(!LANG : Conception d'alimentations informatiques et méthodes pour les tester

Alimentations linéaires et à découpage

Commençons par les bases. L'alimentation électrique d'un ordinateur remplit trois fonctions. Tout d’abord, le courant alternatif provenant de l’alimentation électrique domestique doit être converti en courant continu. La deuxième tâche de l'alimentation est de réduire la tension de 110-230 V, qui est excessive pour l'électronique informatique, aux valeurs standard requises par les convertisseurs de puissance des composants individuels du PC - 12 V, 5 V et 3,3 V. (ainsi que les tensions négatives, dont nous parlerons un peu plus tard) . Enfin, l'alimentation joue le rôle de stabilisateur de tension.

Il existe deux principaux types d'alimentations qui remplissent les fonctions ci-dessus : linéaires et à découpage. L'alimentation linéaire la plus simple est basée sur un transformateur sur lequel la tension alternative est réduite à la valeur requise, puis le courant est redressé par un pont de diodes.

Cependant, l'alimentation électrique est également nécessaire pour stabiliser la tension de sortie, qui est causée à la fois par l'instabilité de la tension dans le réseau domestique et par une chute de tension en réponse à une augmentation du courant dans la charge.

Pour compenser la chute de tension, dans une alimentation linéaire, les paramètres du transformateur sont calculés pour fournir une puissance excédentaire. Ensuite, à courant élevé, la tension requise sera observée dans la charge. Cependant, l’augmentation de la tension qui se produira sans aucun moyen de compensation en cas de faible courant dans la charge utile est également inacceptable. L'excès de tension est éliminé en incluant une charge non utile dans le circuit. Dans le cas le plus simple, il s'agit d'une résistance ou d'un transistor connecté via une diode Zener. Dans une version plus avancée, le transistor est contrôlé par un microcircuit avec comparateur. Quoi qu'il en soit, l'excès de puissance est simplement dissipé sous forme de chaleur, ce qui affecte négativement l'efficacité de l'appareil.

Dans le circuit d'alimentation à découpage, une variable supplémentaire apparaît, dont dépend la tension de sortie, en plus des deux déjà existantes : la tension d'entrée et la résistance de charge. Il y a un interrupteur en série avec la charge (qui dans le cas qui nous intéresse est un transistor), contrôlé par un microcontrôleur en mode modulation de largeur d'impulsion (PWM). Plus la durée des états ouverts du transistor est élevée par rapport à leur période (ce paramètre est appelé rapport cyclique, dans la terminologie russe la valeur inverse est utilisée - rapport cyclique), plus la tension de sortie est élevée. En raison de la présence d'un interrupteur, une alimentation à découpage est également appelée alimentation à découpage (SMPS).

Aucun courant ne circule dans un transistor fermé et la résistance d'un transistor ouvert est idéalement négligeable. En réalité, un transistor ouvert possède une résistance et dissipe une partie de la puissance sous forme de chaleur. De plus, la transition entre les états des transistors n’est pas parfaitement discrète. Et pourtant, le rendement d'une source de courant pulsé peut dépasser 90 %, tandis que le rendement d'une alimentation linéaire avec stabilisateur atteint au mieux 50 %.

Un autre avantage des alimentations à découpage est la réduction radicale de la taille et du poids du transformateur par rapport aux alimentations linéaires de même puissance. On sait que plus la fréquence du courant alternatif dans l'enroulement primaire d'un transformateur est élevée, plus la taille du noyau requise et le nombre de tours d'enroulement sont petits. Par conséquent, le transistor clé du circuit n'est pas placé après, mais avant le transformateur et, en plus de la stabilisation de la tension, est utilisé pour produire un courant alternatif haute fréquence (pour les alimentations des ordinateurs, il est de 30 à 100 kHz et plus, et en règle générale - environ 60 kHz). Un transformateur fonctionnant à une fréquence d'alimentation de 50 à 60 Hz serait des dizaines de fois plus massif pour la puissance requise par un ordinateur standard.

Les alimentations linéaires sont aujourd'hui utilisées principalement dans le cas d'applications de faible puissance, où l'électronique relativement complexe requise pour une alimentation à découpage constitue un élément de coût plus sensible par rapport à un transformateur. Il s'agit par exemple d'alimentations 9 V, qui sont utilisées pour les pédales d'effets de guitare, et une fois pour les consoles de jeux, etc. Mais les chargeurs pour smartphones sont déjà entièrement pulsés - ici les coûts sont justifiés. En raison de l'amplitude nettement inférieure de l'ondulation de tension à la sortie, les alimentations linéaires sont également utilisées dans les domaines où cette qualité est recherchée.

