29/09/2013 alim. c.c. À dÉcoupage 1 gpa667 conception et simulation de circuits Électroniques...
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29/09/2013ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE1
GPA667GPA667
CONCEPTION ET SIMULATION
DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES
ALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGEALIMENTATIONS C.C. COMMUTÉE OU À DÉCOUPAGE
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ALIM. À DÉCOUPAGEALIM. À DÉCOUPAGE
Circuit abaisseur de tension (« Buck converter »)
Circuit élévateur de tension (« Boost converter »)
Circuit inverseur de tension (« Inverter »)
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ALIM. À DÉCOUPAGEALIM. À DÉCOUPAGE
Théorie et calcul des composants pour le convertisseur abaisseur ou «Buck Converter» en mode continu et discontinu.
Principe de fonctionnement du convertisseur élévateur de tension ou «Boost Converter»
Théorie et calcul des composants pour le convertisseur inverseur ou «Inverter Converter»
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ALIM. À DÉCOUPAGEALIM. À DÉCOUPAGE
Transistor en commutation dissipe moins de puissance.
La diode doit être plus rapide que celle utilisée dans un redresseur classique.
Nécessite une bonne compréhension des phénomènes magnétiques et le calcul d’une inductance.
Peut présenter des problèmes d’instabilité surtout pour le convertisseur élévateur.
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ALIM. À DÉCOUPAGEALIM. À DÉCOUPAGE
Rendement plus élevé que les régulateurs linéaires.
Fréquence 25 kHz-50 kHz au lieu de 60 Hz donc réduction du poids.
Nécessite un circuit de commande et une inductance donc plus complexe.
Fonctionne mieux avec une charge minimale.
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CIRCUIT ABAISSEUR CIRCUIT ABAISSEUR
Diminue la tension Stable et fonctionne bien dans les modes
continu ou discontinu. Bon compromis pour obtenir un rendement
élevé lorsque le courant de sortie est élevé de même que la différence de tension entre l’entrée et la sortie.
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
CIRCUIT
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
FORMES D’ONDES
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
Rendement (excluant les pertes de commutation)
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
Influence de la fréquence (1/T)
Ton s’ajuste par rapport à T pour obtenir Vo. On serait tentés d’augmenter la fréquence ou réduire T pour avoir des pièces moins lourdes ou moins encombrantes.
On aura une limite sur la vitesse de commutation du transistor et de la diode. Les pertes auront tendance à augmenter rapidement lorsque l’on commute à haute vitesse. En pratique, les alimentations à découpages fonctionnent entre 25 kHz et 50 kHz
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCOMMUTATION
(CAS IDÉAL)
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURRendement incluant les pertes de
commutation (cas idéal)
P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =
Rendement (cas idéal)
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCOMMUTATION
(PIRE CAS)
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURRendement incluant les pertes de
commutation (pire cas)
CAS PIRE
Rendement (pire cas)
P(Ton) = P(Toff) = P(Ts) =
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
Inductance La pente de charge du courant est fixe parce qu’elle ne dépend que de (Vdc – Vo)
+I1
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURMode discontinu Lorsque Io diminue
jusqu’à (I2 – I1)/2, le courant dans l’inductance devient nul et on obtient le mode « discontinu »
Io nom = 5A et Iomin = 1 A
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURMode discontinu
Même si le mode discontinu n’est pas prohibé, nous assumerons un courant Io min = 0.1 x Ion (out nominal). Nous pourrons donc fixer une valeur pour L
Io nom = 5A et Iomin = 1 A
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCalcul de l’inductance L
dI est la variation de courant durant le temps de conduction Ton pour rester à la limite du mode discontinu avec une charge Io min.
Comme
alors
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURCalcul de l’inductance L Le courant dans L varie de ± 10% autour de la valeur
centrale. En supposant que la valeur de L demeure constante avec un courant I2 = 1.1 Io nom., la rampe sera linéaire. On doit donc concevoir l’inductance pour ne pas qu’elle sature même lorsque le courant C.C. qui y circule vaut 1.1 Io nom.
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURChoix du condensateur Co : Le condensateur Co est en fait constitué de Co, Ro et Lo en série. On peut négliger Lo pour la plage de fréquence qui nous intéresse. On doit minimiser Ro, la résistance équivalente en série ou « ESR ».
