Alimentation des sytèmes

Alimentation des systèmes
électroniques et informatiques
Joël REDOUTEY
Alimentation des systèmes électroniques
Source
d’énergie
électrique
Alimentation
Charge
L’alimentation doit permettre le transfert d’énergie de la source vers la
charge de manière sure, fiable, adaptée et avec un très bon rendement.
2
Les sources d’énergie électrique
• Réseaux alternatifs
– Monophasé
• Europe : 230Veff – 50 Hz
• USA : 115Veff – 60 Hz
– Triphasé
• Europe : 400Veff – 50 Hz
• USA : 200Veff – 60 Hz
– Avionique
• 115Veff – 400Hz
3
Les sources d’énergie électrique
• Piles et Batteries de faible puissance
– Applications
•
•
•
•
Téléphonie mobile
Ordinateurs portables
Radio et lecteurs audio
Éclairage
– Technologies des batteries
• Plomb , NiCd , NiMH
• Lithium ion
4
Les sources d’énergie électrique
• Réseaux à courant continu
– Générateur
•
•
•
•
Génératrice à courant continu
Alternateur-redresseur
Panneaux photovoltaïques
Chargeur
– Batteries
La source d’énergie primaire peut être thermique, éolienne, chimique
ou électrique.
5
Les sources d’énergie électrique
• Batteries
– 12V automobile
– 24V Camions, tension de sécurité industrielle
– 28V Avionique
– 42V véhicule électrique ( à confirmer)
– 48V téléphonie
– 96V matériel roulant
6
Les charges en électronique
• Grande diversité
– Exemple : Informatique, radio-tv
• Multi tensions 3,3V ±5V ±12V
• Circuits numériques : tension bien stabilisée,
courant variable et élevé
• Circuits analogiques : tension très bien stabilisée,
très bon filtrage (signaux faibles: RF≈quelques µV,
audio ≈ quelques mV)
• Courant très variable (moteurs, ventilateurs)
• Haute tension
7
Caractéristiques d’une alimentation
• Il n’y a pas d’alimentation universelle
• Le choix dépend du contexte technicoéconomique de l’application
–
–
–
–
–
Alimentations de laboratoire
Alimentations d’équipements (OEM)
Alimentations sans coupure
Alimentations spécifiques (≠ standard)
etc
• Nécessité de connaître les caractéristiques
techniques de l’alimentation
8
Exemple de notice technique
9
Caractéristiques d’entrée
•
•
•
•
•
•
•
•
Tension nominale (115v/230v commutable)
Tolérance sur la tension d’entrée (±10%)
Fréquence d’entrée (47-440Hz)
Sous tension de blocage (sécurité)
Rendement (>80%) → refroidissement
Sur intensité max à la mise en service
Facteur de puissance (PFC)
Temps de maintien (microcoupures)
10
Caractéristiques de sortie
•
•
•
•
•
•
•
•
Tension nominale et plage de réglage
Courant maximal et plage de réglage
Puissance de sortie (régime permanent)
Protection surtension
Protection surintensité
Taux de régulation (entrée & charge)
Stabilité (temps, température)
Réponse dynamique
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Qualité de la tension de sortie
• Ondulation
• Bruit et parasites de commutation
12
Caractéristiques
environnementales
•
•
•
•
•
•
•
•
Dimensions, poids, volume (W/kg W/l)
Températures de fonctionnement et de stockage
Humidité relative
Nature du boîtier (corrosion)
Tenue aux vibrations et aux chocs
Type de refroidissement
Bruit acoustique
Conformité aux normes (CE, sécurité, isolation,
CEM, RoHS, …)
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Alimentation Kepco 5V-120A
14
Alimentations secteur
• Isolement galvanique par transformateur
• Conversion AC → DC
• Régulation linéaire ou à découpage
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Redressement - filtrage
Simple alternance
Pont
Doubleur de Latour
16
Commutation 115V-230V
230V
115V: doubleur de tension
115V
230V: redresseur en pont
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Redressement va et vient
Transformateur
Nécessite un transformateur à point milieu
Une seule chute de tension de diode
Bien adapté aux basses tensions - forts courants
18
Calcul de la capacité de filtrage
• Exemple
C
R
18
PONT
Transformateur 230V -15V
Tension secondaire: 14,5Veff
Chute de tension dans le pont: 2V
On désire obtenir 18V avec une ondulation de 1Vcc
Estimer la valeur de la capacité C ?
