Utiliser des circuits de commutation avancés pour implémenter des alimentations CA/CC basse consommation, efficaces et riches en fonctionnalités

Les alimentations CA/CC basse consommation d'environ 10 W ou moins sont largement utilisées dans les gradateurs domestiques, les commutateurs, les capteurs, les appareils électroménagers, l'Internet des objets (IoT) et les contrôles industriels. Leur rapport cyclique est relativement faible, leur charge étant en mode veille pendant de longues périodes, mais l'alimentation doit « se réveiller » rapidement lorsque le dispositif est activé.

Concevoir de telles alimentations est conceptuellement simple : commencez par quelques diodes pour le redressement de ligne, ajoutez un circuit intégré de contrôleur, placez des condensateurs de filtrage en sortie, insérez un transformateur si un isolement est nécessaire, et le tour est joué. Cependant, malgré l'apparente simplicité, la réalisation de ces alimentations diffère considérablement.

Elles doivent remplir la fonction de base consistant à fournir un rail de sortie CC stable et à répondre à de multiples exigences réglementaires strictes en matière de sécurité de l'utilisateur, de rendement sous charge et de rendement en veille. En outre, les concepteurs doivent tenir compte des problèmes de disposition physique, de composants de support, de fiabilité, d'évaluation des performances, de certification et de conditionnement, car ils doivent également minimiser l'empreinte et les coûts tout en respectant des cycles de mise sur le marché courts.

Cet article présente une gamme de circuits intégrés de contrôleurs à découpage autonomes hautement intégrés de Power Integrations et montre comment elle peut être utilisée pour relever ces défis.

Circuit intégré de contrôleur et MOSFET intégré

La gamme de huit circuits intégrés de contrôleurs à découpage autonomes distincts LinkSwitch-TNZ de Power Integrations combine un commutateur MOSFET de puissance de 725 V avec un contrôleur d'alimentation dans un seul dispositif fourni dans un boîtier SO-8C. Chaque circuit intégré monolithique offre une excellente tenue aux pointes d'énergie, un oscillateur, une source de courant commuté haute tension pour la polarisation automatique, une gigue de fréquence, une limite de courant (cycle par cycle) rapide, un blocage thermique hystérétique et un circuit de protection contre les surtensions d'entrée et de sortie.

Les dispositifs peuvent constituer le cœur d'un dispositif non isolé, tel que la conception du convertisseur abaisseur (Figure 1) utilisant le LNK3306D-TL avec un courant de sortie de 225 mA ou 360 mA, selon le mode de conduction sélectionné. Ils peuvent également être configurés comme des alimentations non isolées de type abaisseur-élévateur, délivrant jusqu'à 575 mA de courant de sortie.

Figure 1 : Cette conception typique de convertisseur abaisseur non isolé utilisant un membre de la famille LinkSwitch ne constitue que l'une des nombreuses topologies possibles pouvant être mises en œuvre à l'aide de ces dispositifs. (Source de l'image : Power Integrations)

Bien que les charges à double isolement ou autrement protégées contre les défauts de câblage de ligne CA n'aient pas besoin d'isolation galvanique, certains dispositifs l'exigent. L'utilisation de dispositifs LinkSwitch-TNZ dans une conception indirecte (flyback) isolée à entrée universelle est un meilleur choix dans une telle situation. Les dispositifs offrent jusqu'à 12 W de puissance de sortie dans cette topologie.

Les circuits intégrés de la gamme LinkSwitch-TNZ offrent différents courants de sortie et capacités de puissance, selon la topologie (Tableau 1).

Tableau 1 : La gamme LinkSwitch-TNZ prend en charge plusieurs configurations, topologies et modes de fonctionnement. Chaque configuration offre une limite de puissance ou un courant de sortie maximum différent. (Source de l'image : Power Integrations)

Du concept à l'implémentation

La haute intégration et la flexibilité de la gamme LinkSwitch-TNZ simplifient la tâche du concepteur. Les nombreux défis liés au développement d'une conception d'alimentation certifiée et commercialisable incluent notamment les suivants :

