Couverture ElectroniqueS n°127

L'UTILISATION D'UNE ALIMENTATION AUXILIAIRE HORS-LIGNE A POUR OBJECTIF DE RÉDUIRE LE COURANT DE VEILLE DES ÉQUIPEMENTS ÉLECTRONIQUES. CET ARTICLE MONTRE COMMENT, EN OPTANT POUR UN DISPOSITIF HAUTEMENT INTÉGRÉ ET OPTIMISÉ POUR CETTE APPLICATION, LES CONCEPTEURS PEUVENT DÉSORMAIS Y PARVENIR EN COSSUPANT MOINS DE PLACE SUR LA CARTE, MAIS AUSSI EN RÉDUISANT AU MAXIMUM LES COÛTS DE NOMENCLATURE. La recherche d'efficacité énergétique a désormais un impact sur tous les domaines de l'automatisation industrielle. Cela inclut la fabrication des produits blancs, qui ont été conçus à une époque où la domotique avait un tout autre sens qu'aujourd'hui. Il y a plusieurs décennies, en effet, lorsque nous sommes devenus dépendants de ces appareils, le coût financier et environnemental de l'énergie était moins important que le confort des consommateurs. Récemment, les choses ont changé et ces aspects énergétiques sont désormais devenus prioritaires. Malgré tous nos efforts, de nombreux appareils électroménagers auront toujours des besoins énergétiques importants du fait de leur fonction, qui peut être le chauffage de l'eau ou de l'air (bouilloire, four, douche, machine à laver, sèche-linge), le refroidissement de l'air ou d'autres fluides (réfrigérateur), la convection (grille-pain, four) ou le mouvement (moteur électrique des lave-linge, sèche-linge et autres aspirateurs). Dans un environnement grand public, ces appareils nécessitent une puissance de plusieurs kW, et représentent les coûts énergétiques les plus élevés pour les consommateurs. James Lee (ON Semiconductor) ames Lee est Business Unit Lighting egment Marketing Manager chez ON emiconductor. Il dispose de quatorze ans 'expérience dans le domaine des emi-conducteurs, en particulier dans la onversion d'énergie AC/DC. Depuis 2021, ames Lee travaille au développement de ircuits de puissance pour le marché de 'éclairage à Led. En parallèle, de plus en plus d'appareils grand public proposent des commandes ou des interfaces utilisateur de plus en plus sophistiquées. Il s'agit par nature de solutions à faible consommation, telles que des capteurs, des afficheurs ou des panneaux tactiles. Alimenter ces fonctions auxiliaires avec des alimentations conçues pour fournir des niveaux de courant élevés se révèle inefficace d'un point de vue énergétique, notamment si ces fonctions doivent être disponibles pendant que les principales fonctions, gourmandes en énergie, ne sont pas utilisées. Cela a donné lieu à une demande croissance d'alimentations auxiliaires hors-ligne, capables de fournir des puissances relativement faibles – en général moins de 40 W – sous forme de courant continu, à partir d'une source de courant alternatif. L'un des objectifs est de fournir une énergie avec un rendement aussi élevé que possible en mode veille. Pour atteindre cet objectif, les alimentations doivent être mises en œuvre de la manière la plus efficace possible des points de vue coût, espace et énergie. Les concepteurs de produits doivent aussi tenir compte des exigences de sûreté des produits blancs. En termes d'alimentation, cela impose souvent une solution isolée, mais dans certains cas, le niveau d'isolation électrique requis par la spécification applicable peut être assuré par la conception physique. C'est pourquoi il existe une demande croissante d'alimentations à découpage (SMPS, pour switching mode power supply) de faible puissance, isolées ou non, destinées à répondre aux besoins d'alimentation électrique auxiliaire hors-ligne de faible puissance. La tendance générale à une plus grande intégration et à des procédés de fabrication de semi-conducteurs plus robustes a permis aux fabricants de développer des solutions de conversion d'énergie hors-ligne tenant sur une seule puce. SOLUTIONS COMPLÈTEMENT INTÉGRÉES En intégrant le Mosfet de commutation et les circuits de commande dans un même dispositif, il est désormais plus facile de concevoir des alimentations à découpage présentant des densités de puissance plus élevées, afin de fournir une puissance auxiliaire qui peut être déployée dans plusieurs zones d'un produit blanc, et qui est optimisée pour le niveau de puissance dont ont besoin les fonctions auxiliaires évoquées plus haut. Selon le type d'application et la fonction, la puissance demandée à une alimentation auxiliaire va de moins de 1 W à 70 W. ON Semiconductor a une longue expérience dans le développement de solutions pour ce type d'applications, avec un large portefeuille de solutions qui s'enrichit régulièrement. Face à la demande croissante d'alimentations auxiliaires à très haut rendement, ON Semiconductor a récemment lancé la famille de commutateurs haute tension NCP1067x, conçue pour les alimentations à découpage hors-ligne de faible puissance, non isolées (voir figure 1), ou isolées (voir figure 2) par conception. Le NCP1067x regroupe un contrôleur intégré et un Mosfet de puissance dans un boîtier SOIC7, ce qui en fait un dispositif extrêmement compact. Alors que le NCP1067x fonctionne à