19
Calcul de la capacité de filtrage
• On suppose que le condensateur se
charge instantanément à la tension crête
et se décharge à courant constant I
Vcapa
Vcrête
∆V
t
T
Variation de charge ∆Q = C∆V = I T/2
C≈ IT/2∆V
20
Calcul de la capacité de filtrage
• Exemple
Vcrête = 14,5x1,414 – 2 = 18,5V
Freq = 50Hz → T=20 ms
∆V = 1V
I= 1A
C≈ IT/2∆V ≈ 20x10-3/2 ≈ 10 000 µF
21
Surintensité à la mise sous tension
22
Courant prélevé au réseau
23
Principe du PFC
24
Principe de la régulation linéaire
• On part d’une tension supérieure à la
tension à réguler
• On chute la différence de tension dans un
élément dissipatif
• Rendement médiocre – uniquement pour
petites puissances
• Très bonne régulation - faible bruit
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Régulation
shunt
Régulation shunt
I
R
Vz
Vout
Vin
Diode Zener
V
Vin > Vout
Caractéristique d’une diode zener
Réservé aux très faibles puissances et à la création de référence de tension 26
Régulation série
RV
Vout
Vin > Vout
référence
On utilise un transistor comme résistance variable
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Exemple de régulateur série
Q2
Vin
Vout
NPN
R2
R5
R1
Q1
C1
R4
RV1
C2
NPN
D3
R3
Diode zener
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Régulateurs 3 pattes
fusible
Pont
78xx
VI
C3
Interrupteur
VO
GND
230Veff
3
C4
2
1
Série 78xx : régulateurs positifs fixes de 5 à 24V 1,5A max
Série 79xx : régulateurs négatifs fixes de -5 à -24V 1,5A max
LM317 : régulateur positif ajustable 1,5A
LM337 : régulateur négatif ajustable 1,5A
29
Régulation
linéaire
Régulation linéaire
•
•
•
•
Très bonne régulation
Faible bruit
Circuits très simples
Rendement médiocre
• Alimentations de faible puissance
• Nécessité d’une qualité de tension élevée
30
Régulation à découpage
• On fait appel à des éléments
passifs capables de stocker
momentanément de l’énergie
(inductances et condensateurs)
et à des interrupteurs servant
d’aiguillage.
31
Topologies de base
• 3 topologies de base:
–Abaisseur de tension (buck)
–Élévateur de tension (boost)
–Inverseur de tension (buck-boost)
• Sans isolement galvanique
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Abaisseur de tension (buck)
L
K
+
Is
+
IL
Ve
D
Ce
Cs
Vs
R
-
-
L
L
+
Is
+
+
Ve
Cs
Ce
-
-
di
V e-V s = L
dt
R
Ve
Vs
d' où
Cs
Ce
Vs = α Ve
R
Vs
-
-
V -V
i (t) =I m + e s t
L
Is
+
IL
IL
i(t) = I M -
Vs
(t - αT)
L
33
Abaisseur de tension (buck)
34
Élévateur de tension (boost)
L
+
D
Ce
Ve
Is
+
I
k
Cs
Vs
-
-
L
+
L
Cs
-
Ve = L
+
Is
+
I
Ce
Ve
Vs
R
d' où
i (t) =I m +
Cs
-
Ve
t
L
Vs
R
-
i(t) = I M -
Vs =
Is
+
I
Ce
Ve
-
di
dt
R
Vs - Ve
(t-αT)
L
Ve
(1-α)
35
Élévateur de tension (boost)
36
Inverseur de tension (buck-boost)
D
K
+
IL
Ce
Ve
Vs
L
R
Cs
+
-
Is
-
+
IL
Ve
L
Ce
+
Vs
R
Cs
+
-
Ve
Ce
IL
L
Vs
+
-
Is
Ve = L
di
dt
d' où
i (t) =I m +
V
i(t) = I M - s (t - αT)
L
Ve
t
L
Vs
α
=
Ve 1- α
R
Cs
Is
37
Inverseur de tension (buck-boost)
38
Convertisseurs non isolés
En conduction continue
Abaisseur
Vs/Ve
α
Courant discontinu
d’entrée
Courant
continu
de sortie
Élévateur
Inverseur
1/(1-α)
α/(1-α)
continu
discontinu
discontinu
discontinu
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Modélisation du transformateur
Transformateur
parfait
i2
i1
V1
Lp
n1
n1 i 1 = n2i 2
n2
et
V2
n2
V2
=
n1
V1
40
Convertisseur à accumulation
Ie
K
.
