Une alimentation électrique est un dispositif électrique qui fournit de l'énergie à une ou plusieurs charges électriques. Sa fonction principale est d'adapter l'énergie électrique à la charge en convertissant l'énergie provenant de la source électrique dans le courant, la tension et la fréquence correspondants requis par la charge. Les alimentations offrent également une protection à la charge alimentée en limitant le courant de charge et en le coupant en cas de défaut. Ces dispositifs modifient également la puissance de sortie pour prévenir le bruit électronique et assurer la correction du facteur de puissance.

Dans cet article, nous expliquerons les différents types d'alimentations et examinerons pourquoi les alimentations sans ventilateur peuvent offrir les meilleures performances.

Régulateurs linéaires et alimentations à découpage (SMPS)

Les alimentations peuvent être divisées en deux grands types : les alimentations à régulation linéaire et les alimentations à découpage (SMPS).

Les régulateurs linéaires convertissent le courant alternatif (CA) en un courant continu (CC) stable. Ils utilisent un transformateur pour assurer une isolation galvanique entre l'entrée CA haute tension et la sortie CC basse tension, pour filtrer le bruit de l'entrée, et pour réduire la tension CA d'entrée qui est ensuite redressée pour produire la tension CC de sortie. Les alimentations à régulation linéaire ont un faible rendement (30 à 60 pour cent), ce qui signifie davantage de pertes de puissance et de chaleur à dissiper.

Les alimentations à découpage ont un rendement élevé (plus de 80 pour cent) et des performances avancées. Les SMPS convertissent la tension du réseau entrant en une tension CA haute fréquence, puis l'abaissent à une tension inférieure à l'aide d'un petit transformateur. La tension est ensuite redressée, filtrée et régulée pour être délivrée sous forme de tension CC stable.

Les SMPS ont une conception plus complexe et un coût plus élevé par rapport aux régulateurs linéaires. Cependant, ils présentent de nombreux avantages par rapport à ces derniers, notamment des boîtiers de petite taille et un rendement très élevé sans dissiper des quantités excessives de chaleur.

L'importance du rendement des alimentations

Le rendement d'une alimentation est le rapport en pourcentage entre la puissance totale de sortie et la puissance d'entrée, normalement spécifié à pleine charge et à la tension d'entrée nominale :

Par exemple, si l'alimentation a un rendement de 50 pour cent et que la puissance de charge demandée est de 100W, la puissance totale d'entrée doit être de 200W. Les 50 pour cent restants de la puissance d'entrée sont gaspillés, principalement sous forme de chaleur, et doivent être correctement dissipés pour éviter d'endommager l'appareil. Cela montre à quel point les alimentations à haut rendement sont importantes. Elles présentent des pertes nettement moindres, ce qui signifie qu'elles restent plus fraîches et consomment moins d'énergie du réseau pour fournir la même puissance de sortie.

Les alimentations n'ont pas un rendement constant, car celui-ci dépend des conditions environnementales et de charge. En général, les alimentations atteignent leur rendement maximal lorsqu'elles fonctionnent à 50 pour cent de la charge nominale. Les alimentations ont un rendement plus élevé lorsqu'elles sont alimentées en 230V plutôt qu'en 110V CA. Aujourd'hui, le marché propose des modèles avancés capables de fonctionner avec un rendement constamment élevé même dans la plage de 50 à 100 pour cent de la charge nominale. Par exemple, le diagramme de la Figure 1 montre la courbe de rendement de la série MEAN WELL UHP-2500 en fonction de la tension d'alimentation et de la charge. 