⇡ Schéma général d'une alimentation ATX

L'alimentation d'un ordinateur de bureau est une alimentation à découpage dont l'entrée est alimentée en tension domestique avec des paramètres de 110/230 V, 50-60 Hz, et la sortie comporte un certain nombre de lignes CC, dont les principales sont nominales 12, 5 et 3,3 V De plus, l'alimentation fournit une tension de -12 V, et parfois aussi une tension de -5 V, nécessaire au bus ISA. Mais ce dernier a été à un moment donné exclu de la norme ATX en raison de la fin du support de l'ISA lui-même.

Dans le schéma simplifié d'une alimentation à découpage standard présenté ci-dessus, quatre étapes principales peuvent être distinguées. Dans le même ordre, nous considérons les composants des alimentations dans les revues, à savoir :

1. Filtre EMI - interférences électromagnétiques (filtre RFI) ;
2. circuit primaire - redresseur d'entrée (redresseur), transistors clés (commutateur), créant un courant alternatif haute fréquence sur l'enroulement primaire du transformateur ;
3. transformateur principal ;
4. circuit secondaire - redresseurs de courant de l'enroulement secondaire du transformateur (redresseurs), filtres de lissage en sortie (filtrage).

⇡ Filtre EMI

Le filtre à l'entrée de l'alimentation est utilisé pour supprimer deux types d'interférences électromagnétiques : différentielle (mode différentiel) - lorsque le courant parasite circule dans des directions différentes dans les lignes électriques, et mode commun (mode commun) - lorsque le courant circule dans une seule direction.

Le bruit différentiel est supprimé par le condensateur CX (le grand condensateur à film jaune sur la photo ci-dessus) connecté en parallèle à la charge. Parfois, un starter est également attaché à chaque fil, qui remplit la même fonction (pas sur le schéma).

Le filtre de mode commun est formé de condensateurs CY (condensateurs céramiques en forme de goutte bleue sur la photo), reliant les lignes électriques à la terre en un point commun, etc. une self de mode commun (LF1 sur le schéma), dont le courant dans les deux enroulements circule dans le même sens, ce qui crée une résistance aux interférences de mode commun.

Dans les modèles bon marché, un ensemble minimum de pièces de filtre est installé ; dans les modèles plus chers, les circuits décrits forment des liens répétitifs (en tout ou en partie). Dans le passé, il n'était pas rare de voir des alimentations sans aucun filtre EMI. Il s'agit là d'une exception plutôt curieuse, même si si vous achetez une alimentation très bon marché, vous pouvez toujours avoir une telle surprise. En conséquence, non seulement et pas tant l'ordinateur lui-même en souffrira, mais également les autres équipements connectés au réseau domestique - les alimentations à découpage sont une puissante source d'interférences.

Dans la zone de filtrage d'une bonne alimentation, vous pouvez trouver plusieurs pièces qui protègent l'appareil lui-même ou son propriétaire des dommages. Il existe presque toujours un simple fusible pour la protection contre les courts-circuits (F1 sur le schéma). A noter que lorsque le fusible saute, l'objet protégé n'est plus l'alimentation. Si un court-circuit se produit, cela signifie que les transistors clés ont déjà traversé et il est important d'éviter au moins que le câblage électrique ne prenne feu. Si un fusible de l'alimentation électrique grille soudainement, il est probablement inutile de le remplacer par un nouveau.

Une protection séparée est prévue contre court terme surtensions à l'aide d'une varistance (MOV - Metal Oxide Varistor). Mais il n’existe aucun moyen de protection contre les augmentations prolongées de tension dans les alimentations des ordinateurs. Cette fonction est assurée par des stabilisateurs externes avec leur propre transformateur à l'intérieur.

Le condensateur du circuit PFC après le redresseur peut conserver une charge importante après avoir été déconnecté de l'alimentation. Pour éviter qu'une personne imprudente qui enfonce son doigt dans le connecteur d'alimentation ne reçoive un choc électrique, une résistance de décharge de grande valeur (résistance de purge) est installée entre les fils. Dans une version plus sophistiquée - avec un circuit de contrôle qui empêche les fuites de charge lorsque l'appareil fonctionne.