Ce
Ve
Is
D
.
N1
N2
Vs
Cs
Démagnétisation complète
i2
i1
Ve
V
î 1 = e αT
Lp
Lp
Lp
n1
n2
R
2
Vs
i1
i 2 (t) = (
n1 2
)
n2
n2
Vs
αT
( Vs +
Ve ) −
t
n1
Lp
Lp
41
Convertisseur à accumulation
Puissance d’entrée
Pe =
2
1 1
( Lp î 1 )
T 2
Puissance de sortie
P s = V s Is =
Rendement = 1
2
Vs
R
2
Vs
L p Ve
2
(
αT ) =
2T L p
R
Vs
= α
Ve
RT
2L p
42
Modulation de largeur d’impulsion
Oscillateur
+
Vc
U
Vc
t
V MLI
0
∝T
T
T + ∝T
t
2T
Fréquence fixe, rapport cyclique α proportionnel à la tension de consigne
43
Convertisseur en demi pont
+Ve
T1
C1
D3
C3
TR1
D1
L
+
Vin
*
*
V2
-
V1
Circuit de commande
*
V4
C
RL
Vout
V3 D2
T2
D4
C2
Utilisée dans les alimentations de PC
44
MODELE DU TRANSFORMATEUR
*
V1
n2=n3
LP
n1
*
n2
V2
*
n3
V3
n=n2/n1=n3/n1
45
Convertisseur en demi pont
46
Convertisseur en demi pont
47
Convertisseur en demi pont
48
Convertisseur en demi pont
49
Formes d’ondes
50
Convertisseur en demi pont
+Ve
T1
C1
D3
C3
TR1
D1
L
+
Vin
*
*
V2
-
V1
Circuit de commande
V4
C
*
RL
Vout
V3 D2
T2
D4
C2
V4 = n Vin / 2
F=1/T, α, ton = αT
2F, ton = αT → α’ = 2α
Conduction continue → Vout = n α Vin
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Limite de conduction continue
• Iout = ∆IL / 2
• Nécessité d’une charge minimale en sortie
(voyant, ventilateur, précharge)
52
Exemple de dimensionnement
Vin = 325V
Vout =12V
Iout = 8A
F = 30kHz
n = 0,19
α = Vout/nVin = 12/(0,19.325) = 0,19
α = ton/T = ton. F
ton = α /F = 0,19/30 000 = 6,5 µs
On fixe l’ondulation dans l’inductance: 10% du courant nominal ∆I = 0,8A
L = ton . (Vin/2 . n – Vout) /∆I
L = 153µH
53
Dimensionnement des diodes
L
D1
*
V1=Vin/2
n2=n3
n1
*
n2
V2
D2
*
n3
VR = (v2+V3) = nVin
V3
n=n2/n1=n3/n1
VR=V2+V3=2nVin/2 = nVin
VR= 0,19 . 325 = 62V
I moy = Iout/2
Imoy = 4A
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Dimensionnement des transistors
• Courant transistor
– Courant secondaire ramené au primaire
*
V1
LP
n2=n3
n1
*
n2
V2
*
n3
V3
n=n2/n1=n3/n1
– Courant magnétisant
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Dimensionnement des transistors
• Courant crête
Iprimaire = n.(Iout + ∆I/2)
Iprimaire = 0,19 . (8 + 0,4) =1,6A
Courant magnétisant << Iprimaire
• Tension max = Vin = 325V
On choisira un calibre Ic = 2A Vceo = 400V
56
Sortie multiple
T1
C1
D3
TR
C3
D1
L1
+12V
+
Vin
*
*
C4
D2
-
Circuit de commande
*
D5
T2
D4
+5V
C2
D6
L2
C5
R2
R1
Régulation MLI
R3
Pondération
57
Post régulation
Exemple : 3,3V à partir du 5V dans les alims de PC
58
TL494
59