L’architecture à alimentation distribuée permet de concevoir des structures plus efficaces

Le concept des circuits d’alimentation distribuée dans lesquels les alimentations à découpage centralisées sont combinées à un grand nombre de modules convertisseurs locaux permet aux développeurs de concevoir des designs toujours plus efficaces. En utilisant des convertisseurs CC/CC ou des régulateurs à découpage pour la génération intégrée du courant direct nécessaire localement, il est possible d'améliorer la structure d’assemblages individuels de façon significative. Aujourd’hui, des modules sont disponibles dans le commerce pour quasiment n’importe quelle application et les prix ont fortement baissé. Les solutions sur mesure ne sont donc généralement plus une option viable.

Le monde de l’électronique est devenu un monde hautement numérisé. Les microcontrôleurs, les logiciels, la technologie de détection et les systèmes de réseau, y compris le fameux IoT ou Internet des objets, établissent de nouvelles normes concernant les capacités des systèmes électroniques. Le seul domaine dans lequel la technologie analogique n’a pas été poussée vers la sortie est celui de l’alimentation.

Les alimentations à découpage ont toujours été le domaine d’un petit nombre de fabricants spécialisés. D’autre part, en raison de leur faible tension nominale, le design des convertisseurs CC/CC était traditionnellement considéré comme faisant partie du processus de développement des produits. Ces convertisseurs étaient donc normalement conçus à part. À une époque où les jeunes développeurs ont un manque de connaissance en termes de technologie analogique et plus particulièrement dans les domaines des noyaux de ferrite, des bobines et des transistors, le design des alimentations, y compris celui des petits convertisseurs CC/CC, doit être confié à des experts. Cette approche permet de gagner du temps dans le développement de prototypes et aide aussi à clarifier les responsabilités au sein de l’équipe de développement.

L’architecture à alimentation distribuée facilite la délégation à des experts

Étant donné que la responsabilité d’assemblages spécifiques est normalement confiée aux spécialistes correspondants au sein de l’équipe projet de développement de produit, il est légitime de laisser le design des alimentations aux experts. Avec une alimentation centralisée couvrant les besoins en alimentation du système complet, les tensions c.c. requises localement peuvent être générées localement au sein des assemblages. En adoptant une telle architecture, les équipes de développement individuelles restent focalisées sur les tâches de design de leur module et peuvent travailler de manière plus indépendante. Il existe un autre avantage : si, avec le temps, il est nécessaire de modifier un composant d’un système d’alimentation distribuée pour bénéficier de plus de puissance ou d'une tension différente, seul le convertisseur de tension de ce composant doit être adapté. L’alimentation centralisée et les autres parties du circuit demeurent infectées.

Les convertisseurs CC/CC contiennent un transformateur torique isolant l’entrée de la sortie, afin que les différents secteurs au sein d’un montage puissent être facilement séparés pour éviter les boucles de mise à la terre et pour minimiser le bruit. Il est également possible d'utiliser les convertisseurs CC/CC pour isoler électriquement les canaux de l’amplificateur et pour séparer les ports d’interface ou les sondes de mesure des autres composants électroniques à l’intérieur du dispositif. Ce point est particulièrement important dans les dispositifs électroniques médicaux où les normes et régulations pertinentes, notamment la norme UL/EN60601-1, interdisent tout isolant supplémentaire pour protéger les patients.

Pourquoi les architectures d’alimentation modulaires sont-elles plus efficaces ?

Toute alimentation consomme de l’énergie pour fonctionner correctement. Pour des puissances nominales élevées, cette consommation est cependant relativement insignifiante. C’est pourquoi une alimentation de 150 W a une efficacité d’environ 90 %, alors que de petites alimentations avec des puissances nominales de 1 ou 2 W atteignent difficilement la barre des 70 %. L’efficacité d’un bon convertisseur CC/CC se situe entre 85 et 92 % en fonction de la classe et de la topologie d’alimentation. Les régulateurs à découpage peuvent cependant atteindre un niveau d’efficacité allant jusqu’à 96,5 % !

Fig. 2 : le convertisseur CC/CC 1 W R1SX, produit dans une usine complètement automatisée, possède un niveau d’efficacité de 78 % à pleine charge.

Du point de vue de l’efficacité, il est donc préférable d’équiper un système avec une importante alimentation centralisée et de générer les différentes alimentations c.c. localement par le biais des convertisseurs CC/CC et des régulateurs à découpage.

Il est raisonnable de dire que les convertisseurs CC/CC disponibles dans le commerce, essayés et testés dans des milliers d’applications, présentent de meilleurs niveaux d’efficacité que les dispositifs conçus sur mesure et produits avec d'importantes contraintes de temps. Les tests dans lesquels le nouveau convertisseur 1 W R1SX-0505 (fig. 2) de la taille d’un ongle a été comparé à un convertisseur sur mesure avec une puissance nominale équivalente révèlent des différences significatives en matière d’efficacité. À pleine charge, le convertisseur sur mesure atteint 70 %, ce qui est un résultat tout à fait louable. Pour une charge de 50 %, l’efficacité chute cependant à 55 %, soit 17 points de moins que celle du R1SX. La perte de puissance du dispositif sur mesure était de 409 mW soit plus du double des 195 mW du R1SX. Dans ce cas, le passage à un module du commerce permettrait non seulement d’économiser de l’énergie, mais aussi de réduire la charge sur le circuit imprimé.

Fig. 3 : les tests de comparaison avec un convertisseur CC/CC conçu sur mesure (courbe rouge) et les premiers modules tests du nouveau R1SX de RECOM (courbe bleue) montrent que le module du commerce est plus efficace, en particulier dans la plage importante de charge moyenne. Le R1SX sera disponible à partir de mars 2017.