1. Exigences imposées strictes liées au rendement et à la sécurité. Ces exigences sont d'autant plus difficiles à satisfaire qu'il est nécessaire de fournir une alimentation en mode veille tout en respectant les réglementations strictes en matière rendement énergétique en veille. Les circuits intégrés LinkSwitch-TNZ offrent les meilleurs rendements à faibles charges de leur catégorie, permettant d'alimenter davantage de fonctionnalités système tout en respectant les réglementations de veille, notamment :
   • La norme de la Commission européenne (CE) pour les appareils électroménagers (1275), qui exige que les équipements ne consomment pas plus de 0,5 W en mode veille ou à l'arrêt
   • Energy Star version 1.1 pour les systèmes de gestion de l'énergie de maison intelligente (Smart Home Energy Management Systems, SHEMS), qui limite la consommation en veille des dispositifs de contrôle d'éclairage intelligents à 0,5 W
   • La norme chinoise GB24849, qui limite la consommation d'énergie en mode arrêt des fours à micro-ondes à 0,5 W

Tout en répondant à ces exigences, les circuits intégrés LinkSwitch-TNZ réduisent également le nombre de composants de 40 % ou plus par rapport aux conceptions discrètes. Ces circuits intégrés d'alimentation à découpage se caractérisent par une régulation de ±3 % sur la ligne et la charge, par une consommation d'énergie à vide inférieure à 30 mW avec polarisation externe et par un courant de veille de circuit intégré inférieur à 100 µA.

2. Prise en charge en toute sécurité des connexions de ligne CA à deux fils sans fil neutre et des connexions à trois fils. De nombreuses charges, telles que les gradateurs, les commutateurs et les capteurs, ne disposent pas de ce troisième fil, ce qui constitue un risque de courant de fuite excessif et potentiellement dangereux. La norme définit le courant de fuite maximum dans diverses circonstances, et le courant de fuite du LinkSwitch-TNZ, en dessous de 150 µA dans les conceptions à deux fils sans neutre, est inférieur à ce maximum.
3. Ne pas dépasser les limites d'émissions d'interférences électromagnétiques (EMI). Pour atteindre cet objectif, l'oscillateur LinkSwitch-TNZ utilise une technique d'étalement du spectre qui introduit une petite quantité de gigue de fréquence de 4 kHz autour de la fréquence de commutation nominale de 66 kHz (Figure 2). Le taux de modulation de la gigue de fréquence est défini sur 1 kHz afin d'optimiser la réduction des interférences électromagnétiques pour les émissions moyennes et quasi-crêtes.

Figure 2 : Pour maintenir les émissions EMI sous la limite réglementaire, l'oscillateur LinkSwitch-TNZ utilise une technique d'étalement du spectre avec un étalement de 4 kHz autour de la fréquence de commutation nominale de 66 kHz. (Source de l'image : Power Integrations)

4. Détection des passages par zéro de ligne CA avec une consommation d'énergie ou un nombre de composants supplémentaires minimum. Cette détection est nécessaire pour les commutateurs d'éclairage, les gradateurs, les capteurs et les prises, qui connectent et déconnectent périodiquement la ligne CA à l'aide d'un relais ou d'un triac.

Le signal de passage par zéro est utilisé par les produits domotiques et immotiques (HBA) et les appareils électroménagers pour contrôler la commutation afin de minimiser les contraintes de commutation et le courant d'appel du système.

De même, les appareils électroménagers utilisent souvent un circuit de détection du passage par zéro discret pour contrôler la synchronisation du moteur et du microcontrôleur (MCU). Ces applications requièrent également une alimentation auxiliaire pour la connectivité sans fil, les circuits d'attaque de grille, les capteurs et les écrans.

Pour ce faire, un circuit discret est généralement mis en œuvre pour détecter le passage par zéro de ligne CA afin de contrôler la transition d'activation du dispositif d'alimentation primaire tout en réduisant les pertes de commutation et le courant d'appel. Cette approche nécessite de nombreux composants et entraîne de nombreuses pertes, consommant parfois près de la moitié du budget d'alimentation en veille.

À l'inverse, les circuits intégrés LinkSwitch-TNZ fournissent un signal précis indiquant que la ligne CA sinusoïdale est à zéro volt. La détection du point de passage par zéro du LinkSwitch-TNZ consomme moins de 5 mW, permettant ainsi aux systèmes de réduire les pertes d'énergie en veille par rapport aux approches alternatives qui nécessitent dix composants discrets ou plus et dissipent de 50 à 100 mW de puissance continue.

Condensateur X

Les filtres EMI de ligne incluent des condensateurs de classe X et de classe Y pour minimiser la génération EMI/RFI. Ils sont directement connectés à l'entrée d'alimentation CA au niveau de la ligne CA et du neutre CA (Figure 3).

