Gestion de l’alimentation

Alimentation

Une alimentation est un appareil électrique qui fournit de l’électricité à une charge. Elle fait généralement référence à la production et au contrôle des tensions régulées nécessaires au fonctionnement d’un système électronique. La fonction principale d’une alimentation est de convertir le courant électrique d’une source en tension, courant et fréquence corrects pour alimenter la charge. Parmi les éléments d’alimentation, on trouve les composants de circuits intégrés tels que les régulateurs de commutation, les régulateurs de tension linéaire, les convertisseurs de tension de condensateur commuté, les convertisseurs DC-DC, les solutions AC-vers-DC, les circuits intégrés de gestion de l’énergie PMIC, la gestion de la batterie, le – Power over Ethernet (PoE) et les références de tension.

Certaines alimentations sont des unités autonomes, tandis que d’autres sont intégrées aux appareils de charge qu’elles alimentent. Elles exigent une stabilité et une protection élevées. Leurs utilisations couvrent un large éventail de types de produits, des appareils grand public aux services publics industriels, des milliwatts aux mégawatts, et des outils portables aux communications par satellite. Les alimentations industrielles ont une capacité allant de quelques watts à plusieurs kilowatts et peuvent être conçues pour répondre à des critères complexes tels que le refroidissement par convection/l’absence de ventilateur, la robustesse, la conformité des revêtements ou des indices IP pour les environnements hostiles.

Les alimentations peuvent limiter le courant consommé par la charge à des niveaux sûrs et couper le courant en cas de défaut électrique. Elles peuvent conditionner l’alimentation pour empêcher le bruit électronique ou les surtensions à l’entrée d’atteindre la charge. Elles effectuent la correction du facteur de puissance et stockent l’énergie afin de pouvoir continuer à alimenter la charge en cas d’interruption temporaire de la source d’alimentation. Étant donné que de nombreux appareils électroniques nécessitent différents niveaux de tension DC, les concepteurs doivent développer une méthode pour les potentiels de source d’alimentation conventionnels s’adaptent aux tensions spécifiées par la charge. La conversion de tension doit être flexible, efficace et fiable.

Les alimentations à découpage sont couramment utilisées pour fournir les différents niveaux de puissance de sortie DC requis pour les applications actuelles. Elles sont essentielles pour produire des systèmes de conversion de puissance DC-DC très efficaces et fiables. Les rails Buck, Boost, Buck-boost, Inversion et Division sont parmi les plus populaires.

Power over Ethernet est une technologie largement utilisée qui permet aux appareils en réseau tels que les téléphones IP, les points d’accès LAN sans fil, les caméras de sécurité en réseau et d’autres terminaux IP de recevoir l’alimentation en parallèle avec les données sur l’infrastructure Ethernet CAT-5 existante sans besoin d’une alimentation séparée. Cela minimise à la fois la complexité et les risques associés au traitement de l’alimentation AC. La dernière mise à jour de la norme PoE est la norme IEEE 802.3at, souvent appelée PoE+. Ces appareils fournissent une puissance de sortie maximale de 30 watts par port.

La charge sans fil élimine le besoin de câbles pour charger les téléphones portables, les appareils sans câble et autres appareils électroniques portables. Le système de charge sans fil comprend un ensemble de puces émettrices et réceptrices qui peuvent être adaptées à des besoins d’application variés et qui sont conformes aux principales normes de charge sans fil, notamment le Qi du Wireless Power Consortium (WPC). La batterie de tout appareil alimenté par batterie peut être chargée avec un chargeur sans fil en plaçant simplement l’appareil à proximité d’un émetteur de puissance sans fil ou d’une station de charge certifiée. La loi bien connue de Faraday, relative à la tension induite, est le concept de base utilisé dans la charge sans fil.

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AC – DC

La puissance à l’entrée peut être soit en courant alternatif (AC) soit en courant continu (DC). Le courant électrique AC inverse périodiquement sa direction, tandis que le courant DC se produit lorsque le courant circule dans une direction constante. Le courant DC est le type d’alimentation préféré pour les appareils électroniques. Les convertisseurs de courant AC vers DC sont parmi les plus importants dans l’électronique d’alimentation, car ils sont utilisés dans de nombreuses applications du monde réel où l’entrée est une tension AC (50 Hz/60 Hz sinusoïdale) qui nécessite une conversion de puissance en sortie DC.

