Alimentation à découpage : Flyback

Les alimentation à découpage Flyback sont très utilisées pour des faibles puissances. Le transformateur utilisé dans les alimentations Flyback stocke de l'énergie au primaire puis la restitue au secondaire, et ainsi de suite. Dans le principe, c'est aussi simple que cela.

Le principe de l'alimentation Flyback repose sur le transfert d'énergie du primaire vers le secondaire par l'intermédiaire d'un transfo. Ce transfo permet l'isolation électrique contrairement au montage Buck (inductance simple).

Alimentation à découpage Flyback : principe

Ce montage est le plus classique des alimentations à découpage, autant d'un point de vue scolaire et pédagogique que d'un point de vue industriel. Ces alimentations à découpage sont peu coûteuses et très commodes pour de faibles puissances, inférieures à 100W typiquement.

Principe de fonctionnement du Flyback

La tension aux bornes des 2 enroulements (N1 et N2 spires) sont toujours proportionnelles.

Schéma de l'alimentation Flyback : notations utilisées ci dessous

Voici maintenant les 3 étapes du mode discontinu (on commence par décrire ce mode parce qu'il est plus intuitif à comprendre).

1. Etat de repos du Flyback

Le transistor interrupteur K est ouvert dans la situation de "repos". Aucun courant ne circule. La tension de sortie vaut déjà Vs parce qu'on la suppose constante. Le condensateur C a une très grande valeur pour le raisonnement (tension aux bornes de C supposée constante).

La tension drain source Vds aux bornes de K vaut donc simplement E. La tension aux bornes du primaire est nulle. De même pour la tension secondaire V2.

2. Magnétisation du transfo (stockage d'énergie dans le transfo)

K est maintenant fermé (pendant une durée notée T): la tension aux bornes du primaire L1 vaut E. Avec la relation :

E = L.di1/dt

di1/dt = E/L

On en déduit par intégration :

i1 = t.E/L

La constante d'intégration est nulle puisque le courant initial est nul (mode discontinu).

Le courant dans le primaire grandit linéairement dans le temps (allure de rampe). Le transfo se charge en énergie magnétique.

Lorsque K est sur le point de s'ouvrir (à t=T), le courant i1 est à sa valeur maximale, notée i1m.

i1m = T.E/L

Le courant qui traverse la charge de sortie RL vient de la réserve d'énergie (condensateur). Cela forme un circuit indépendant.

L'énergie stockée dans le transfo vaut alors :

W = 1/2.L1.i1m² = 1/2.L1.(T.E/L1)² = 1/2.L1.(T.E)²

Pendant la phase où K est fermée, la tension secondaire V2 vaut -E.N2/N1 : la diode D est donc bloquée. Cette tension est proportionnelle à E et peut fournir un signal analogique proportionnel à la tension E d'entrée (présence du secteur, sous-tension ou surtension).

3. Démagnétisation du transfo (restitution de l'énergie vers le secondaire)

Le courant i1 qui "descendait" dans le primaire (du point vers l'autre extrémité) a "envie" de continuer à descendre mais K est ouvert ! i1 devient donc nul brutalement ! Mais si un autre enroulement du transfo peut être traversé par un courant qui va du point vers l'autre extrémité, la continuité est assurée. C'est là que le secondaire intervient.

On peut dire que la continuité du flux crée l'apparition du courant secondaire de même sens. Il se forme une tension qui rend la diode D passante. Cette tension s'ajuste spontanément pour permettre le courant secondaire : elle prend la valeur Vs si on néglige la tension de seuil de D. Le courant secondaire sert à la fois à recharger C et à aller dans la charge RL ("load").

Distribution du courant secondaire lors de la démagnétisation

Lorsque K vient de s'ouvrir, l'énergie magnétique vaut toujours W par continuité du flux.

W = 1/2.L1.i1m² = 1/2.L2.i2m²

Or L1 = L2.(N1/N2)²

Il vient donc :

i2m = i1m.N1/N2

Le courant i2 décroît linéairement puis s'annule. Le transfo se démagnétise.