Figure 3 : Le filtrage EMI requiert des condensateurs de filtrage de classe X et de classe Y sur la ligne CA, mais le condensateur de classe X doit être géré après la déconnexion de la ligne pour garantir la sécurité de l'utilisateur. (Source de l'image : www.topdiode.com)

Les mandats de sécurité exigent que le condensateur X dans les filtres CEM soit déchargé lorsque la ligne CA est déconnectée afin de garantir que la tension et l'énergie stockées ne restent pas sur le cordon d'alimentation pendant une période prolongée après la coupure. Le temps de décharge autorisé maximum est régi par des normes industrielles telles que CEI 60950 et CEI 60065.

L'approche traditionnelle pour garantir la décharge requise consiste à ajouter des résistances stabilisatrices en parallèle avec le condensateur X. Cependant, cette approche s'accompagne d'une perte de puissance. Une meilleure solution consiste à inclure une fonction de décharge du condensateur X avec une constante de temps réglable par l'utilisateur. Des circuits intégrés tels que le LNK3312D-TL adoptent cette approche. Cela se traduit par un espace carte réduit, une nomenclature (BOM) inférieure et une fiabilité accrue.

Les alimentations et les convertisseurs nécessitent de multiples fonctionnalités de protection. Tous les dispositifs de la gamme de circuits intégrés LinkSwitch-TNZ intègrent les fonctions suivantes :

• Démarrage progressif pour limiter les contraintes des composants système au démarrage
• Redémarrage automatique en cas de court-circuit ou de défaut en boucle ouverte
• Protection contre les surtensions de sortie
• Protection contre les surtensions d'entrée de ligne
• Protection contre la surchauffe hystérétique

Du circuit intégré à la conception complète

Un circuit intégré seul, aussi performant et riche en fonctionnalités soit-il, ne peut constituer un convertisseur CA/CC prêt à l'emploi complet, car de nombreux composants ne peuvent pas ou ne doivent pas être intégrés dans ce dispositif. Il s'agit notamment des condensateurs de filtrage, des condensateurs de dérivation, des inductances, des transformateurs et des composants de protection. Le besoin de composants externes est illustré dans l'alimentation à tension constante de 6 V, 80 mA, à entrée universelle non isolée avec un détecteur de passage par zéro basé sur un dispositif LNK3302D-TL (Figure 4).

Figure 4 : Composants externes requis pour une alimentation à tension constante de 6 V, 80 mA, à entrée universelle non isolée complète et sûre avec un détecteur de passage par zéro basé sur un circuit intégré LNK3302D-TL. (Source de l'image : Power Integrations)

Des dimensions minimum liées à la sécurité s'appliquent également pour des attributs tels que la fuite en surface et le dégagement. Le défi consiste alors à développer une conception complète. La gamme de circuits intégrés LinkSwitch-TNZ facilite la tâche. Par exemple, en utilisant une fréquence de commutation de 66 kHz, les composants magnétiques requis sont des articles standard disponibles dans le commerce auprès de plusieurs fournisseurs. De plus, Power Integrations fournit des conceptions de référence.

Pour ceux qui ont besoin d'une alimentation isolée, la conception de référence RDK-877 (Figure 5) est une alimentation flyback isolée de 6 W avec détection du passage par zéro basée sur le LNK3306D-TL.

Figure 5 : La conception de référence RDK-877 de 6 W fournit l'isolement dans une topologie flyback, et elle est basée sur le LNK3306D-TL. (Source de l'image : Power Integrations)

L'alimentation se caractérise par une plage d'entrée de 90 V_CA à 305 V_CA, une sortie de 12 V à 500 mA et une consommation d'énergie à vide inférieure à 30 mW sur toute la plage de ligne CA. Une puissance de plus de 350 mW est disponible en mode veille, tandis que le rendement en mode actif répond aux exigences DOE6 et CoC CE (v5) avec un rendement à pleine charge supérieur à 80 % à charges nominales. La conception répond également aux exigences EN550022 et CISPR-22 Classe B pour les EMI conduites.

Conclusion

La conception et l'implémentation d'une alimentation CA/CC basse consommation peuvent sembler triviales. Cependant, les contraintes pour satisfaire aux objectifs de performances et de rendement, au respect des mandats de sécurité et de réglementation, et aux exigences de coûts, d'encombrement et de délais de mise sur le marché représentent un véritable défi. Les circuits intégrés de commutation tels que ceux de la gamme LinkSwitch-TNZ de Power Integrations, combinant un contrôleur et un MOSFET, simplifient grandement la tâche. Ces circuits intégrés prennent en charge différents niveaux de puissance et peuvent être utilisés avec diverses topologies d'alimentation tout en intégrant des fonctionnalités essentielles telles que la détection du passage par zéro et la décharge de condensateur X.