Comment garantir des performances optimales lors de l'utilisation d'alimentations CA/CC à cadre ouvert

Les alimentations CA/CC — parfois appelées alimentations autonomes — sont largement utilisées dans les applications informatiques, industrielles, d'éclairage et d'affichage. Elles constituent un élément standard de presque tous les systèmes électroniques, à l'exception de ceux qui sont alimentés uniquement par batteries.

Des versions de ces alimentations sont fournies sous forme d'unités à cadre ouvert destinées à être intégrées dans des systèmes OEM en tant que simples cartes à circuit imprimé, et dépendent du boîtier du produit final pour fournir l'ensemble requis. Ces alimentations fonctionnent sur une large plage de tensions de ligne CA et sont proposées dans de nombreuses combinaisons de courant, de puissance et de tension de sortie.

Bien qu'elles soient complètes d'un point de vue fonctionnel et relativement faciles à utiliser, les ingénieurs doivent néanmoins tenir compte de certaines considérations de conception lorsqu'ils les utilisent, notamment :

• Sécurité électrique/réglementation
• Gestion thermique et détarage
• Compatibilité électromagnétique

Cet article étudie ces considérations dans le contexte des alimentations à cadre ouvert de XP Power et de la gamme d'alimentations 80 watts (W) à refroidissement par convection LCE80.

Alimentations : fabriquer ou acheter ?

Historiquement, l'une des premières questions associées au choix de l'un de ces produits est de savoir s'il faut le fabriquer ou l'acheter. Le raisonnement est que la conception et la construction d'une ou de quelques unités d'alimentation de base fonctionnant à < 100 W ne sont pas difficiles, du moins en théorie.

Mais dans la pratique, il s'agit d'une situation beaucoup plus complexe et multiforme, qui nécessite une conception et une construction respectant les points suivants :

• Fonctionnement conforme aux spécifications dans toutes les conditions, y compris la ligne CA haute/basse, les performances transitoires et la plage de températures
• Caractéristiques de protection requises, notamment protection contre les surtensions, verrouillage en cas de sous-tension et blocage thermique
• Connaissance et respect des nombreuses réglementations mondiales complexes en matière de sécurité, de rendement et de consommation au repos
• Respect des diverses exigences en matière de chocs et de vibrations
• Plan pour tester, vérifier et certifier les performances

La réalité est qu'il est extrêmement difficile, même pour une équipe d'ingénieurs qualifiés ayant de l'expérience dans ce domaine, de réaliser une conception réussie dans un délai raisonnable et à des coûts initiaux acceptables en termes d'ingénierie non récurrente (NRE), de nomenclature (BOM), de configuration de production, et de test et de qualification.

Même lorsque les exigences ne peuvent pas être satisfaites avec une unité standard, la plupart des fournisseurs d'alimentations CA/CC proposent des services de personnalisation pour modifier une alimentation standard afin de répondre à des demandes uniques, tout en intégrant les nombreuses exigences techniques et réglementaires.

Commencer par l'implémentation d'une alimentation à cadre ouvert

Une alimentation à cadre ouvert est le terme utilisé dans l'industrie pour désigner une carte qui fonctionne comme un composant unique et complet, comme la gamme LCE80 (Figure 1). Cette carte est installée dans l'équipement final, et ce produit final fournit le boîtier de protection physique et électrique pour l'alimentation. Les alimentations à cadre ouvert offrent une grande flexibilité d'installation et d'excellentes performances, elles répondent aux normes et mandats réglementaires et elles constituent des solutions rentables qui permettent à l'équipe de conception de se concentrer davantage sur le reste de la conception du système et sa différenciation.

Figure 1 : Les alimentations à cadre ouvert 80 W série LCE80 incluent tous les composants nécessaires, montés sur une seule carte à circuit imprimé. (Source de l'image : XP Power)

Une alimentation à cadre ouvert n'est pas la même chose qu'une autre alimentation CA/CC largement utilisée, appelée profilé en U, où le circuit imprimé de l'alimentation est installé dans un châssis en forme de U, généralement en aluminium (Figure 2). Un bon exemple est l'alimentation 100 W VCS100US12 de XP Power. Le châssis offre également de multiples options au fabricant de l'équipement pour installer l'alimentation dans l'assemblage final, et comprend souvent un couvercle amovible pour la protection électrique et physique, perforé pour la circulation de l'air.