Les convertisseurs AC-DC peuvent avoir plusieurs sorties et peuvent être équipés d’une protection contre les surintensités, les surtensions et les courts-circuits. Pour convertir le courant AC fourni en courant DC pur, un convertisseur de courant AC vers DC typique passe par quatre étapes principales. Abaisser la tension d’alimentation ; rectifier l’onde sinusoïdale ; lisser la forme d’onde pour minimiser les ondulations ; et réguler la tension pour produire le courant DC de sortie final sont les étapes.

Le processus de conversion du courant alternatif en courant continu est connu sous le nom de rectification. Les redresseurs sont mis en œuvre à l’aide de dispositifs semi-conducteurs qui conduisent exclusivement le courant dans une seule direction, comme les diodes. Les thyristors sont des redresseurs semi-conducteurs plus avancés. Les redresseurs sont classés en fonction de facteurs tels que les types d’alimentation, la configuration du pont et les composants utilisés. Ils peuvent être classés en monophasés et triphasés, en fonction du nombre de diodes utilisées. Il peut s’agir de redresseurs demi-onde, pleine onde ou en pont, et peuvent également être de type contrôlé ou non contrôlé. Les redresseurs non contrôlés fournissent une tension de sortie DC fixe pour une alimentation AC donnée. Les redresseurs contrôlés utilisent des thyristors et des diodes qui offrent une tension de sortie DC réglable en contrôlant la phase au cours de laquelle les appareils sont allumés.

La conversion de courant AC vers DC peut être effectuée à l’aide de topologies linéaires ou à découpage. Les convertisseurs AC-DC linéaires sont simples et abordables, mais ils sont également encombrants et peu efficaces. L’excès de puissance est converti en chaleur, ce qui peut être indésirable pour certaines applications sensibles à la température, mais ils ont l’avantage de générer peu de bruit. Les convertisseurs AC-DC à découpage utilisent une technique de conversion de puissance à découpage. Ils sont plus compliqués à utiliser que les convertisseurs linéaires. La justification pour utiliser des topologies plus complexes est généralement d’améliorer l’efficacité, de réduire le bruit ou de fournir un contrôle supérieur de l’alimentation.

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DC – DC

Les convertisseurs DC-DC sont des alimentations qui convertissent une tension continue (DC) en différents niveaux de tension DC. Ils sont un composant essentiel de presque tous les circuits électroniques où différentes tensions sont nécessaires pour alimenter divers composants de circuit. L’entrée d’un convertisseur DC-DC est une tension DC non régulée qui est convertie en une tension de sortie DC régulée.

Il doit fonctionner selon des paramètres DC définis, tels que la plage de tension d’entrée, la plage de tension de sortie et le courant de sortie maximal requis pour une certaine application. L’efficacité, l’ondulation de sortie, le contrôle de la charge, la réactivité transitoire, la température nominale, la taille et le poids sont quelques-unes des caractéristiques de performance supplémentaires à prendre en compte. Un autre élément important qui a un impact sur l’efficacité et le bruit est la fréquence de commutation. Des fréquences de commutation plus élevées permettent d’obtenir des composants externes plus petits, des courants de crête plus faibles et des pertes I2R réduites, mais elles augmentent également les pertes de cœur, les courants de charge de grille et les pertes de commutation.

Les convertisseurs DC-DC sont classés en deux types : linéaire et à découpage. Alors qu’un convertisseur DC/DC linéaire génère et régule une certaine tension de sortie par une chute de tension résistive, un mode à découpage la convertit en stockant périodiquement l’énergie d’entrée puis en la libérant à la sortie à une tension variable. Le stockage peut se faire dans un composant de champ magnétique (inductance, transformateur) ou un composant de champ électrique (condensateur). Cette méthode de conversion peut augmenter ou diminuer le niveau de tension. Les régulateurs linéaires offrent moins de bruit et une bande passante plus élevée.

Le convertisseur DC-DC à découpage est en outre classé en mode isolé et non isolé. Les convertisseurs isolés offrent une barrière d’isolement entrée-sortie à l’aide de transformateurs et d’optocoupleurs. Cela permet à la tension de sortie d’être flottante et d’être utilisée comme polarité positive ou négative par rapport au 0 V du système. Les convertisseurs isolés sont utiles pour rompre les boucles de masse, séparant ainsi les parties d’un circuit sensibles au bruit. Les exigences de sécurité sont une raison courante d’utiliser un convertisseur de puissance DC-DC isolé. L’isolation sépare la sortie des tensions dangereuses à l’entrée et protège contre les chocs électriques ou les courts-circuits. Les applications à haute vitesse et haute puissance utilisent des convertisseurs DC/DC isolés.