À propos, la présence d'un filtre dans l'alimentation du PC (et l'alimentation d'un moniteur et de presque tous les équipements informatiques en possède également un) signifie que l'achat d'un « filtre anti-surtension » séparé au lieu d'une rallonge ordinaire est, en général, , inutile. Tout est pareil en lui. Dans tous les cas, la seule condition est un câblage normal à trois broches avec mise à la terre. Sinon, les condensateurs CY connectés à la terre ne pourront tout simplement pas remplir leur fonction.

⇡ Redresseur d'entrée

Après le filtre, le courant alternatif est converti en courant continu à l'aide d'un pont de diodes - généralement sous la forme d'un assemblage dans un boîtier commun. Un radiateur séparé pour refroidir le pont est le bienvenu. Un pont assemblé à partir de quatre diodes discrètes est un attribut des alimentations bon marché. Vous pouvez également demander à quel courant le pont est conçu pour déterminer s'il correspond à la puissance de l'alimentation elle-même. Bien qu'en règle générale, il existe une bonne marge pour ce paramètre.

⇡ Bloc PFC actif

Dans un circuit CA avec une charge linéaire (comme une ampoule à incandescence ou une cuisinière électrique), le flux de courant suit la même onde sinusoïdale que la tension. Mais ce n'est pas le cas des appareils dotés d'un redresseur d'entrée, tels que les alimentations à découpage. L'alimentation électrique transmet le courant par impulsions courtes, coïncidant approximativement dans le temps avec les pics de la tension sinusoïdale (c'est-à-dire la tension instantanée maximale) lorsque le condensateur de lissage du redresseur est rechargé.

Le signal de courant déformé est décomposé en plusieurs oscillations harmoniques dans la somme d'une sinusoïde d'une amplitude donnée (le signal idéal qui se produirait avec une charge linéaire).

La puissance utilisée pour effectuer un travail utile (qui, en fait, chauffe les composants du PC) est indiquée dans les caractéristiques de l'alimentation et est dite active. La puissance restante générée par les oscillations harmoniques du courant est dite réactive. Il ne produit pas de travail utile, mais chauffe les fils et crée une charge sur les transformateurs et autres équipements électriques.

La somme vectorielle des puissances réactive et active est appelée puissance apparente. Et le rapport entre la puissance active et la puissance totale est appelé facteur de puissance – à ne pas confondre avec l’efficacité !

Une alimentation à découpage a initialement un facteur de puissance plutôt faible - environ 0,7. Pour un consommateur particulier, la puissance réactive ne pose pas de problème (heureusement, elle n'est pas prise en compte par les compteurs électriques), à moins qu'il n'utilise un onduleur. L'alimentation sans interruption est responsable de la pleine puissance de la charge. À l'échelle d'un réseau de bureau ou de ville, l'excès de puissance réactive créé par les alimentations à découpage réduit déjà considérablement la qualité de l'alimentation électrique et entraîne des coûts, c'est pourquoi il est activement combattu.

En particulier, la grande majorité des alimentations informatiques sont équipées de circuits de correction active du facteur de puissance (Active PFC). Une unité avec un PFC actif est facilement identifiée par un seul grand condensateur et une inductance installés après le redresseur. Essentiellement, Active PFC est un autre convertisseur d'impulsions qui maintient une charge constante sur le condensateur avec une tension d'environ 400 V. Dans ce cas, le courant du réseau d'alimentation est consommé par impulsions courtes, dont la largeur est sélectionnée de manière à ce que le signal est approximé par une onde sinusoïdale - qui est nécessaire pour simuler une charge linéaire. Pour synchroniser le signal de consommation de courant avec la sinusoïde de tension, le contrôleur PFC dispose d'une logique spéciale.

Le circuit PFC actif contient un ou deux transistors clés et une diode puissante, qui sont placés sur le même dissipateur thermique que les transistors clés du convertisseur d'alimentation principal. En règle générale, le contrôleur PWM de la clé de conversion principale et la clé Active PFC forment une seule puce (PWM/PFC Combo).

Le facteur de puissance des alimentations à découpage avec PFC actif atteint 0,95 et plus. De plus, ils présentent un avantage supplémentaire : ils ne nécessitent pas d'interrupteur secteur 110/230 V ni de doubleur de tension correspondant à l'intérieur de l'alimentation. La plupart des circuits PFC gèrent des tensions de 85 à 265 V. De plus, la sensibilité de l'alimentation aux chutes de tension à court terme est réduite.

À propos, en plus de la correction PFC active, il existe également une correction passive, qui consiste à installer un inducteur à haute inductance en série avec la charge. Son efficacité est faible et il est peu probable que vous la trouviez dans une alimentation électrique moderne.

