Simplifier la conception d'alimentations à l'aide d'un tableau d'alimentations à découpage (SMPS) facile à utiliser

Les concepteurs de produits ou de dispositifs électroniques auront inévitablement besoin d'une alimentation adaptée. Avec des dispositifs d'alimentation s'étendant de quelques dizaines de watts à plusieurs kilowatts, trouver les composants appropriés peut s'avérer difficile. Avec des milliers d'options, dont des redresseurs, des contrôleurs de puissance, des commutateurs et des circuits d'attaque de grille, le problème peut ralentir le processus de conception, augmenter les coûts et compromettre les délais.

Pour simplifier les choses, il est possible de se tourner vers la gamme de dispositifs d'alimentation intelligents d'un fournisseur de confiance et d'utiliser ses outils en ligne pour faire des choix optimaux. Par exemple, un tableau pour des composants d'alimentation à découpage (SMPS) organisés par application, topologie, périphériques et caractéristiques critiques peut accélérer le processus de sélection et de conception.

Cet article décrit brièvement la conception des alimentations à découpage. Il présente ensuite un tableau de composants SMPS d'onsemi qui associe les ponts redresseurs, les contrôleurs, les circuits d'attaque de grille et les commutateurs de puissance compatibles avec chaque niveau de puissance de l'application. Il explique les définitions des produits critiques et fournit des exemples sur la manière d'utiliser le tableau pour simplifier la sélection des composants.

Conception d'une alimentation à découpage

Considérons les éléments clés d'une alimentation à découpage de base alimentée par une ligne CA, destinée à une application USB Power Delivery (PD) avec un niveau de puissance de 100 W (Figure 1). Le côté ligne ou primaire de l'alimentation nécessite généralement un redresseur, un contrôleur de correction du facteur de puissance (PFC), un contrôleur de puissance, un photocoupleur, des circuits d'attaque de grille et des commutateurs de puissance. Le côté secondaire requiert généralement un contrôleur de redressement synchrone (SRC), des commutateurs de redressement synchrone (SR), un contrôleur USB PD et un photocoupleur.

Figure 1 : Principaux composants d'une alimentation à découpage typique de 100 W. (Source de l'image : onsemi, modifiée par l'auteur)

Les composants de cette conception correspondent au niveau de puissance. Les concepteurs doivent choisir les topologies côté primaire pour le contrôle PFC et le contrôle de puissance, ainsi que les topologies de redresseur et de régulateur côté secondaire. Sur la base de ces décisions, ils peuvent ensuite sélectionner les composants individuels.

C'est là que le tableau SMPS d'onsemi aide à sélectionner les composants de l'alimentation (Figure 2).

Figure 2 : Tableau SMPS interactif. Il aide les concepteurs à sélectionner les composants actifs en fonction de la classe de puissance des alimentations et des topologies préférées. (Source de l'image : onsemi)

Le tableau SMPS base les choix de conception sur le niveau de puissance et la densité, qui apparaissent dans les deux premières colonnes à gauche. Les niveaux de puissance les plus élevés se trouvent en haut et diminuent progressivement vers la rangée inférieure. Des niveaux de puissance de 5 W à plus de 3 kW sont inclus. La densité de puissance étant une mesure de la puissance par unité de volume, une densité de puissance ultra-élevée produit une alimentation plus petite qu'un boîtier haute densité. Une alternative à ces deux choix de boîtier est un boîtier extra-plat. Le tableau définit le niveau de tension de l'alimentation en fonction du niveau de puissance.

Chaque entrée de niveau de puissance dans le tableau comporte une à trois rangées de composants recommandés correspondant aux choix de densité de puissance, fournissant des composants sélectionnés pour les topologies côté primaire et secondaire. Les entrées marquées N/A indiquent que l'entrée ne s'applique pas à ce niveau de puissance et à cette densité spécifiques.

