SMPS

Une alimentation à découpage (SMPS) convertit la tension alternative du secteur en une sortie CC régulée en utilisant un transistor ou un semi-conducteur similaire pour commuter l'alimentation d'entrée à haute fréquence, généralement de 20 kHz à 1 MHz. Cette commutation rapide, combinée au stockage d'énergie dans des inductances et des condensateurs, permet à l'alimentation de fournir une tension et un courant stables sur une large gamme de charges tout en dissipant beaucoup moins de chaleur que les régulateurs linéaires plus anciens. Une SMPS est plus petite, plus légère et plus efficace que les conceptions linéaires équivalentes, c'est pourquoi elle est devenue la topologie dominante dans l'électronique industrielle et grand public moderne.

Le mécanisme central repose sur un élément de commutation qui alterne entre les états marche et arrêt. En mode marche, le courant s'accumule dans une inductance; en mode arrêt, l'inductance libère son énergie stockée à travers une diode de roue libre vers la sortie. Le rapport entre le temps de marche et le temps de cycle total (le rapport cyclique) détermine la tension de sortie. Un contrôleur à rétroaction mesure la tension de sortie et ajuste le rapport cyclique en temps réel pour maintenir la régulation, maintenant généralement la sortie à 3 à 5 pour cent de la valeur nominale malgré les variations d'entrée et de charge. L'isolation par transformateur est courante dans les unités industrielles, où la commutation se produit côté primaire à haute fréquence, permettant un noyau beaucoup plus petit que ce qu'un transformateur 50/60 Hz exigerait.

Topologies et variantes

Les convertisseurs forward, les convertisseurs flyback et les conceptions push-pull conviennent chacun à différents niveaux de puissance et exigences d'isolation. Les convertisseurs forward gèrent une puissance modérée (50 à 500 watts) avec une bonne efficacité et sont populaires dans le contrôle industriel. Les unités flyback, qui utilisent le transformateur lui-même comme élément de stockage d'énergie, excellent à faible puissance (moins de 100 watts) et sont bon marché à fabriquer. Les topologies en pont et les conceptions résonantes apparaissent dans les applications de puissance plus élevée (au-dessus de 1 kilowatt) où les pertes de commutation deviennent critiques. Les circuits demi-pont et pont complet réduisent la contrainte de tension sur les dispositifs de commutation, prolongeant leur durée de vie dans les environnements industriels difficiles.

Les modes de défaillance des unités SMPS incluent la dégradation des condensateurs (en particulier les types électrolytiques dans des conditions ambiantes chaudes), la saturation du noyau du transformateur due à la polarisation CC et les défaillances de jonction des semi-conducteurs sous surtension transitoire. Le filtrage de sortie doit être adéquat pour respecter les limites EMI conduites et rayonnées, c'est pourquoi les unités SMPS industrielles incluent souvent des selfs en ferrite et des réseaux LC à l'entrée et à la sortie. La gestion thermique est essentielle; une alimentation nominale de 500 watts à 25 degrés C peut ne fournir que 350 watts à 50 degrés C ambiants, de sorte que les courbes de déclassement sont toujours fournies dans les fiches techniques.

Le nom reflète la caractéristique principale : le mode de conversion de puissance est littéralement activé et désactivé, contrastant avec le chemin de conduction continu d'un régulateur linéaire. Cette action de commutation, bien qu'elle génère du bruit électromagnétique qui doit être filtré et blindé, est ce qui rend possibles les densités de puissance modernes. Dans la pratique industrielle, les unités SMPS sont spécifiées par la plage de tension d'entrée (telle que 85 à 264 VAC), la tension et le courant de sortie (12 VDC à 20 ampères), l'efficacité (généralement 85 à 95 pour cent), le temps de maintien (millisecondes de maintien de la sortie après une coupure du secteur) et la tension d'isolation pour les circuits critiques pour la sécurité.