Habituellement, pour les condensateurs couramment disponibles, le produit Ro x Co = 50 à 80 x 10-6
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEURLa tension de ronflement à la sortie Vor (« ripple ») aux bornes de la charge est due à Co (Vcr) et à Ro (Vrr). Vr = Vcr + Vrr. La contribution de Vrr est habituellement beaucoup plus significative que celle de Vcr
Exemple pratique nous permet de le constater. Concevoir une alimentation à découpage de type abaisseur avec les spécifications suivantes :
Vdc = 20 V, Vo = 5V, Ion = 5A, f=25Khz et Io min. = 0.1 x Io nom. = 0.5 A.
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
Calcul de la crête positive de Vcr
Calcul de Co = 1300 uF en assumant un valeur moyenne de RoCo = 65 x 10 -6
Supposons un ronflement Vor = 0.05V dû principalement à Ro, i,e
Vor ≈ Vrr. = Ro x (I2 – I1) où (I2 – I1) = 1A et Ro = 0.05 Ω. En assumant que RoCo = 50 x 10 -6 alors C0 = 1000 uF
Vcr (crête-crête) = 2x Vcr = 0.01 V
Comme on peut le constater Vcr est environ 4 fois plus petit que Vrr
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CIRCUIT ABAISSEURCIRCUIT ABAISSEUR
Calcul du rendement η
Pour une telle alimentation, quel sera le rendement ?
Supposons Ts/T = 2% et le rendement sera 5/(5+1+2*20*0.02) ≈ 74 %
Avec un régulateur linéaire, on dissiperait environ (20-5)*5 = 75 W et on ne pourrait espérer un rendement excédant environ (5*5)/(5*5 + 75) = 25 %
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CIRCUIT ÉLÉVATEUR CIRCUIT ÉLÉVATEUR
Augmente la tension Possibilité d’oscillation si fonctionnement en
mode continu Utile pour produire des tensions C.C.
élevées à partir de piles (tensions basses) En remplaçant l’inductance L par un
transformateur avec plusieurs enroulement secondaires, on produit un circuit « Flyback » utilisé dans la plupart des alimentations à haute tension.
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CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUR
E = 0.5 L1 Ip2
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CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUR
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CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUR
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CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEUROn s’assure d’avoir un temps mort Tdt pour que l’énergie emmagasinée soit complètement transféré à la charge. Tdt = 0.2 T (empirique)
A chaque cycle, l’énergie moyenne dans l’inductance est nulle. Il n’y a pas de courant continu dans l’inductance.
On résout pour trouver Ton en fonction de Vo et de Vdc.
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CIRCUIT ÉLÉVATEURCIRCUIT ÉLÉVATEURCONCEPTION
Si la charge dépasse la valeur maximale permise (< Ro) ou que Vdc diminue, Ton augmentera au détriment de Tdt qui sera réduit. Pour éviter cette situation, on peut empêcher Ton d’augmenter en verrouillant la tension d’erreur Vea.
On calcule ensuite Ip pour choisir le bon transistor.
À partir de Ton, Vdc, Ro (pour un courant de charge maximum ) et k=0.8, on trouve L1 avec
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CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEUR
CIRCUIT
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CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEUR
FORMES D’ONDES
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CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEUR
Lorsque Q1 conduit, le courant augmente linéairement dans l’inductance Lo jusqu’à une valeur maximale Ip. Lorsque Q1 est bloqué, la polarité aux bornes de Lo s’inverse. Le courant dans D1 diminue linéairement en chargeant Co avec une polarité négative. Si le courant devient nul avant que le prochain cycle de conduction débute, la puissance transmise à la charge sera :
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29/09/2013ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE33
CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEUR
Sachant que
On obtient la relation
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CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEURCONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
On obtient la relation
Afin de s’assurer que toute l’énergie emmagasinée dans l’inductance Lo soit transmise à la charge, nous devons être dans le mode discontinu. Nous assumerons donc un temps mort « dead time, Tdt entre le temps de charge Ton et le temps de décharge Tr. Un temps Tdt = 0.2T est acceptable.
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29/09/2013ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE35
CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEURCONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
On obtient :
Quand toute l’énergie emmagasinée dans Lo est transférée à la charge Ro, on a :
Combiné avec l’équation
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CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEURCONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
On calcule ensuite Lo avec
En spécifiant les valeurs suivantes :
On calcule Ton avec
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29/09/2013ALIM. C.C. À DÉCOUPAGE37
CIRCUIT INVERSEURCIRCUIT INVERSEURCONCEPTION DU CONVERTISSEUR INVERSEUR
Le choix de T, du condensateur Co et du rendement η s’effectuent comme pour le convertisseur abaisseur