⇡ Convertisseur principal

Le principe général de fonctionnement de toutes les alimentations impulsionnelles d'une topologie isolée (avec transformateur) est le même : un transistor clé (ou des transistors) crée un courant alternatif sur l'enroulement primaire du transformateur, et le contrôleur PWM contrôle le rapport cyclique de leur commutation. Cependant, les circuits spécifiques diffèrent à la fois par le nombre de transistors clés et d'autres éléments, ainsi que par leurs caractéristiques qualitatives : efficacité, forme du signal, bruit, etc. Mais ici, tout dépend trop de la mise en œuvre spécifique pour que cela mérite l'attention. Pour les personnes intéressées, nous mettons à disposition un ensemble de schémas et un tableau qui vous permettront de les identifier dans des appareils spécifiques en fonction de la composition des pièces.

	Transistors	Diodes	Condensateurs	Jambes primaires du transformateur
Transistor unique avant	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

En plus des topologies répertoriées, dans les alimentations coûteuses, il existe des versions résonantes de Half Bridge, qui sont facilement identifiées par une grande inductance supplémentaire (ou deux) et un condensateur formant un circuit oscillant.

Transistor unique avant

⇡ Circuit secondaire

Le circuit secondaire est tout ce qui vient après l'enroulement secondaire du transformateur. Dans la plupart des alimentations modernes, le transformateur comporte deux enroulements : de l'un d'eux la tension de 12 V est supprimée, de l'autre - 5 V. Le courant est d'abord redressé à l'aide d'un assemblage de deux diodes Schottky - une ou plusieurs par bus ( sur le bus le plus chargé - 12 V - dans les alimentations puissantes, il y a quatre assemblages). Les redresseurs synchrones, qui utilisent des transistors à effet de champ au lieu de diodes, sont plus efficaces en termes d'efficacité. Mais c'est l'apanage des alimentations vraiment avancées et coûteuses qui revendiquent le certificat 80 PLUS Platinum.

Le rail 3,3 V est généralement alimenté par le même enroulement que le rail 5 V, seule la tension est abaissée à l'aide d'une inductance saturable (Mag Amp). Un enroulement spécial sur un transformateur pour une tension de 3,3 V est une option exotique. Parmi les tensions négatives de la norme ATX actuelle, il ne reste que -12 V, qui sont retirés de l'enroulement secondaire sous le bus 12 V via des diodes séparées à faible courant.

La commande PWM de la clé du convertisseur modifie la tension sur l'enroulement primaire du transformateur, et donc sur tous les enroulements secondaires à la fois. Dans le même temps, la consommation actuelle de l'ordinateur n'est en aucun cas répartie uniformément entre les bus d'alimentation. Dans le matériel moderne, le bus le plus chargé est le 12 V.

Pour stabiliser séparément les tensions sur différents bus, des mesures supplémentaires sont nécessaires. La méthode classique consiste à utiliser un starter de stabilisation de groupe. Trois bus principaux traversent ses enroulements et, par conséquent, si le courant augmente sur un bus, la tension chute sur les autres. Disons que le courant sur le bus 12 V a augmenté et afin d'éviter une chute de tension, le contrôleur PWM a réduit le rapport cyclique des transistors clés. En conséquence, la tension sur le bus 5 V pouvait dépasser les limites autorisées, mais a été supprimée par la self de stabilisation de groupe.

La tension sur le bus 3,3 V est en outre régulée par une autre inductance saturable.

Une version plus avancée fournit une stabilisation séparée des bus 5 et 12 V grâce à des selfs saturables, mais cette conception a désormais cédé la place aux convertisseurs DC-DC dans les alimentations coûteuses de haute qualité. Dans ce dernier cas, le transformateur possède un seul enroulement secondaire d'une tension de 12 V, et les tensions de 5 V et 3,3 V sont obtenues grâce à des convertisseurs DC-DC. Cette méthode est la plus favorable à la stabilité de la tension.

Filtre de sortie

Le dernier étage de chaque bus est un filtre qui atténue les ondulations de tension provoquées par les transistors clés. De plus, les pulsations du redresseur d'entrée, dont la fréquence est égale à deux fois la fréquence du réseau d'alimentation, pénètrent à un degré ou à un autre dans le circuit secondaire de l'alimentation.