Il n'est pas possible d'atteindre un rendement d'alimentation de 100 pour cent. Cependant, avec une conception avancée et des composants appropriés, des rendements élevés sont possibles (par exemple, le MEAN WELL UHP-2500 de la Figure 1 a un rendement pouvant atteindre 96 pour cent). Les pertes dans les alimentations sont causées par des composants passifs et actifs et sont plus fréquentes dans les alimentations linéaires que dans les SMPS. Les pertes de puissance des SMPS surviennent principalement dans les dispositifs de commutation (MOSFET et diodes). D'autres pertes sont causées par les condensateurs et les inductances (cela peut être réduit si des composants avancés à faible résistance sont utilisés, ceux-ci étant généralement coûteux). Les pertes des composants passifs comprennent les pertes des résistances (I2R), les pertes des condensateurs et les pertes des inductances dues à l'induction du noyau et de l'enroulement. Les pertes des composants actifs sont principalement causées par les MOSFET et les diodes sous forme de pertes de conduction et de commutation.

Bien que les SMPS puissent être plus coûteux, leur rendement élevé permet d'économiser sur les coûts d'électricité. Ils sont également plus fiables, produisent moins de bruit et nécessitent moins de refroidissement. Ils utilisent des composants de haute qualité tels que des dispositifs de commutation, des condensateurs robustes et des inductances aux bonnes caractéristiques. Ils produisent une meilleure tension de sortie avec une faible ondulation, moins de bruit et moins de chaleur, et offrent une meilleure régulation de tension.

Méthodes de refroidissement des alimentations

Les alimentations génèrent de la chaleur susceptible d'endommager les composants du circuit. Pour cette raison, les alimentations doivent disposer d'un système de refroidissement pour dissiper l'excès de chaleur. Voici les méthodes de conduction thermique ou de refroidissement les plus couramment utilisées :

1. Le flux d'air naturel est une méthode de refroidissement par convection simple, où l'air circule naturellement et transfère la chaleur loin d'un appareil. Le flux d'air naturel est une option de refroidissement simple et peu coûteuse qui ne nécessite pas de composants mécaniques supplémentaires. Comme ce type de refroidissement a une faible capacité de dissipation thermique, les alimentations qui l'utilisent ont une plage de température de fonctionnement sûre limitée.
2. Le refroidissement par air forcé fait appel à un ou plusieurs ventilateurs pour améliorer le flux d'air naturel, permettant des températures de fonctionnement plus élevées. Étant donné qu'ils consomment de la puissance supplémentaire, les ventilateurs réduisent le rendement de l'alimentation. Ils nécessitent également un entretien et des remplacements réguliers. Ce type de refroidissement n'est pas pratique pour les applications à espace limité.
3. Les dissipateurs thermiques transfèrent la chaleur par contact direct avec un composant plus froid, qui peut être un dissipateur (avec ailettes) ou une plaque froide (sans ailettes). Un dissipateur à ailettes a une surface de contact avec l'air plus grande et permet ainsi une dissipation thermique plus rapide. Il est souvent combiné avec un refroidissement par air forcé pour une meilleure dissipation. Cependant, les dissipateurs nécessitent plus d'espace, ce qui limite leur utilisation dans certaines applications. Les plaques froides sont des plaques métalliques épaisses utilisées pour évacuer la chaleur de l'appareil. Elles sont utilisées dans les applications où la simplicité et l'espace sont des paramètres essentiels.
4. Le refroidissement liquide consiste en une plaque froide avec un tube intégré faisant circuler un liquide de refroidissement en circuit fermé. Le liquide aide la plaque de base à rester à une température très stable, rendant le transfert de chaleur aussi efficace que possible. Comme il élimine le besoin de ventilateurs, le refroidissement liquide ne prend pas beaucoup de place. Le refroidissement liquide offre une excellente dissipation thermique, ne génère ni bruit ni vibrations, et augmente la durée de vie de l'alimentation. Cependant, le refroidissement liquide est plus coûteux car il nécessite une conception plus complexe. Le refroidissement liquide est couramment utilisé dans les applications qui produisent une forte chaleur, telles que les lasers industriels ou les bornes de recharge.

Les alimentations refroidies par liquide peuvent être conçues pour une puissance de sortie très élevée. Par exemple, les alimentations refroidies par liquide de MEAN WELL, la série PHP-3500, sont capables de délivrer jusqu'à 3 500W. Elles disposent également d'une fonction de partage de courant actif, permettant à jusqu'à quatre unités en parallèle de fournir jusqu'à 14 000W.