La colonne de redresseur répertorie les composants de ponts redresseurs suggérés pour le niveau de puissance correspondant. Dans certains cas, l'entrée est sans pont. C'est le cas lorsqu'un pont redresseur n'est pas nécessaire parce qu'un autre composant, tel qu'un PFC totem-pôle, a supplanté sa fonction. Les entrées « branche rapide » et « branche lente » dans les champs PFC identifient rapidement les PFC totem-pôle. Ces PFC ont des commutateurs à branche lente qui fonctionnent à la fréquence de ligne, tandis que les commutateurs à branche rapide fonctionnent à une fréquence de commutation plus élevée, plus typique.

Le tableau suggère une topologie primaire basée sur le niveau de puissance souhaité. Il recommande des dispositifs de contrôle avec l'une des quatre topologies courantes : flyback (alimentation à découpage), flyback à écrêtage actif (ACF), flyback quasi-résonante (QR) ou inductance-inductance-condensateur (LLC).

Le convertisseur flyback est une topologie d'alimentation isolée sans connexion électrique directe entre les côtés primaire et secondaire. Lorsque le dispositif de commutation de puissance se désactive, l'inductance couplée transfère l'énergie du primaire au secondaire. Le contrôle de la tension du convertisseur est maintenu à l'aide d'une commutation par modulation de largeur d'impulsion (PWM) à une fréquence fixe.

La conception ACF utilise le concept flyback d'inductance couplée pour transférer l'énergie du primaire au secondaire. Elle utilise en outre un dispositif actif pour décharger ou bloquer l'inductance de fuite de l'inductance couplée vers un condensateur afin de minimiser la contrainte sur le commutateur de puissance MOSFET.

La topologie flyback QR utilise l'inductance et la capacité parasites du circuit pour obtenir une réponse quasi-résonante et activer le commutateur de puissance à un minimum de la tension de drain. Cette « commutation douce » réduit les pertes de commutation du convertisseur. La fréquence de commutation résultante n'est pas fixe et varie en fonction de la charge.

Le convertisseur LLC utilise une réponse entièrement résonante pour garantir une véritable commutation de tension de drain nulle. Il réduit les pertes de commutation même en conditions à vide et est parfaitement adapté aux niveaux de puissance plus élevés.

Les contrôleurs recommandés sont regroupés autour de plages de puissance spécifiques, utilisant l'alimentation à découpage pour les niveaux de puissance les plus bas, QR et ACF pour les alimentations de milieu de gamme et les convertisseurs LLC pour les niveaux de puissance plus élevés.

Le tableau inclut des schémas fonctionnels SMPS détaillés, illustrant les connexions entre les composants pour onze conceptions spécifiques, couvrant cinq niveaux de puissance et densités différents disponibles dans des onglets étiquetés (Figure 3).

Figure 3 : Le tableau inclut des schémas fonctionnels SMPS détaillés pour onze conceptions spécifiques, couvrant cinq niveaux de puissance et densités différents disponibles dans des onglets étiquetés. (Source de l'image : onsemi)

Une fois le niveau de puissance et la densité sélectionnés, les composants peuvent être choisis parmi les lignes de niveau de puissance appropriées et les colonnes spécifiques à la topologie du tableau. Cliquer sur le numéro de référence des composants avec hyperlien permet d'ouvrir une vue développée du tableau où les numéros de référence en surbrillance sont associés aux numéros de pièces DigiKey (Figure 4).

Figure 4 : Cliquer sur un numéro de référence avec hyperlien dans le tableau d'origine ouvre un tableau secondaire étendu avec des liens vers les entrées de pièces DigiKey. (Source de l'image : onsemi)

Tous les composants répertoriés dans la ligne et la topologie sélectionnées sont compatibles.

Utilisation du tableau

Un excellent exemple de niveau de puissance moyen à des fins d'illustration est une alimentation à découpage de 100 W pour USB PD, similaire à l'unité précédemment illustrée dans le schéma fonctionnel de la Figure 1. En regardant le tableau , la rangée de niveaux de puissance de 70 W à 200 W couvre l'alimentation requise de 100 W. La sélection du niveau élevé dans la colonne de densité de puissance fait apparaître le tableau développé avec des liens vers les composants nécessaires (Figure 5).