L’efficacité représente plus que la seule efficacité électrique

Quand ils parlent d’efficacité, les ingénieurs n’ont souvent pas que l’efficacité électrique en tête. Étant donné que les designs des modules deviennent toujours plus complexes, l’encombrement réduit sur le circuit imprimé est souvent la preuve d'un avantage conséquent. Aujourd’hui, la densité de puissance est donc devenue un important facteur d’efficacité. Les convertisseurs modulaires peuvent normalement être beaucoup plus réduits que les dispositifs sur mesure. Ainsi, les modules du commerce prennent généralement deux fois moins de place sur le circuit imprimé. C’est un avantage non négligeable, car l’espace tend à devenir une denrée rare sur les circuits imprimés.

L’expérience montre que le design des alimentations est généralement laissé pour la fin du projet. En optant pour une conception modulaire avec une architecture d’alimentation distribuée, il est possible d'exécuter cette tâche bien plus tôt, soit au moment où l’alimentation centralisée a été définie. Davantage d’économies de temps et d’argent peuvent être réalisées en optant pour des convertisseurs complètement assemblés et homologués, car ils rendent plus probable le fait que le produit fini passe les tests CEM et la procédure d’homologation du premier coup. Pour aider ses clients à y parvenir, RECOM offre désormais un service spécial de test préliminaire de prototype dans son propre laboratoire CEM à un tarif très compétitif.

En tenant compte de ce que nous avons vu précédemment, il devient évident qu’une architecture d’alimentation décentralisée est généralement une meilleure solution. Qu’en est-il des coûts ? L’achat de convertisseurs CC/CC et de régulateurs à découpage n’est-il pas plus onéreux ? En comparant les coûts de production des dispositifs sur mesure et les prix à l’achat des modules, les convertisseurs sur mesure tendent à être moins chers. Une autre conclusion émerge cependant lorsque les coûts de développement, de testing et d’homologation sont pris en compte. Dans le cas inhabituel où un module produit en interne échouerait au test CEM ou ne serait pas approuvé et homologué du premier coup, les économies initiales pourraient rapidement s’évaporer. La perte financière est encore plus importante si une nouvelle conception conduit à un retard de lancement sur le marché, alors que les concurrents engrangent des parts de marché. Les chefs de projet doivent donc bien réfléchir pour savoir s’ils veulent prendre le risque associé à un développement en interne.

Enfin et surtout, une bonne gestion des ressources prévoit que le nombre de composants et de fournisseurs doit rester le plus faible possible, ce qui est naturellement toujours le cas avec les modules du commerce. Après tout, des pièces comme les transformateurs toriques, les noyaux de ferrite, les bobines et les transistors sont des composants très spécialisés qui ne se trouvent pas facilement parmi les listes internes de pièces.

Gamme complète de produits

Aujourd’hui, les développeurs ont le choix parmi une immense gamme d’alimentations, de convertisseurs CC/CC et de régulateurs à découpage standards à des prix compétitifs. RECOM propose de nombreux dispositifs se démarquant de la concurrence, car ils s’accompagnent de fonctionnalités et propriétés avancées.

La nouvelle alimentation à découpage RAC150-G (à droite), par exemple, repousse la densité de puissance à la limite de ce qui est physiquement faisable. Mesurant 4 x 2 pouces, elle est disponible sous forme de module à structure ouverte ou placé dans un boîtier métallique. Avec son système de refroidissement externe, elle fournit 150 W sur un intervalle de température d’utilisation de -20 à 70 °C. Le module est disponible en version 12 V, 24 V ou 48 V (sortie).

En matière de convertisseurs CC/CC, RECOM a impressionné le secteur avec sa série REM1 de convertisseurs CC/CC isolés non régulés conçus pour une utilisation avec l’électronique du secteur médical (en haut à droite). Ces modules seront disponibles dans un boîtier SIP7 avec une isolation renforcée jusqu’à 4,2 kV c.a./minute et un indice de protection des patients de 2 MOPP/250 V c.a.

La série RxxP22005D de convertisseurs (en bas à gauche) a été spécialement développée pour l’alimentation de drivers MOSFET en carbure de silicium. Ils s’accompagnent d’une isolation allant jusqu’à 6,4 KV c.c. et fournissent la tension de +20 et -5 V c.c. requise pour la commutation rapide et sûre des drivers MOSFET en carbure de silicium.

Le convertisseur 1 W R1SX décrit plus haut va bientôt avoir un grand frère, à savoir le RTC2. Ce module régulé à structure ouverte (en haut, au centre) est un convertisseur 2 W disponible pour des entrées de 4,5 à 9 V ou 18 à 36 V et une sortie de 5 V.

Le nouveau R420-1.8/PL (124-4230) est un dispositif très spécial qui récupère le courant inutilisé (< 3,5 mA) des boucles normalisées de 4 à 20 mA pour fournir des tensions de sortie de 1,8 à 5 V. Ce module unique alimente les microcontrôleurs, les modems HART et les capteurs intelligents directement à partir de la boucle.

Notons également certains ajouts intéressants à notre gamme de régulateurs à découpage plébiscitée. La nouvelle série R-78B (163-394) fournit une tension de sortie de 3,3, 5, 12 ou 15 V, des courants allant jusqu’à 2 A et une puissance allant jusqu’à 30 W à partir d’un boîtier SIP3 ! Grâce à son haut rendement pouvant atteindre 96,5 %, il n’y a quasiment aucune perte de chaleur et donc aucun besoin de refroidissement.

Tous les produits ci-dessus s’accompagnent d’une garantie de 3 ans et la plupart d’entre eux sont déjà conformes à la nouvelle norme UL/EN62368-1 devant entrer en vigueur à l’été 2019.