La conversion d’une tension continue en une autre dans un circuit électronique a connu une évolution sur plus de cinquante ans, avec une sophistication croissante – les conceptions modernes ayant des densités de puissance incroyablement élevées et des avancées correspondantes en matière d’efficacité pour maintenir la dissipation de puissance faible. Les conceptions actuelles de RECOM incluent de nombreuses innovations qui appliquent des techniques de conception des alimentations électriques haute puissance pour bénéficier des convertisseurs de faible puissance dans les plus petits boîtiers.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s ower Systems.
Les premières solutions de conversion C/C étaient toutes des conceptions linéaires peu bruitées qui étaient simples à utiliser mais avaient deux inconvénients majeurs. remièrement, la tension de sortie doit toujours être inférieure à la tension d’entrée ; cependant, un régulateur linéaire est très inefficace et dissipe une proportion importante de la puissance fournie sous forme de chaleur. euxièmement, en fonction de la différence de tension entre l’entrée et la sortie, les rendements du régulateur linéaire peuvent être de 60 % ou moins.
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
L’invention du convertisseur C/C à commutation a résolu ces deux problèmes mais a nécessité une méthodologie de conception plus complexe. Contrairement aux conceptions linéaires, les convertisseurs à commutation exploitent les propriétés de stockage de l’énergie des composants inductifs et capacitifs pour transférer de l’énergie sous forme de paquets discrets. Les impulsions d’énergie sont stockées soit dans le champ magnétique d’une bobine, soit dans le champ électrique d’un condensateur.
L’unité de commande à commutation veille à ce que seule la puissance requise par la charge soit transférée à chaque cycle de commutation, ce qui rend cette topologie très efficace. Les meilleures conceptions peuvent atteindre des rendements de 97 % ou plus. La figure 1 montre le schéma-bloc simplifié d’un convertisseur C/C à commutation.
igure 1. Schéma-bloc simplifié d’un régulateur à commutation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
La fonction de commutation dans la figure 1 est assurée par des transistors de puissance qui alternent entre leurs états « allumé » et « éteint » très efficaces dans une séquence contrôlée. Ceci contraste avec le fonctionnement continu d’une conception linéaire. Un convertisseur C/C à commutation peut produire une sortie soit supérieure, soit inférieure à l’entrée (élévation ou abaissement de tension) ou inverser la tension de l’entrée à la sortie.
La sortie peut être régulée ou non régulée. La tension de sortie d’un convertisseur non régulé varie considérablement avec les variations du courant de charge ou de la tension d’entrée. ans une conception régulée, une boucle de rétroaction (ligne pointillée) renvoie la tension de sortie au bloc de commutation ; cela modifie le fonctionnement du commutateur pour compenser les écarts de tension de sortie par rapport à la valeur souhaitée, qu’ils soient causés par des variations de la tension d’entrée (par exemple, une batterie d’alimentation qui se décharge lentement) ou par des variations de la charge.
Les topologies de commutation les plus simples partagent un trajet de courant de masse commun entre l’entrée et la sortie et sont donc non isolées, l’élément inductif étant une bobine. Un convertisseur isolé assure une isolation galvanique entre l’entrée et la sortie car il transfère de l’énergie via un champ électromagnétique grâce aux enroulements mutuellement couplés d’un transformateur. Comme la sortie est électriquement isolée de l’entrée, il n’a pas d’importance si la tension d’entrée a la même polarité ou une polarité opposée par rapport à la sortie. ans une conception linéaire, le courant de retour à la masse circule directement entre l’entrée et la sortie ; ainsi, l’isolation n’est pas une option et seuls trois broches sont nécessaires : Vin, masse commune et Vout.
Topologies de convertisseurs C/C pour les convertisseurs C/C de faible puissance
Il est presque évident dans la conception des alimentations électriques que de meilleures performances vont de pair avec un coût plus élevé, une complexité accrue et un encombrement plus important. Étant donné que les utilisateurs de petits convertisseurs C/C privilégient la compacité et la rentabilité, comment RECOM répond-il à leurs exigences dans ses produits isolés C/C de faible puissance ?