Lorsque le décalage de tension est minimal, des convertisseurs non isolés sont utilisés. Dans ce circuit, les bornes d’entrée et de sortie partagent une masse commune. Une boucle de rétroaction fermée est utilisée pour maintenir une tension de sortie constante avec des tensions d’entrée et des charges de sortie variables.

Un convertisseur DC/DC à découpage, également appelé régulateur, est un circuit qui transfère l’énergie de l’entrée à la sortie à l’aide d’un interrupteur d’alimentation, d’une inductance, d’une diode et d’un condensateur. Il peut être combiné de plusieurs manières pour produire des types Buck, Boost ou Buck-Boost. Un convertisseur Buck génère une tension de sortie inférieure à la tension d’entrée et est appelé un convertisseur « abaisseur ». La topologie du convertisseur Boost produit une tension plus élevée que la tension d’entrée. Il est également appelé convertisseur élévateur. Un convertisseur Buck-Boost est une combinaison de circuits Buck et Boost. Ici, les tensions de sortie du convertisseur peuvent être supérieures ou inférieures à la tension d’entrée.

Les convertisseurs à découpage avec des capacités de puissance faibles et élevées sont utilisés dans une large gamme d’applications, notamment les alimentations électriques, les systèmes de stockage d’énergie, les systèmes de transmission d’énergie, les véhicules électriques, les systèmes de propulsion de navires et de trains, les applications d’énergie renouvelable et les entraînements de moteur DC.

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Charge

La puissance qui vient du réseau est toujours du courant alternatif (AC). Lors du chargement d’équipements électroniques portables (tels que les téléphones portables et les voitures électriques), l’électricité est convertie du courant AC en courant continu (DC). Un système de charge est un dispositif qui transfère l’énergie d’un réseau d’alimentation à fréquence constante et à tension constante au courant continu afin de charger la batterie et de faire fonctionner les systèmes électriques lorsqu’ils sont connectés.

Dans les systèmes alimentés par batterie, la qualité du circuit de charge a un impact significatif sur la durée de vie et la fiabilité de la batterie. Un bon chargeur de batterie améliore les capacités, augmente la durée de vie de la batterie et permet d’effectuer un suivi du processus de charge. Pour résoudre les problèmes de conversion d’alimentation portable, une large gamme de solutions de gestion de batterie prenant en charge un certain nombre de chimies de batterie est requise. Les contrôleurs de gestion de charge de batterie sont des systèmes de régulation de tension fiables, peu coûteux et de haute précision qui nécessitent peu de composants externes, ce qui se traduit par des conceptions plus petites, moins chères et plus sophistiquées.

Les applications portables exigent à la fois une efficacité de conversion élevée et une faible consommation d’énergie en veille pour prolonger la durée de vie de la batterie. Pour maintenir des niveaux de puissance constants lorsque les batteries se déchargent, les blocs de batteries multicellulaires peuvent nécessiter un convertisseur abaisseur (Buck), tandis que les batteries monocellulaires peuvent nécessiter un convertisseur élévateur (Boost). La charge de la batterie nécessite une régulation de courant ou de tension constante. Ces dispositifs de charge de batterie offrent des fonctionnalités telles que le préconditionnement de la batterie, les courants de charge programmables, les seuils de fin de charge et les minuteries, l’optimisation de la capacité de carburant et la réduction du temps de charge tout en maintenant la durée de vie de la batterie dans des circuits avec peu de composants et une petite surface qui sont idéaux pour les applications portables.

La charge peut être effectuée par une charge conductrice/câblée, une charge inductive/sans fil ou en remplaçant la batterie (permutation). Les systèmes de charge qui utilisent la technique conductrice/câblée établissent un contact direct entre le connecteur et l’entrée de charge. Une prise électrique normale ou une station de charge peut alimenter le cordon. La charge conductrice est préférée, car elle est considérablement moins chère et plus efficace.

La charge par induction/sans fil utilise un champ électromagnétique pour transmettre de l’énergie entre deux objets. Ceci est généralement accompli à l’aide d’une station de charge. L’énergie est transférée à un appareil électrique via un couplage inductif qui peut ensuite utiliser cette énergie pour charger les batteries ou alimenter l’appareil. Les chargeurs à induction utilisent une bobine d’induction dans une base de charge pour générer un champ électromagnétique alternatif et une seconde bobine d’induction dans le dispositif portable retransforme la puissance du champ électromagnétique en courant électrique pour charger la batterie.

