Comment fonctionne une alimentation à découpage (SMPS) ?

Vous recherchez une alimentation électrique capable de convertir l'énergie d'une source AC ou DC en un ou plusieurs niveaux DC ? Alors, vous avez besoin d'une alimentation à découpage. Voici comment elles fonctionnent.   Communément appelés « convertisseurs à découpage », ces dispositifs commutent leurs sources d'alimentation plusieurs fois par seconde. Cette commutation crée une fréquence d'entrée effective atteignant souvent la gamme des mégahertz.

Le « commutateur » dans une alimentation à découpage est en réalité un semi-conducteur – un MOSFET qui est soit éteint soit allumé – poussé dans sa plage de saturation pour transférer l'énergie avec une résistance quasi nulle. Cela se produit des milliers de fois par seconde, créant ainsi un intermédiaire en courant alternatif à haute fréquence. Comme le semi-conducteur est poussé en saturation, il affiche pratiquement aucune résistance, ce qui permet une efficacité élevée et une très faible génération de chaleur. Une alimentation linéaire, en revanche, tient son nom du fait que ses redresseurs fonctionnent dans la plage linéaire. Cela signifie que lorsqu’ils conduisent de l’énergie, ils le font avec une résistance, avec toute la perte d'énergie et la génération de chaleur inhérentes au processus.   Quelle que soit la fréquence à laquelle le semi-conducteur s’allume et s’éteint, le laps de temps entre le début de chaque impulsion « en marche » est défini comme la période de commutation. La durée en marche, comme fraction d’une période de commutation, est appelée le cycle d’utilisation. En modifiant le cycle d’utilisation, on contrôle la tension de sortie. Changer le cycle d’utilisation « à la volée » permet de maintenir la tension à la valeur cible. 

Haute efficacité – Ils génèrent beaucoup moins de chaleur. Les unités de faible puissance n'auront souvent pas besoin d'un bouclier thermique, ce qui permet de les monter directement sur des PCB.   Format compact – Étant donné que les commutateurs fonctionnent à une fréquence plus élevée, la valeur, et donc la taille de leurs condensateurs et inductances de filtrage associés, sera plus petite, et l'unité globale occupera moins d'espace.   Conception polyvalente – Les commutateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (Boost) ou réduire la tension (Buck) selon les besoins de l'application.

Terminologie   Les convertisseurs sont souvent décrits en termes de briques, demi-briques et quarts de briques. Une brique complète a des dimensions en pouces de 4.6 x 2.4 x 0.5, une demi-brique de 2.3 x 2.4 x 0.35 et un quart de brique mesure 2.3 x 1.45 x 0.35. Ces définitions sont largement acceptées, mais pas uniformément respectées. La spécification inclut également le brochage, de sorte qu'en utilisant des convertisseurs conformes à la norme, il est très facile de substituer un produit lorsque le concepteur en a besoin ou le choisit. Les alimentations électriques de type quart de brique des modèles récents peuvent fournir 250 watts ou plus de puissance électrique. Cela représente une grande amélioration par rapport à l'espace précédemment nécessaire pour l'alimentation, libérant ainsi de la place pour inclure davantage de fonctionnalités dans le produit en cours de conception.   Construction   Les équations décrivant la physique des convertisseurs sont remarquablement simples. Les réalités pratiques liées à la manipulation d'ampères, contrairement aux microampères que la plupart des ingénieurs électriciens manipulent généralement, peuvent entraîner des retards, des coûts supplémentaires, voire des échecs complets de produit. La conception de convertisseurs est toujours mieux confiée à un spécialiste de l'alimentation, et c’est une situation où il est presque toujours préférable d’acheter plutôt que de construire.    Les ingénieurs ont deux principales options pour concevoir avec des alimentations à découpage. La première est une alimentation unique qui génère toutes les tensions nécessaires au système alimenté. La seconde implique une unité se connectant au secteur externe, mais avec une seule sortie DC, souvent soit 12, 24, ou 48 volts. Dans ce cas, la tension produite par l'alimentation principale est la plus élevée nécessaire. Si une tension plus faible est requise dans le système, un convertisseur abaisseur peut être utilisé pour effectuer la conversion nécessaire de DC à DC.   Les convertisseurs abaisseurs sont extrêmement efficaces, avec des pertes de seulement 5 % ou même moins. Ils sont également parfois désignés comme régulateurs à découpage. De manière similaire à tous les convertisseurs, le cœur du convertisseur abaisseur est un interrupteur semi-conducteur qui module la tension de source en la coupant et en la réactivant des milliers de fois par seconde ou plus.   En raison de leurs avantages de conception, les alimentations à découpage sont rapidement devenues la norme dans toutes les applications sauf les plus techniques et exigeantes. Les conceptions continuent d'être constamment améliorées en termes d'efficacité, de taille réduite et de poids réduit. Vous recherchez davantage de conseils sur les alimentations électriques ? Approfondissez le sujet avec notre analyse des principaux types de convertisseurs DC à DC à découpage.