Figure 2 : L'alimentation à profilé en U 100 W VCS100US12 inclut un couvercle de protection amovible. (Source de l'image : XP Power)

Bien que l'alimentation à cadre ouvert soit complète et prête à l'emploi, il reste des considérations liées aux questions de sécurité électrique/conformité réglementaire, aux performances et aux limites thermiques, à l'installation et à la compatibilité électromagnétique (CEM).

Sécurité électrique/conformité réglementaire : Les utilisateurs d'alimentations à cadre ouvert doivent être conscients des exigences de distance d'isolement et de fuite en surface. La distance d'isolement est la distance la plus courte dans l'air entre deux composants conducteurs, tandis que la ligne de fuite est la distance la plus courte le long de la surface d'un matériau isolant solide entre deux composants conducteurs (Figure 3). Les minimums requis pour ces deux facteurs sont fonction de la tension d'alimentation ainsi que des conditions d'exploitation, telles que la pollution anticipée impliquant la poussière, l'humidité et d'autres particules dans l'air ambiant ou sur la surface entre les nœuds haute tension.

Figure 3 : Les conceptions de circuit imprimé doivent respecter des dimensions minimum pour la distance d'isolement, la distance la plus courte dans l'air entre deux composants conducteurs, et pour la fuite en surface, la distance la plus courte le long de la surface d'un matériau isolant solide entre deux composants conducteurs. (Source de l'image : Altium Limited)

Les alimentations sont également divisées en plusieurs classes CEI, en fonction de l'application finale :

• Classe I : La protection de l'utilisateur contre les chocs électriques est assurée par la combinaison de l'isolation et d'une mise à la terre protectrice
• Classe II : La protection de l'utilisateur contre les chocs électriques est assurée par deux niveaux d'isolation (double ou renforcée)

Un système de classe I exige trois ou quatre millimètres (mm) entre tout composant métallique mis à la terre et tout composant primaire de l'alimentation, selon que l'application finale est industrielle ou médicale. Cela peut nécessiter une isolation supplémentaire autour de l'assemblage d'alimentation à cadre ouvert ; les alimentations de classe II peuvent nécessiter des lignes de fuite et des distances d'isolement plus importantes.

Lorsqu'une alimentation de classe I est utilisée, la connexion à la terre de sécurité de l'alimentation fait partie intégrante du système électrique et doit être solidement connectée à la terre de sécurité de l'équipement. De plus, il est probable qu'il y ait plus d'une connexion à la terre requise pour l'assemblage, ce qui affecte les émissions électriques et les performances de sensibilité (abordées plus loin).

Les alimentations à cadre ouvert et à profilé en U intègrent un fusible ; pour les équipements médicaux, deux fusibles sont nécessaires.

Les fusibles sont généralement installés de manière permanente dans l'alimentation et ne sont pas destinés à être remplacés sur le terrain, car la seule raison pour laquelle un fusible peut sauter (s'ouvrir) est une défaillance de l'alimentation, qui doit être réparée ou remplacée avant d'utiliser à nouveau le système. Il peut également y avoir d'autres exigences concernant les fusibles à l'échelle du système afin de se protéger contre les problèmes liés aux connexions et aux câbles d'interconnexion, ainsi qu'à d'autres circuits qui ne sont pas liés à l'alimentation.

Gestion thermique et détarage : La chaleur est un problème bien connu dans tous les systèmes électroniques, car elle est la cause principale de la fatigue des composants et des défaillances induites par les contraintes, y compris les ruptures dues aux cycles thermiques. Indépendamment de la tension et du courant nominaux spécifiques de l'alimentation, les concepteurs sont principalement concernés par la puissance totale en watts que l'alimentation fournit.