Les véhicules électriques (VE) sont alimentés par d’énormes parcs de batteries, constitués de longues chaînes de batteries en série. Le bloc de batteries est un ensemble de batteries individuelles qui constituent la principale source de carburant du véhicule. Les chargeurs des VE se différencient par la vitesse à laquelle ils rechargent les batteries VE. L’utilisation optimale et sûre de ces batteries nécessite un système de gestion de la batterie (BMS) qui comprend des systèmes de surveillance et de contrôle de la batterie, assurant le bon état des cellules de la batterie et fournissant de l’énergie aux systèmes du véhicule. Il contient un connecteur de chargeur haute tension qui connecte la source haute tension pour charger la batterie à l’intérieur du véhicule.

Il existe plusieurs types de connecteurs de charge, de modules de gestion de l’alimentation, de circuits intégrés d’alimentation et de contrôleurs de charge qui peuvent être utilisés pour une large gamme d’applications de méthodes de charge conductrices et inductives.

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Gestion des batteries

La croissance de l’industrie des batteries rechargeables est tirée par une augmentation du nombre d’appareils portables alimentés par batterie, de véhicules électriques, de solutions de stockage d’énergie et d’applications industrielles. Prmi les diverses chimies de batterie, on trouve le plomb-acide, le nickel-cadmium, le nickel-métal-hydrure et le lithium-ion, et ceux-ci nécessitent un courant de charge et des tensions de sortie extrêmement précis pour répondre aux normes. Pour maintenir la santé de ces cellules dans le bloc de batterie et fournir la puissance nécessaire, un système de gestion de batterie (BMS) est requis. Le portefeuille de gestion des batteries comprend des circuits d’authentification de batterie, des circuits de chargeur de batterie, des circuits de jauge de carburant de batterie, des circuits de protection des batteries et des circuits de supervision et de surveillance des batteries qui peuvent être utilisés pour une large gamme d’applications.

Un BMS est un système électronique qui gère la charge, le contrôle de la décharge et fournit d’autres fonctionnalités avancées telles que la protection des cellules, la surveillance et l’équilibrage des cellules, le calcul de la durée de vie de la batterie, le contrôle de son environnement, etc. La fonction principale d’un BMS est de protéger la batterie et d’empêcher tout fonctionnement qui dépasse sa limite de sécurité. Il comporte plusieurs blocs fonctionnels, tels que des FET de coupure, un moniteur de jauge de carburant, un moniteur de tension de cellule, un équilibre de tension de cellule, une horloge en temps réel, des moniteurs de température et une machine d’état.

Plusieurs types de circuits de gestion des batteries sont disponibles. Les composants fonctionnels sont organisés de diverses manières, allant d’un simple système frontal analogique (AFE) qui assure l’équilibrage et la surveillance à un système qui nécessite un contrôleur actif – un système hautement intégré qui fonctionne de manière autonome. Le microcontrôleur utilisé dans le BMS mesure la tension et le courant des cellules en temps réel et commute les MOSFET en conséquence.

En termes de structure matérielle, les architectures centralisées, distribuées et modulaires sont les trois types de topologies implémentées dans un BMS. Plusieurs capteurs sont placés dans la batterie pour collecter des données au niveau de la couche de surveillance. Les données acquises en temps réel sont utilisées pour assurer la sécurité du système et évaluer l’état de la batterie.

La protection des cellules comprend l’acquisition de données sur les tensions, les températures et le courant des cellules. L’analyse des données détermine l’état de charge (SoC) et l’état de santé (SoH) de la batterie. Elle assure le contrôle des composants externes pour maintenir les cellules dans les conditions recommandées par le fabricant (p. ex. ventilateurs, radiateurs) et le contrôle des composants pour isoler le bloc de batterie en cas de défaillance des cellules (contacteurs).

L’équilibrage des cellules permet de compenser les cellules plus faibles en égalisant la charge de toutes les cellules de la batterie pour prolonger la durée de vie de cette dernière. Deux méthodes d’équilibrage des cellules sont souvent utilisées : l’équilibrage des cellules passif et actif. Avec l’équilibrage passif, les résistances de dérivation sont utilisées pour décharger l’excès de tension et s’égaliser avec d’autres cellules. Avec l’équilibrage actif des cellules, la charge excédentaire d’une cellule est transférée à une autre cellule avec une charge faible. Il utilise des condensateurs de stockage de charge et des inductances.

