alimentation à découpage

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Fonctionnement d'une alimentation - Page 1/25Rdig par David D. - 29/12/2005 Catgorie : Alimentations

1 - Introduction

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Introduction

Toujours plus de puissance lectrique fournir aux dernires gnrations de matriels aptes faire tourner correctement les jeux les plus lourds par exemple : voil le dilemme auquel les utilisateurs doivent faire face lors de l'achat d'une nouvelle configuration ou d'une mise jour de leur machine. On ne rappellera jamais assez qu'une alimentation de qualit est un investissement un peu coteux, mais utilisable sur du moyen terme car les normes ce niveau voluent assez lentement. Il y a encore quelques annes, les alimentations dites "nonames" suffisaient. Aujourd'hui, la demande de courants toujours plus levs n'est pas sans poser de problmes et ncessite des composants d'une certaine qualit. Par exprience, il faut viter les alimentations gnriques car elles ne rapportent en gnral que des ennuis et potentiellement des dommages pour l'ensemble du matriel si elles viennent drailler. Les maux sont nombreux : rgulation quasi inexistante, scurits absentes, sousdimensionnement gnralis, filtrage bcl, composants bas de gamme, nuisances sonores, etc. Pour avoir personnellement essay une alimentation gnrique donne pour 350 W (fourni avec un botier), en attendant d'en recevoir une bonne, sur une simple configuration compose d'un AMD64 3000+ non o/c, 512Mo de DDR et d'une Radeon 9800 Pro, l'alimentation a brle peine 5 secondes aprs avoir lanc 3DMark 2005 ! Rien d'tonnant cela quand on l'ouvre pour voir les choix technologiques suicidaires qui sont fait force de vouloir faire des conomies. Ngliger l'alimentation est une erreur qui peut donc se payer cher et malheureusement certaines marques, qui ne sont pas loin de ce que l'on pourrait appeler des "nonames" remarques, annoncent des caractristiques trompeuses sur leurs produits qui ne refltent absolument pas la ralit ! Il ne faut pas tre dupe quand une alimentation sense pouvoir dlivrer 500 W est vendue 20 car si elle tient 250 W en continu en respectant la norme c'est dj bien beau... Entre les puissances en crte et les puissantes rellement dlivrables, il y a un gouffre que certains n'hsitent pas franchir pour abuser les clients potentiels.

En rgle gnrale et par mesure de sret, il faut viter de tirer plus de 80 % de la capacit maximale d'une alimentation afin de prvenir tout risque d'usure

prmature ou de stabilit court terme. Mme si une alimentation de qualit arrivera tenir la charge maximale sans se mettre en scurit, elles ne sont pas vraiment faites pour rester de tels niveaux de contraintes pendant longtemps (chute du rendement, stabilit moindre, temprature leve, etc.). Ce dossier va dcrire assez en profondeur un grand nombre d'aspects relatifs l'lectronique des alimentations et aux diffrents facteurs qui nous intressent directement lorsqu'on souhaite acheter une alimentation. Certaines notions sujettes de nombreuses confusions seront dcryptes pour en faciliter la comprhension. De nombreux exemples concrets seront fournis pour comprendre correctement les diffrents aspects et c'est normalement assez accessible si la lecture est soutenue. Attention, le contenu de ce dossier est trs riche et extrmement dense...

Pourquoi du dcoupage ?Principe de baseUne alimentation pour ordinateur est un systme complexe qui doit tre capable de fournir plusieurs tensions de manire rgule (3.3, 5, 12 et -12 V actuellement). Les alimentations basse tension du type chargeur ou petit transformateur pour console, tlphone, etc. abaissent le 230 V alternatif quelques volts l'aide d'un transformateur, le redressent grce un pont de diodes, le lissent grce un condensateur et le rgulent (pas toujours le cas) pour fournir du 12 V continu par exemple. C'est un systme simple de ce type :

Le problme c'est que le rgulateur linaire, qui agit comme une rsistance variable s'occupant de maintenir ce 12 V en sortie quelles que soient la tension d'entre et la charge applique, occasionne une chute de tension (on passe de 15 12 V par ex.). Celle-ci gnre donc des pertes et une puissance thermique qu'il faut vacuer. Le rendement d'un tel systme est trs mauvais (25-50 %) car on dissipe beaucoup d'nergie inutilement, mais il est suffisant pour de trs petites puissances car c'est trs peu cher fabriquer. Nanmoins, on emploie de plus en plus du dcoupage pour optimiser et rduire normment la taille de ces adaptateurs. Si on utilisait ce genre de systme linaire pour alimenter un PC qui demanderait 300 W, il faudrait consommer pas loin de 900 W pour que le systme fonctionne, avec une diffrence de 600 W qui partirait en chaleur ! En 50 Hz, il faudrait un gros transformateur, pesant pas loin de 10 kg, pour tre capable de fournir 300 W, en plus des 600 W de pertes induites par la rgulation, qu'il faudra bien dissiper.... Il faut donc trouver une solution beaucoup plus efficace et c'est l que le dcoupage intervient. Pour faire simple, une alimentation dcoupage transforme le 230 V alternatif en 325-400 V continu, puis hache cette tension haute frquence pour en faire un train de fines impulsions (dure = ~0.00001 seconde), dont la moyenne lisse et filtre donnera les tensions ncessaires en sortie. Voici l'explication en images :