Le filtre ondulé comprend une self et de gros condensateurs. Les alimentations de haute qualité se caractérisent par une capacité d'au moins 2 000 uF, mais les fabricants de modèles bon marché disposent de réserves d'économies lorsqu'ils installent des condensateurs, par exemple, de la moitié de la valeur nominale, ce qui affecte inévitablement l'amplitude d'ondulation.

⇡ Alimentation de secours +5VSB

Une description des composants de l'alimentation serait incomplète sans mentionner la source de tension de veille de 5 V, qui permet le mode veille du PC et garantit le fonctionnement de tous les appareils qui doivent être allumés à tout moment. La « salle de garde » est alimentée par un convertisseur d'impulsions séparé avec un transformateur de faible puissance. Dans certaines alimentations, il existe également un troisième transformateur, utilisé dans le circuit de rétroaction pour isoler le contrôleur PWM du circuit primaire du convertisseur principal. Dans d'autres cas, cette fonction est assurée par des optocoupleurs (une LED et un phototransistor dans un seul boîtier).

⇡ Méthodologie de test des alimentations

L'un des principaux paramètres de l'alimentation est la stabilité de la tension, qui se reflète dans ce qu'on appelle. caractéristique de charge transversale. KNH est un diagramme dans lequel le courant ou la puissance sur le bus 12 V est tracé sur un axe, et le courant ou la puissance total sur les bus 3,3 et 5 V est tracé sur l'autre aux points d'intersection pour différentes valeurs de. les deux variables, l'écart de tension par rapport à la valeur nominale est déterminé d'un pneu ou d'un autre. En conséquence, nous publions deux KNH différents : pour le bus 12 V et pour le bus 5/3,3 V.

La couleur du point indique le pourcentage d'écart :

• vert : ≤ 1 % ;
• vert clair : ≤ 2 % ;
• jaune : ≤ 3 % ;
• orange : ≤ 4 % ;
• rouge : ≤ 5 %.
• blanc : > 5% (non autorisé par la norme ATX).

Pour obtenir KNH, un banc de test d'alimentation sur mesure est utilisé, qui crée une charge en dissipant la chaleur sur de puissants transistors à effet de champ.

Un autre test tout aussi important consiste à déterminer l’amplitude d’ondulation à la sortie de l’alimentation. La norme ATX autorise une ondulation comprise entre 120 mV pour un bus 12 V et 50 mV pour un bus 5 V. Une distinction est faite entre l'ondulation haute fréquence (au double de la fréquence du commutateur principal du convertisseur) et la basse fréquence (au double de la fréquence). fréquence du réseau d'alimentation).

Nous mesurons ce paramètre à l'aide d'un oscilloscope USB Hantek DSO-6022BE à la charge maximale sur l'alimentation spécifiée par les spécifications. Dans l'oscillogramme ci-dessous, le graphique vert correspond au bus 12 V, le graphique jaune correspond au 5 V. On voit que les ondulations sont dans les limites normales, et même avec une marge.

A titre de comparaison, nous présentons une image d'ondulations à la sortie de l'alimentation d'un vieil ordinateur. Ce bloc n’était pas génial au départ, mais il ne s’est certainement pas amélioré avec le temps. À en juger par l'ampleur de l'ondulation basse fréquence (notez que la division de balayage de tension est augmentée à 50 mV pour s'adapter aux oscillations sur l'écran), le condensateur de lissage à l'entrée est déjà devenu inutilisable. L'ondulation haute fréquence sur le bus 5 V est proche des 50 mV admissibles.

Le test suivant détermine l'efficacité de l'unité à une charge de 10 à 100 % de la puissance nominale (en comparant la puissance de sortie avec la puissance d'entrée mesurée à l'aide d'un wattmètre domestique). À titre de comparaison, le graphique montre les critères des différentes catégories 80 PLUS. Cependant, cela ne suscite pas beaucoup d’intérêt de nos jours. Le graphique montre les résultats du bloc d'alimentation Corsair haut de gamme par rapport à l'Antec très bon marché, et la différence n'est pas si grande.

Un problème plus urgent pour l’utilisateur est le bruit du ventilateur intégré. Il est impossible de la mesurer directement à proximité du banc d'essai de l'alimentation électrique rugissante, c'est pourquoi nous mesurons la vitesse de rotation de la roue avec un tachymètre laser - également à une puissance de 10 à 100 %. Le graphique ci-dessous montre que lorsque la charge sur cette alimentation est faible, le ventilateur de 135 mm reste à faible vitesse et est à peine audible. A charge maximale, le bruit est déjà perceptible, mais le niveau reste tout à fait acceptable.