fréquence fixe, il passe automatiquement en mode veille lorsque la charge baisse afin de réduire sa consommation, grâce à un fonctionnement en mode skip-cycle (saut de cycle). Bien que le dispositif soit capable de s'auto-alimenter, c'est-à-dire qu'il n'a pas besoin d'enroulement auxiliaire au niveau du transformateur, si un enroulement auxiliaire est disponible, il peut servir à activer un mécanisme de protection à réarmement automatique contre les surtensions. Le réarmement automatique de la protection contre les courts-circuits en sortie est également mis en œuvre par le biais d'une détection temporelle. Grâce à la technologie très haute tension d'ON Semiconductor, le NCP1067x intègre un Mosfet de puissance 700 V avec une valeur de RDS(on) de seulement 12 O. En configuration châssis ouvert connecté au secteur 230 V alternatif, il est possible de réaliser une alimentation capable de fournir 15,5 W. Pour réduire les perturbations électromagnétiques, le NCP1067x fait appel à la gigue de fréquence, en introduisant une variation de ± 6 % de la fréquence de découpage nominale. Le signal en dents de scie utilisé pour produire cette gigue est généré par le dispositif lui-même. Pour les conceptions non isolées, une broche de rétroaction permet d'appliquer un petit pourcentage de la tension de sortie à un amplificateur opérationnel à transconductance (OTA, operational transconductance amplifier) intégré. DEMANDE CROISSANTE POUR UNE TENSION DE CLAQUAGE PLUS ÉLEVÉE Une autre tendance majeure dans la conception d'alimentations auxiliaires consiste en une demande de tension de claquage plus élevée aux bornes du Mosfet de puissance (BVDS, drain-source breakdown voltage). En général, ce paramètre est lié aux dimensions physiques du transistor, ce qui veut dire qu'une tension de claquage plus élevée nécessite un transistor plus gros. Très souvent, cela aboutirait à une solution trop volumineuse et trop coûteuse pour la plupart des applications cibles. La majorité des commutateurs d'alimentations à découpage avec Mosfet intégré utilisent la technologie planaire. Afin de répondre aux contraintes du marché en matière de dimensions et de coût, ces alimentations présentent une tension de claquage BVDS de 700 V maximum. Pourtant, une tension BVDS plus élevée offrirait une meilleure protection contre les surtensions et les pics de tension, ce qui se traduirait par un produit final plus robuste. C'est pourquoi la tendance est de plus en plus à fournir aux commutateurs offrant une tension BVDS plus élevée, tout en conservant un faible coût et une taille réduite. En réponse à ce défi, ON Semiconductor a développé un module à découpage qui intègre un contrôleur SMPS doté d'un Mosfet de puissance en technologie Superfet 2 Super Junction, pour obtenir un module offrant une tension BVDS de 800 V, mais tenant malgré tout dans un boîtier Dual-In-Line (DIL) plastique. Cette famille de produits est la première à offrir aux fabricants une solution viable pour accroître les performances de leurs produits, tout en répondant aux contraintes commerciales du marché. La famille de commutateurs en mode courant FSL5x8 se présente en boîtier PDIP-7 et intègre un contrôleur PWM et un Mosfet de puissance Superfet 2. En général, pour obtenir une tension de claquage de 800 V, il faut utiliser un contrôleur et un Mosfet discret séparé, mais grâce à sa technologie Superfet 2, ON Semiconductor a réussi à intégrer les deux dispositifs dans un seul et même petit boîtier. Cela permet aux concepteurs de répondre aux besoins du segment supérieur de conception d'alimentations auxiliaires hors-ligne de faible puissance (autour de 40 W) avec un seul dispositif, utilisable aussi bien pour des conceptions isolées (voir figure 3) que pour des conceptions non isolées (voir figure 4) de type flyback. L'ajout d'un amplificateur opérationnel à transconductance servant de comparateur dans les produits NCP1067x et FSL5x8 facilite la tâche des concepteurs pour développer des alimentations flyback non isolées, et ainsi optimiser la place disponible sur la carte et simplifier la nomenclature. La grande majorité des alimentations basse puissance hors-ligne fonctionnant en mode flyback, ces deux nouveaux ajouts au portefeuille de solutions d'alimentation ON Semiconductor apportent de réels avantages, avec des performances et une fiabilité accrues, grâce à une intégration plus poussée conduisant à une densité de puissance supérieure et à des coûts de nomenclature inférieurs. Bien que toutes les conceptions d'alimentations non isolées soient limitées en termes de puissance fournie, les développements décrits ici montrent qu'il est possible de concevoir un commutateur ciblant aussi bien le bas que le haut du segment des alimentations hors-ligne de faible puissance destinées à l'alimentation auxiliaire. Et comme les convertisseurs flyback non isolés ont généralement un meilleur rendement que les versions isolées, les objectifs de coût opérationnel sont également atteints. •

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