Les véhicules électriques sont alimentés par d’énormes parcs de batteries constitués de longues rangées de batteries connectées en série. L’utilisation optimale et sûre de ces batteries nécessite l’utilisation d’un BMS qui comprend la capacité de surveiller et de contrôler les systèmes de stockage d’énergie, ainsi que d’assurer le bon état des cellules de batterie et d’alimenter les systèmes du véhicule.

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Protection des circuits

La protection des circuits est l’utilisation prévue d’un dispositif à sécurité intégrée qui provoque une perturbation dans un circuit électrique lorsqu’il détecte une charge d’alimentation excessive et dangereuse (conditions de surintensité ou de surtension) dans un circuit. Une condition de surcharge peut être définie comme le fonctionnement d’un équipement au-dessus de sa capacité nominale normale à pleine charge, ou fonctionnant au-delà de sa capacité nominale. Les courts-circuits (défauts de courants) se produisent généralement avec un flux de courant anormalement élevé en raison de la défaillance de l’isolation des conducteurs.

Les fusibles sont des dispositifs sensibles au courant conçus avec un morceau de fil qui fond facilement lorsque le flux de courant est trop élevé et interrompt le circuit. Les fusibles réarmables, les fusibles à cartouche et les fusibles à haut pouvoir de coupure sont différents types de fusibles.

Les fusibles sont des dispositifs de protection de circuit qui sont disponibles dans une sélection très diversifiée. Cette gamme de produits comprend différents types de dispositifs de protection de circuit et de produits associés. Les fusibles, les douilles de fusibles, les porte-fusibles, les blocs de fusibles, les disjoncteurs et les dispositifs réinitialisables à coefficient de température positif (CTP) sont des exemples de produits contre les surintensités. Les varistances à oxyde métallique (MOV), les diodes de suppression de tension transitoire discrètes (diodes TVS), les thyristors, les suppresseurs de décharge électrostatique (ESD) et les tubes à décharge gazeuse (GDT) sont des exemples de produits de surtension.

Les diodes Zener sont l’un des dispositifs de protection de circuit les plus couramment utilisés. S’ils sont utilisés en mode polarisé en sens passant, ils bloqueront les tensions à environ 0,6 V comme n’importe quelle autre diode au silicium ; cependant, lorsqu’ils sont utilisés en mode de polarisation inverse, ils fixeront une tension à une valeur spécifique.

Les varistances sont des dispositifs sensibles à la tension qui sont utilisés pour protéger les circuits contre les pointes de tension transitoires. Les varistances multicouches (MLV) sont principalement des dispositifs à montage en surface avec une structure multicouche en céramique, ils sont destinés à protéger les circuits imprimés dans l’électronique miniaturisée des transitoires causés par les décharges électrostatiques (ESD), les charges inductives, la commutation et les transitoires de surtension de foudre. Les MOV sont des disques d’oxyde de zinc enrobés d’époxy qui peuvent avoir des fils radiaux ou axiaux. Les MOV sont des dispositifs de milieu de gamme utilisés pour protéger les petites machines, les alimentations et les composants.

Une surtension transitoire est une augmentation soudaine (moins d’une milliseconde) du flux d’énergie. Les surtensions transitoires proviennent de nombreuses sources, les plus courantes étant internes, telles que la commutation de charge et même le fonctionnement normal de l’équipement. Ces transitoires endommagent, dégradent ou détruisent les équipements électroniques. Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est un composant qui réduit la quantité d’énergie nocive circulant dans un système. Les SPD sont le type de dispositif de protection contre les surtensions le plus courant et le mieux organisé. Dans le circuit d’alimentation, le dispositif SPD est généralement placé en parallèle avec les rails d’alimentation et peut être utilisé à n’importe quelle étape de l’alimentation. Les SPD sont principalement fabriqués à l’aide d’un ou de plusieurs de ces types de technologies : éclats à étincelles ou tubes à décharge gazeuse, MOV, diodes Zener ou diodes à avalanche de silicium.

Les disjoncteurs, également appelés MCB, sont principalement mécaniques et fonctionnent comme un interrupteur électrique qui s’ouvre lorsqu’un courant excessif circule dans un circuit. Ils peuvent être réinitialisés sans provoquer de dommages et un mécanisme de verrouillage maintient les connexions primaires fermées. Ils rendent l’électricité plus sûre au quotidien.

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