Couverture ElectroniqueS n°127

PCIM Europe- Novembre 2003Nombreux sont les gens qui pensent qu'une alimentation AC/DC, telle qu'un chargeur pour téléphone portable, ne consomme rien lorsqu'elle reste branchée sur le secteur sans être utilisée.La chaleur plus ou moins importante qu'elle dégage alors trahit pourtant une perte d'énergie loin d'être négligeable. Il en est de même pour tous les appareils qui restent connectés au secteur en permanence : téléviseurs, magnétoscopes. A l'échelle de la planète, la dépense énergétique se compte en centaines de mégawatts ! D'où les directives environnement a les plus ou moins strictes réglementant la consommation en veille des appareils électroniques. Il est donc nécessaire de définir ce que l'on entend par état de veille afin d'identifier les composants responsables d'une consommation trop importante.Deux types de puissance de veille et donc de comportement à adopter pour la conversion d'énergie peuvent être identifiés.Tout d'abord, lorsque le travail utile d'un appareil est achevé, l'énergie qu'il consomme doit tendre vers zéro s'il reste alimenté. Par travail utile, on entend la tâche pour laquelle le système a été conçu. C'est le cas par excellence du chargeur de batterie, qui n'a d'autre fonction que de délivrer une tension continue au téléphone lorsque ce dernier est connecté.Ensuite, lorsque le travail utile d'un appareil est temporairement interrompu, alors l'énergie consommée doit être aussi faible que possible. C'est le cas du téléviseur qui doit pouvoir être réactivé sur ordre de la télécommande. Il est du travail du concepteur du système de garder cette consommation en veille très faible : par l'emploi de Del à haute luminosité et de microcontrôleurs et autres circuits intégrés à faible consommation. L'élément crucial reste cependant l'alimentation à découpage. En effet, un convertisseur destiné à délivrer 60 W pour un petit téléviseur, ou 150 à 200 W pour un système plus gourmand, n'aime pas vraiment fonctionner en deçà de son niveau nominal. Son rendement peut alors chuter d'un taux initial de 85 % à moins de 25 %. Pour une consommation en veille de 500 mW, un tel convertisseur prélève 2 W sur le réseau.D'où viennent les pertes ?La figure schématise une architecture typique de convertisseur à récupération d'énergie (Flyback). Supposons que notre alimentation commute à 100 kHz et délivre une tension nominale de 12 V. Lorsque sa charge est déconnectée, le contrôleur réduit naturellement le rapport cyclique des impulsions. Nous pouvons identifier les composants qui contribuent alors aux pertes d'efficacité en l'absence de charge.En partant de la sortie, le réseau de contre-réaction assure le retour de l'information sur la tension de sortie vers le contrôleur primaire. Un circuit basé sur un régulateur shunt TL431 opère sous un courant de 1 mA, auquel il faut ajouter les quelque 250 µA circulant dans le pont diviseur de mesure. Il faut ensuite alimenter la Del de l'optocoupleur (1 mA × 12 V) qui isole la liaison vers le primaire. On décompte d'ores et déjà 25 mW dissipés en pure perte, auxquels il faudrait rajouter les pertes inhérentes à d'autres éléments (résistances série des condensateurs et diodes) mais qui sont vraiment très faible en l'absence de courant en sortie.Du côté du primaire, chaque fois que le Mosfet de puissance commute à la fermeture, il décharge le n&oelig;ud au niveau de son drain, siège de nombreuses capacités parasites : Crss, Coss, en plus de celles du transformateur. Chacune de ces capacités est chargée et déchargée sous une certaine tension V à une fréquence Fs donnée. La charge totale à fournir au transistor (ON) ou à extraire (OFF) est donnée par le paramètre Qg du transistor. Les pertes liées à la capacité équivalente sont définies par 1/2.C.V.Fs. Seule la fréquence de découpage offre un degré de liberté au concepteur de l'alimentation, pour des composants et des spécifications système donnés. Il en est de même pour les pertes par conduction du transistor de puissance : 1/3.Ip.ton.Fs.Rdson.Au c&oelig;ur de l'alimentation à découpage, le modulateur de durée d'impulsion (PWM) reste demandeur d'énergie. Un circuit en technologie bipolaire UC384X consommera 20 à 25 mA, soit environ 250 mW sous 12 V. Le courant qu'il délivre pour piloter la grille du Mosfet se verra sur l'alimentation du contrôleur : un transistor de 50 nC commuté à 100 kHz implique un courant moyen de 5 mA, quel que soit le rapport cyclique des impulsions pour une fréquence fixe. Encore donc 60 mW pour 12 V, sans compter la résistance de démarrage qui draine 1 mA, soit plusieurs centaines de milliwatts de plus. La somme de toutes ces contributions atteint facilement 1 W alors qu'aucune charge n'est connectée.L'utilisation d'un contrôleur qui opère par train d'impulsions et qui réduit la fréquence de découpage lors d'une faible demande en courant permet de diminuer les pertes par commutation, peut-être au prix d'une légère ondulation. L'emploi de passifs de qualité offrira alors un bon compromis. L'étalement de spectre, introduit par une fréquence de découpage variable, allégera de plus les besoins du filtrage électromagnétique.

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