Les alimentations à découpage (également appelées SMPS, de l'anglais «switched-mode power supply») sont utilisées dans presque tous les appareils électriques et électroniques et servent à convertir efficacement l'énergie électrique d'une tension à une autre.
Dans l'article d'aujourd'hui, examinons ce que sont les alimentations à découpage. Nous verrons également comment elles fonctionnent et quels sont leurs avantages et inconvénients par rapport à une alimentation traditionnelle.
Que sont les alimentations à découpage (SMPS) ?
En deux mots ? Une alimentation à découpage est une alimentation électronique capable de convertir efficacement l’énergie électrique d’une tension à une autre. Normalement, il est utilisé pour transférer le courant d'une source DC/AC vers une charge DC (par exemple un ordinateur, un téléphone portable, etc.). La plupart des alimentations à découpage convertissent une tension plus élevée (110 V ou 220 V CA) en une tension CC beaucoup plus faible, telle que 24 V, 12 V ou 5 V.
On retrouve ce type d’alimentation dans presque tous les appareils électriques que nous avons l’habitude d’utiliser au quotidien. Surtout les compacts. On ne plaisante pas : il y en a vraiment partout ! Par exemple, les SMPS se trouvent dans les chargeurs de téléphones portables, les ordinateurs, etc. Ils sont également faciles à trouver : vous pouvez les trouver aussi bien dans les magasins d'électronique qu'en ligne sur des sites spécialisés comme RS.
L'histoire des alimentations à découpage
L'invention des alimentations à découpage remonte à 1836. Il est prouvé que certaines bobines inductives ont été utilisées pour générer des pics de haute tension dans des conditions de laboratoire. Après presque un siècle, en 1959, aux Bell Labs, Kahng et Atalla ont inventé le MOSFET de puissance qui est à la base des alimentations électriques modernes.
Il existe des documents de brevet déposés par IBM en 1958 montrant la conception d'un SMPS basé sur l'oscillation d'un transistor. Vers la même année, General Motors Corporation (GM) a également déposé des brevets similaires.
Le premier produit commercial et largement connu doté d’une alimentation à découpage à l’intérieur ? Il s'agit de la calculatrice de poche HP-35 de Hewlett Packard. Depuis lors, les alimentations à découpage ont été utilisées pour alimenter les LED, les ROM et d’autres éléments primaires tels que les montres. Bien que développé par de nombreux grands fournisseurs, Microchip Technology a déposé un brevet pour l'utilisation du terme « alimentation à découpage (SMPS) » en 1976 et, en fait, a contracté une belle hypothèque sur celui-ci.
Aujourd'hui, il est utilisé dans de nombreux appareils dans les secteurs les plus divers, de la mécanique de dernière génération à la robotique.
Comment travaillent-ils
Chacun de ces appareils est constitué d'un circuit complexe fonctionnant à très haute fréquence (20 kHz à 10 MHz). La commutation à grande vitesse permet aux alimentations à découpage de convertir l'électricité plus efficacement que les alimentations linéaires traditionnelles.
Le circuit d'alimentation SMPS contient un certain nombre de sous-circuits. Justement, ils vous permettent de convertir efficacement le courant d'une tension à une autre. Voyons comment cela se passe.
Pendant la phase d'entrée, le courant alternatif passe à travers un redresseur qui donne une sortie continue filtrée avec la même tension. A titre d'exemple, dans l'étage d'entrée, 110V AC est converti en 110V DC. Des filtres LC supplémentaires (inductance et condensateur) se trouvent également à ce niveau pour éliminer davantage les ondulations.
La phase suivante est également la plus importante. En règle générale, les alimentations à découpage contiennent un ou plusieurs MOSFET de puissance utilisés comme dispositif de commutation principal. Le signal PWM allume et éteint rapidement le MOSFET, agissant comme un interrupteur. Cela convertit la tension continue (résultat de l’étape précédente) en une onde carrée haute fréquence.
Cela nous amène à la phase de sortie
À la sortie du transformateur de puissance, nous avons également un signal oscillant qui est ensuite filtré. Même dans l'étage, nous trouvons des filtres similaires à ceux que nous avons vus à l'entrée, mais capables de gérer plus de courant à des tensions plus faibles. Il s'agit de la dernière étape du circuit qui transfère l'énergie à la charge connectée.
Enfin, le dispositif de commutation (transistor ou MOSFET). Il doit s'allumer et s'éteindre rapidement pour générer l'onde carrée nécessaire à l'alimentation du transformateur de courant à l'aide du signal PWM. Le rapport cyclique est le rapport entre le temps de fonctionnement et le temps de cycle total. La tension de sortie SMPS peut être contrôlée en augmentant ou en diminuant le rapport cyclique du signal PWM fourni au transistor.