La vidéo ci-dessous compare la différence de température entre le refroidissement liquide et le refroidissement par air forcé d'un MOSFET et d'un condensateur. La température est inférieure de 6 à 18°C avec le refroidissement liquide par rapport au refroidissement par air forcé.

Bien que coûteuses, les alimentations refroidies par liquide constituent la solution la plus efficace pour les applications où le refroidissement par air forcé n'est pas adapté. Dans de nombreuses applications, le refroidissement par air forcé devrait être évité, car l'ajout d'un ventilateur à une alimentation réduit sa fiabilité, augmente les coûts, génère du bruit et entraîne des problèmes d'entretien.

Une alimentation sans ventilateur (comme le MEAN WELL UHP-2500 dans la Figure 2 ci-dessous) évite les problèmes de panne de ventilateur et réduit les coûts d'entretien. Les alimentations sans ventilateur conviennent également aux environnements exigeant un silence absolu.

Alimentations et gestion de l'énergie

La gestion de l'énergie est une fonction importante dans tout système électronique, car elle contrôle, régule et distribue l'énergie CC au système. La gestion de l'énergie affecte la fiabilité, les performances et le coût.

Les alimentations avancées sont équipées de fonctions de tension et de courant programmables (PV/PC), qui permettent d'ajuster la tension de sortie entre 50 et 120 pour cent et le courant entre 20 et 100 pour cent via un signal de commande CC externe. De plus, elles peuvent disposer de protocoles de communication (par exemple PMBus ou CANBus) pour former une alimentation intelligente. En général, il existe deux types de régulation de sortie d'alimentation : l'interface à signal analogique externe et l'interface de commande numérique.

La technologie de commande par interface à signal analogique externe utilise la tension externe pour contrôler la tension de sortie de l'alimentation. Les alimentations analogiques sont stables et fiables, mais leur flexibilité est limitée. Bien que l'état puisse être surveillé, le contrôle est généralement limité à une seule réaction possible par paramètre. L'entrée de tension analogique externe se situe généralement dans la plage de 1 à 5V. Le courant de sortie peut être ajusté entre 20 et 100 pour cent du courant nominal en appliquant une tension externe. La Figure 3 montre le schéma de la régulation du courant de sortie à l'aide d'une tension CC externe.

Le contrôle numérique donne accès à un niveau élevé d'informations et permet une sortie plus flexible. Le tableau ci-dessous montre les avantages d'une conception d'alimentation numérisée :

Le protocole de communication le plus largement utilisé pour la commande numérique des alimentations est le PMBus (Power Management Bus). Le PMBus est un protocole de gestion de l'énergie standard ouvert qui permet une conception plus simple et réduit la complexité des systèmes d'alimentation à commande numérique. Le CANBus (Controller Area Network) est un autre protocole de communication. Il peut exécuter la plupart des commandes et fonctions du protocole PMBus, la principale différence entre les deux résidant dans la méthode de signalisation. Le choix entre CANBus et PMBus dépend des besoins spécifiques des applications. MEAN WELL propose des modèles CANBus en option pour les produits déjà intégrés avec PMBus.

Les alimentations dotées d'un protocole PMBus intégré permettent au système final de surveiller et de contrôler les différents paramètres de fonctionnement de l'alimentation, tels que la tension, le courant et la température. Les alimentations sans ventilateur combinées au protocole PMBus améliorent considérablement la fiabilité à long terme et la flexibilité d'installation, permettant des systèmes finaux plus compacts et plus intelligents. Le PHP-3500, par exemple, prend en charge le PMBus avec une vitesse de bus maximale de 100kHz, permettant la lecture d'informations, la surveillance de l'état et l'ajustement de la sortie.

Pour en savoir plus sur les avantages des alimentations sans ventilateur et de la gestion de l'énergie, découvrez les alimentations MEAN WELL des séries UHP et PHP.

 

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