La topologie push-pull est largement utilisée pour les convertisseurs C/C isolés. C’est une méthode peu coûteuse pour générer des tensions supérieures, inférieures ou inversées, car le rapport de transformation du transformateur détermine la relation de tension de sortie. La topologie est simple, relativement efficace et a des émissions électromagnétiques relativement faibles.
igure 2. Convertisseur C/C push-pull avec sortie non régulée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
La figure 2 montre le schéma-bloc d’un convertisseur C/C push-pull isolé avec une sortie non régulée. our gagner de l’espace, l’oscillateur et les transistors d’attaque peuvent être combinés dans un circuit intégré de commande dédié pour transformateur push-pull.
our une sortie régulée, l’approche la plus simple consiste à ajouter un régulateur linéaire côté secondaire en série avec la ligne +Vout, comme le montre la figure 3. Cette approche permet d’atteindre l’objectif souhaité et convient aux conceptions C/C de plus faible puissance. Un exemple en est la série RECOM RY/, où le régulateur linéaire offre une protection contre les courts-circuits ainsi qu’une sortie régulée et peu bruitée.
igure 3. Convertisseur C/C push-pull avec sortie régulée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
Ce type de conception peut atteindre des rendements d’environ 65 à 75 %. Au-dessus de 1 W ou 2 W, l’optimisation de l’efficacité devient une priorité plus élevée, nécessitant une meilleure adaptation de la conception. Ainsi, au lieu de la régulation côté secondaire, la régulation côté primaire est utilisée. Au lieu du régulateur linéaire, la tension de sortie est surveillée côté secondaire et comparée à la tension souhaitée pour générer une tension d’erreur qui est ensuite renvoyée au contrôleur d’oscillateur côté primaire. Celui-ci ajuste la fréquence de commutation pour amener l’erreur vers zéro. Comme il s’agit d’une conception isolée, le signal d’erreur doit également être isolé. La figure 4 montre cette approche utilisée dans les convertisseurs régulés de RECOM d’une puissance nominale de 3 W et plus, permettant des rendements d’environ 85 %.
igure 4. Le signal d’erreur côté secondaire fournit une rétroaction au contrôleur côté primaire. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
Une approche plus sophistiquée est nécessaire pour les convertisseurs C/C avec une puissance de sortie encore plus élevée. Non seulement le régulateur linéaire gaspille de l’énergie comme discuté précédemment, mais les deux diodes côté secondaire sont également des sources de pertes. Une diode de puissance présente une chute de tension directe typique de 0,5V, ce qui se traduit par une perte de puissance de 0,5 W à 1 A.
La solution consiste à remplacer les diodes et le régulateur linéaire par un redresseur synchrone composé de deux ETs et d’un contrôleur.
igure 5. Redressement passif (à gauche) vs. redressement synchrone (à droite). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
La figure 5 illustre les deux approches. Les ET agissent comme des redresseurs en s’allumant pendant la partie positive du cycle et en s’éteignant pendant la partie négative du cycle. La combinaison d’une commutation rapide et d’une très faible résistance RS(ON) d’environ 10 mΩ rend les ETs idéaux pour les redresseurs. L’inconvénient est qu’ils doivent être activement pilotés, de sorte que des circuits de temporisation et de commande supplémentaires sont nécessaires pour détecter les tensions internes et allumer et éteindre correctement les deux ETs de manière synchrone avec la forme d’onde de sortie. Les diodes sont des dispositifs passifs qui n’ont pas besoin de circuits supplémentaires pour fonctionner, mais l’efficacité accrue offerte par le redressement synchrone compense largement l’augmentation de la complexité des coûts pour les convertisseurs de courant de sortie plus élevée.
igure 6. Le R20 intègre de nombreuses techniques de conception pour améliorer l’efficacité. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s ower Systems [PDF]
Le redresseur synchrone est utilisé dans la famille R20 de convertisseurs C/C de 20 W de RECOM qui peuvent atteindre des rendements pouvant aller jusqu’à 89 %. Cette conception comprend également le signal d’erreur isolé décrit précédemment. Enfin, le R20 de la figure 6 peut atteindre des rendements de 85 à 89 % sur une large plage de charge.
es techniques de conception empruntées à des alimentations bien plus grandes sont appliquées aux convertisseurs C/C de plus faible puissance, ce qui permet d’obtenir des rendements plus élevés. Étant donné que les priorités des clients changent à mesure que les niveaux de puissance augmentent, des modifications appropriées doivent être apportées. RECOM est un leader dans le choix des bonnes conceptions pour la meilleure combinaison de coût et de taille.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s ower Systems [PDF].