Schéma de l'alimentation et courant dans le secondaire durant la démagnétisation

Signaux utiles pour une alimentation Flyback en mode discontinu

L'énergie dans le transformateur varie de la façon suivante :

Energie dans le transfo du Flyback : 2 branches de paraboles

Le flux magnétique dans le transfo est toujours de même signe. Pour une carcasse magnétique donnée, cela restreint la puissance de l'alimentation. Une alternance de signe permet une meilleure exploitation d'un transformateur.

Avantages de l'alimentation Flyback

- fonctionnement en abaisseur ou élévateur- simplicité de commande (1 seul transistor)- tension de sortie ajustable par régulation pour un même transfo- facteur de puissance élevé grâce au mode PFC (voir plus bas)

Remarques sur l'alimentation Flyback

On peut noter les points suivants :

Isolation assurée par le transformateur

Une alimentation Flyback ressemble à une alimentation Boost mais le transfo garantit l'isolation électrique. En termes de normes électriques, le transfo doit garantir une isolation renforcée si la sortie n'est pas reliée à une terre de protection (chargeurs de portables, d'ordinateurs, adaptateurs, etc) ou une isolation principale si la sortie est reliée à une terre de protection.

Comparaison naïve : seau d'eau

Le montage Flyback utilise un transfert d'énergie indirect : accumulation d'énergie magnétique dans le transfo, puis restitution de cette énergie au secondaire.

Le seau représente le transfo, l'eau représente l'énergie magnétique

Le transformateur joue le rôle d'un seau d'eau qu'on remplit d'un côté puis qu'on vide de l'autre. Ce n'est pas un tuyau d'eau qui transfère directement l'eau d'un côté à l'autre.

Tension de sortie

La tension de sortie ne dépend que de la boucle de régulation, mais cette boucle de régulationest indispensable dans un Flyback.

La tension de sortie ne dépend ni du rapport des nombres de spires, ni de la tension d'entrée, ni de la charge. Avec des régulateurs comme les TNY264 ou TNY266 Tinyswitch, on constate que les nombres de spires peuvent être choisis avec une incertitude artistique ! En réalité, le nombre de spires permet d'optimiser les dimensionnements des composants (transistor au primaire, diode au secondaire, condensateurs) et les pertes dans ces composants.

Flyback amélioré "TM" et "PFC"

Pour transférer une plus grande puissance, il faut rendre fréquents ces transferts d'énergie. Le temps mort du mode discontinu n'est pas intéressant puisque c'est du temps perdu où aucune énergie n'est transférée. Certains régulateurs de découpage modernes Flyback utilisent le mode transition qui consiste à reprendre un cycle de magnétisation juste à la fin de la démagnétisation précédente. En mode transition, il n'y a donc plus de temps mort. Ces régulateurs ont besoin de se synchroniser sur la fin de démagnétisation pour lancer une nouvelle commande sur le transistor. La fréquence de découpage ne peut donc pas être fixée d'avance : elle dépend de la charge et de la tension d'entrée. Le mode transition est abrégé "TM" (Transition Mode).

De plus, le montage Flyback peut s'adapter à une tension secteur redressée mais non filtrée. Cela permet, en ajustant le courant en fonction de la tension d'entrée, de réaliser un excellent facteur de puissance (Power Factor Correction) qui dépasse 0.9. Le régulateur a alors besoin de recevoir une tension image de la tension d'entrée. Ces montages PFC fonctionnent sans le gros condensateur chimique 400V après le redressement du secteur. Ils acceptent souvent des plages de tension d'entrée très étendues (85 - 264V, 110 - 400V et même jusqu'à 57 - 580V chez Power Integration, DI 124).

Le montage Flyback classique se modernise en Flyback TM PFC, plus économique et plus respectueux de l'environnement électrique.

Exemple de plaquette de démonstration de chez STMicro

Il s'agit une d'alimentation Flyback en mode transition et correction du facteur de puissance.