Les fournisseurs conçoivent souvent une gamme d'alimentations pour une puissance nominale délivrée maximum spécifique, puis définissent les paires de tension et courant en conséquence. Par exemple, toutes les unités de la série LCE80 de XP Power ont une puissance nominale de 80 W, avec l'unité à la tension la plus basse, LCE80PS05, délivrant 5 volts (V) à 12 A, tandis que l'unité à la tension la plus élevée, LCE80PS54, fournit 54 V à 1,48 A. Huit autres options de sortie CC de 12 V, 15 V, 20 V, 24 V, 30 V, 36 V, 42 V et 48 V sont disponibles.

Les alimentations fonctionnent sur une plage de tensions d'entrée de 90 VCA à 305 VCA, avec une puissance à pleine charge disponible même à une faible tension de 90 V. Le rendement est très proche de 90 %, ce qui signifie que l'alimentation ne dissipe que 8 W, les 72 W restants étant disponibles pour les besoins du système. Tous les membres de la gamme d'alimentations mesurent 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. La plage de températures de fonctionnement s'étend de -40°C à +70°C, avec une pleine puissance disponible de -30°C (-40°C à ligne CA élevée) à +50°C. Le temps moyen entre pannes (MTBF) calculé est de 300 kiloheures, conformément à MIL-HDBK-217F.

Toutes les unités de la série sont conformes aux nombreuses normes réglementaires pertinentes, y compris (mais sans s'y limiter) EN55032 classe B pour les émissions conduites et rayonnées ; EN55035, EN61547 et EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 pour l'immunité CEM ; EN61000-3-2 pour les courants harmoniques de classe C pour une charge de 50 W et plus. Les homologations de sécurité incluent CB CEI62368-1 (ITE), CEI60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), EN61347 (éclairage) et UL8750 (éclairage).

Le rendement de toute alimentation est crucial car il détermine la manière dont la chaleur générée est gérée. Les alimentations à cadre ouvert peuvent être refroidies par convection passive, par air forcé actif (ventilateur) ou par une combinaison des deux. De nombreux concepteurs préfèrent choisir des alimentations qui sont spécifiées pour fonctionner selon leurs caractéristiques nominales en utilisant uniquement le refroidissement à air passif et sans utiliser de ventilateur, pour une longue liste de raisons, notamment :

• Il permet d'économiser le coût direct de la nomenclature et de réduire le temps d'assemblage du produit.
• Il élimine une source potentielle de défaillance — le ventilateur — qui aurait pour effet de provoquer une surchauffe et de réduire considérablement la durée de vie de l'alimentation.
• Il permet d'éviter les problèmes liés à la gestion de la vitesse et du fonctionnement des ventilateurs, reposant généralement sur la détection de la température ambiante.
• Il est évidemment plus silencieux, un facteur important dans de nombreux cas.
• Il évite que l'utilisateur final ne provoque involontairement des problèmes de surchauffe en bloquant l'entrée ou la sortie du ventilateur.

En bref, l'élimination du recours à un ventilateur améliore considérablement la fiabilité du système global, simplifie la conception mécanique et réduit les coûts. L'élimination du ventilateur contraint les concepteurs à étudier la fiche technique de l'alimentation pour voir si un air forcé est nécessaire pour répondre aux spécifications indiquées ou si la convection passive seule suffit.

Cet examen inclut la vérification de la température maximum à laquelle le fournisseur garantit des performances conformes à toutes les spécifications, et de la courbe de détarage qui définit de combien la puissance de sortie diminue au-delà d'un seuil de température. Une alimentation bien conçue maintiendra la puissance nominale à une température ambiante de 50°C et à une entrée de 90 VCA. En revanche, certains produits font la promotion d'une puissance nominale « importante », mais constatent une baisse rapide jusqu'à 20 % à ligne CA basse, et réduisent la puissance disponible à partir de températures ambiantes de seulement 40°C. Pour la série LCE80, les performances intégrales sont garanties jusqu'à 50°C, avec un détarage linéaire de 50 % jusqu'à une température maximum de 70°C (Figure 4).