Le rapport cyclique (duty cycle en anglais) est le rapport entre le temps de conduction et le temps d'une priode (conduction+blocage) de la forme en crneau. Si on hache du 10 V avec un rapport cyclique de 50 %, on obtient du 5 V en moyennant le signal obtenu. Si on hache ce 10 V 25 % maintenant, on obtiendra du 2.5 V et ainsi de suite. Il suffit de calculer le bon rapport entre le temps de conduction et la valeur de la tension dcouper pour avoir ce que l'on souhaite en sortie.

Comment dcoupe-t-on une tension ?Pour dcouper la tension, on n'utilise rien d'autre qu'un interrupteur qui va s'ouvrir et se fermer trs rapidement. Cet interrupteur lectronique est un transistor (technologie bipolaire ou MOSFET) que l'on pilotera tout simplement en ouverture et en fermeture (rgime de commutation). Le processus se fait une frquence de plus de 20 kHz pour tre au dessus des frquences audibles par l'homme. En gnral, on se trouve entre 32 et 100 kHz, mais a peut monter beaucoup plus haut vers le mgahertz suivant l'application. C'est d'ailleurs ce que l'tage d'alimentation d'un processeur fait en dcoupant le 12 V prs de 500 kHz pour sortir une tension stabilise entre 1 et 2 V avec un trs fort courant, quelles que soient les conditions. Pour viter les pertes inutiles, il suffit simplement de ne pas d'avoir la tension et le courant en un mme point au mme instant. Ici, l'interrupteur n'a que 2 tats, soit il laisse passer le courant (tat passant) soit il l'empche de passer (tat bloqu), donc thoriquement la tension et le courant ne sont jamais prsents en mme temps. Quand le transistor est bloqu, le courant qui le traverse est nul et quand il est passant, la tension ses bornes est nulle (toujours en thorie). En ralit, le transistor n'est pas parfait et occasionne des pertes son ouverture et sa fermeture car ce n'est pas instantan (pertes par commutation) et aussi lorsque le courant le traverse car il a une rsistance trs faible mais pas nulle (pertes par conduction). Au final, les pertes occasionnes aux transistors en rgime de commutation sont quand mme infiniment plus faibles qu'en rgime linaire pour le rgulateur. Voici l'illustration du phnomne dcrit au dessus :

Pour rduire les pertes au maximum, une alimentation dcoupage utilisera donc des lments non dissipatifs (en thorie) du genre transformateur, inductance, interrupteurs lectroniques, condensateurs. Alors qu'un systme linaire permet un rendement de 25-50 %, les meilleures alimentations dcoupage (tous domaines confondus) permettent d'atteindre 70 95 % ! Le fait de dcouper haute frquence est important car plus on dcoupe vite, plus on peut ragir vite face aux sollicitations extrieures, plus on manipule de petites quantits d'nergie et plus on peut rduire la taille des composants. Pour un transformateur, sa taille est inversement proportionnelle sa frquence d'utilisation. C'est pour cela qu'on trouve des monstres (transformateurs toriques trs lourds) dans les amplificateurs audio pour viter le dcoupage car a implique de filtrer les nombreux parasites gnrs (a cote cher) et les audiophiles n'aiment pas vraiment les parasites. On peut aussi rduire la valeur des condensateurs et l'encombrement des autres lments car on travaille sur de toutes petites quantits en un temps donn. A 50 kHz, un petit transformateur suffit fournir une grosse puissance sans problme. Les alimentations dcoupage permettent alors d'avoir des puissances volumiques en W/cm3 (rapport puissance/encombrement) trs leves car les lments ne prennent pas trop de place et on peut sortir des grosses puissances. A priori, le dcoupage apparat donc comme une solution idale, mais il a des inconvnients notables au niveau de la compatibilit lectromagntique notamment. Outre le fait que ce soit bien plus complexe et plus cher faire qu'une alimentation linaire, le dcoupage engendre un tas de parasites et une ondulation qu'il est impratif de filtrer en sortie (normes svres l dessus). Dcouper trs vite gnre des pics et des variations ultra rapides de la tension et du courant, et qui dit variations rapides dit interfrences et rayonnements lectromagntiques. Ces parasites prennent la forme d'interfrences lectromagntiques (EMI en anglais pour Electromagnetic Interference) rayonnes ou rinjectes par conduction dans les fils vers le rseau. Il faut absolument les contenir et les attnuer pour viter de polluer l'environnement lectrique proche. Pour le premier type, le chssis en acier agit comme un blindage pour attnuer les missions radiofrquences qui peuvent perturber la rception de la TV ou de la radio par exemple. Le deuxime type est plus compliqu grer car il faut mettre en place des filtr