Figure 5 : Les zones en vert indiquent les sélections de composants pour une alimentation à découpage haute densité de 100 W dans le tableau développé. Les numéros de référence en bleu sont associés à une page de filtre de produit DigiKey. (Source de l'image : onsemi)

Les réglementations internationales, en particulier dans l'Union européenne, exigent l'utilisation de PFC à des niveaux de puissance de 75 W ou plus. Le contrôleur PFC recommandé ici est le NCP1623 d'onsemi. Le NCP1623 est un contrôleur PFC élévateur à facteur de forme compact prenant en charge jusqu'à 300 W pour les adaptateurs d'alimentation à charge rapide et les alimentations d'ordinateurs modulaires où la rentabilité, la fiabilité, le facteur de puissance élevé et le rendement constituent des exigences essentielles. Il requiert un pont redresseur externe, et le GBU6M ou le GBU6K d'onsemi sont recommandés. Le commutateur de puissance PFC compatible est le NTP125N60S5H d'onsemi , un MOSFET rapide répertorié à une tension drain-source (V_DSS) maximum de 600 V, un courant de drain (I_D) maximum de 22 A et une résistance drain-source (R_DS(ON)) de 125 mΩ.

Le contrôleur côté primaire recommandé est le contrôleur flyback QR haute fréquence NCP1343 d'onsemi. Ce contrôleur est idéal pour les adaptateurs CA/CC et les alimentations à cadre ouvert car il intègre tous les composants requis dans les conceptions SMPS modernes. Il est associé au commutateur de puissance NVD260N65S3 répertorié à une tension V_DSS de 650 V, un courant I_D de 12 A et une résistance R_DS(ON) de 260 mΩ.

Le NPC4307 d'onsemi est un circuit d'attaque de redressement synchrone sur le côté secondaire de l'alimentation. Il garantit un redressement synchrone efficace lorsqu'il est utilisé avec le commutateur MOSFET NTMFSC010N08M7 d'onsemi répertorié à une tension V_DSS de 80 V, un courant I_D de 61 A et une résistance R_DS(ON) de 10 mΩ.

La dernière étape majeure de la conception consiste à sélectionner le contrôleur USB PD capable de gérer le photocoupleur du côté secondaire d'un adaptateur CA/CC ou d'un régulateur de puissance de port CC/CC. Le tableau suggère le contrôleur de protocole PD3.0 FUSB15101 d'onsemi (avec prise en charge de l'alimentation programmable (PPS) USB) à la sortie de l'alimentation avec un MOSFET à canal N NTTFS4C02NTAG d'onsemi répertorié à une tension V_DSS de 30 V et un courant I_D de 164 A. Sa résistance R_DS(ON) est de 2,25 mΩ à 10 V et de 3,1 mΩ à 4,5 V.

L'alimentation résultante, disponible en tant que carte d'évaluation NCP1343PD100WGEVB d'onsemi (Figure 6) a une plage de tensions de sortie de 3,1 V à 21 V. Son rendement moyen est de 92 % à des entrées de 115 V ou 230 V_CA. Elle s'intègre dans un boîtier mesurant 60 mm x 60 mm x 19 mm et a une densité de puissance de 24 W/po³.

Figure 6 : Vues supérieure (à gauche) et inférieure (à droite) de la conception d'alimentation de référence USB PD 100 W basée sur les composants sélectionnés à l'aide du tableau SMPS. (Source de l'image : onsemi)

Conclusion

Le tableau SMPS d'onsemi fournit un moyen aisé de sélectionner des composants d'alimentation, garantissant que la sélection des composants critiques compatibles correspond au niveau de puissance de la conception. Il réduit le temps nécessaire à la recherche de pièces et fournit des liens instantanés vers des fiches techniques et des devis.