera de puissance en sortie, plus ils enverront d’énergie dans le transformateur, et inversement.

On n’oublie pas de parler du 5VSB (StandBy) qui possède son propre étage de découpage, son mini transformateur et son circuit de sortie dédié, tout en parallèle du reste. La puissance disponible est très faible et il reste tout le temps actif même lorsqu’on éteint la machine sans retirer la prise. Il permet d’assurer des fonctions de réveil en réseau, de démarrage au clavier, etc. On ne parle pas du -5 V qui est désormais obsolète depuis Janvier 2002. Il reste le -12 V qui peut être créé à partir de l’enroulement du 12 V en mettant 2 petites diodes à l’envers par exemple, ça suffit amplement vu le peu de puissance nécessaire.

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