Figure 4 : Cette courbe de détarage pour la série LCE80 montre que ces alimentations maintiennent leur puissance nominale de 80 W jusqu'à 50°C, puis diminuent de 50 % à 40 W à une température de fonctionnement maximum de 70°C. (Source de l'image : XP Power)

La position de montage, l'orientation, l'espace environnant disponible, la charge appliquée et les composants environnants, ainsi que tout refroidissement par air éventuel, sont propres à chaque application. Il est important de modéliser et de mesurer la température au niveau de l'alimentation à cadre ouvert, et non ailleurs dans le boîtier du système, car il peut y avoir des variations importantes et très localisées.

Un facteur essentiel pour déterminer la durée de service estimée d'une alimentation est une courbe de durée de vie basée sur la température des condensateurs électrolytiques clés, qui sont les seuls composants avec un mécanisme d'usure. Tous les calculs de durée de vie des condensateurs électrolytiques sont basés sur l'équation d'Arrhenius, selon laquelle la vitesse de réaction double — et donc la durée de vie est réduite de moitié — pour chaque augmentation de température de dix degrés Celsius (Figure 5). Une bonne indication de la durée de service peut être déterminée par la mesure de la température du boîtier du composant et par l'application de l'équation d'Arrhenius à la température spécifiée et à la durée de vie théorique.

Figure 5 : Les courbes de détarage thermique de deux condensateurs électrolytiques typiques montrent une réduction de moitié de leur durée de vie pour chaque augmentation de 10°C de la température, selon l'équation d'Arrhenius (à droite). (Source de l'image : XP Power)

Problèmes de compatibilité électromagnétique : Les alimentations à cadre ouvert requièrent typiquement deux, voire trois points de montage à connecter à la terre pour répondre aux normes. Dans un système de classe I, l'une de ces connexions est requise pour la mise à la terre de sécurité et se trouve du côté entrée de l'assemblage. Cette connexion permet également de connecter les condensateurs de filtrage de mode commun ligne-terre et neutre-terre, également appelés condensateurs Y (Figure 6).

Figure 6 : Les condensateurs Y fonctionnent comme un filtre de mode commun et sont utilisés du côté entrée de l'alimentation, connectant la ligne et le neutre à la terre. (Source de l'image : www.blogranya.blogspot.com)

Ces condensateurs fonctionnent avec les inductances de mode commun dans l'alimentation pour atténuer le bruit associé aux changements rapides de tension dans l'étage de puissance de l'alimentation. Ces condensateurs de mode commun de sortie sont essentiels pour les performances CEM de l'alimentation et ils doivent être connectés pour des performances CEM optimales.

Il est nécessaire de connecter ces points entre eux pour garantir la conformité CEM avec les alimentations à cadre ouvert. Les points qui nécessitent une connexion à la terre ou entre eux sont généralement identifiés dans la fiche technique de l'alimentation, et la meilleure façon de connecter ces points est de monter l'alimentation sur une plaque métallique mise à la terre (Figure 7).

Figure 7 : Les orifices de montage marqués sur le dessin avec le symbole de mise à la terre doivent être connectés à la terre de sécurité dans les applications de classe I, ou connectés entre eux dans les applications de classe II. (Source de l'image : XP Power)

Cette plaque n'a pas besoin d'être connectée à quoi que ce soit d'autre, car sa fonction est de fournir un chemin basse impédance avec de faibles éléments parasites pour les connexions du condensateur de filtrage à la terre. Les orifices de montage marqués avec le symbole de mise à la terre doivent être connectés à la terre de sécurité dans les applications de classe I, ou connectés entre eux dans les applications de classe II.

En règle générale, tous les câbles d'entrée et de sortie de l'alimentation doivent être séparés et ne pas se trouver à proximité immédiate de l'assemblage ouvert. Cela minimise les problèmes potentiels où le rayonnement électromagnétique généré dans l'alimentation induit des émissions conduites et rayonnées dans l'équipement final.

Conclusion

Les concepteurs peuvent raccourcir et améliorer leur processus d'intégration en ciblant une seule gamme d'alimentations à cadre ouvert avec différentes valeurs de tension/courant, tout en gardant tous les autres facteurs inchangés. Cela simplifie le montage, la mise à la terre, l'analyse thermique et CEM, les considérations de détarage, les calculs de performances, les connexions physiques et le câblage.