Alimentation à découpage : réduction du bruit

Le bruit dans les alimentations à découpage est issu des commutations du ou des transistors de l’alimentation, mais aussi ses harmoniques et le placement des composants sur la carte électronique.

Différents points doivent être travaillés avec soin pour minimiser les émissions conduites (mesurées normativement de 150kHz à 30MHz) et les émissions rayonnées (30MHz – 1GHz) d’une alimentation à découpage.

Réduction de la vitesse de commutation du transistor

Dans une alimentation à découpage, les parasites sont issus des fortes variations de courant et de tension dans le temps. Pour les réduire, on peut donc diminuer la vitesse de commutation des transistors de puissance. Or les pertes dans un transistor sont dues à la conduction (Vce ou Vds n’est jamais tout à fait nul à l’état « on ») mais aussi aux commutations (passage d’un courant important alors que Vce ou Vds n’est pas nul). Diminuer la vitesse de commutation réduit donc les variations dV/dt et di/dt, mais fait augmenter les pertes de commutation. La valeur de résistance de grille résulte d’un compromis entre les émissions conduites et l’échauffement du transistor.

En pratique, on peut augmenter la résistance qui est souvent montée entre la commande de grille et la grille du MOS de puissance.

Résistance de grille et MOS d’une alimentation à découpage Flyback (montage typique)

En augmentant la valeur de la résistance, on « couche les fronts » et au delà d’une certaine valeur, la température (échauffement) du transistor se met à augmenter franchement.

Température d’un MOS dans une alimentation à découpage Flyback en fonction de la résistance de grille

Test d’émissions conduites (CEM) en fonction de la résistance de grille

Commutation douce

La montée en fréquence dans les alimentations à découpage entraîne une augmentation des pertes par commutation dans les interrupteurs. Ces pertes peuvent être délocalisées par l’adjonction de circuit d’aide à la commutation (CALC) sans modifier le principe de fonctionnement du convertisseur. Le seul but de ces circuits, souvent passifs, est de réduire la quantité d’énergie perdue lors d’une commutation. L’échauffement est ainsi réduit mais les problèmes de compatibilité électromagnétique ne sont pas sensiblement améliorés. Pour éviter les forts dV/dt ou di/dt, il faut que les hacheurs commutent lorsque la tension à leurs bornes est nulle ou lorsque le courant les traversant est nul. Il s’agit d’exploiter la résonance d’un circuit LC et de commuter lors du passage naturel de l’un ou l’autre par zéro. Cela réduit à la fois les pertes de commutation et les parasites émis.

Principes de la commutation douce d’une alimentation à découpage

Ces alimentations peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées (100kHz à quelques MHz aujourd’hui), et limitent les appels de courant dans les hacheurs, mais leur conception est sensible aux variations de charge et reste complexe, ce qui limite leurs usages. Le but est ici d’améliorer les alimentations déjà existantes.

Amélioration du couplage primaire – secondaire

Les alimentations à découpage doivent souvent avoir une sortie isolée du secteur, on fait donc appel à un transformateur. L’isolant primaire – secondaire est de première importance. En effet, même si cet isolement dépasse 10MOhm en continu, cette valeur décroît avec la fréquence, à cause de la capacité parasite entre ces enroulements dont la valeur peut atteindre plusieurs nanofarads (pour les transformateurs les plus grands). Les parasites de commutation au primaire sont ainsi transférés vers le secondaire et vice versa.

Section d’un transformateur d’alimentation à découpage

Dans le cas de bobinages montés l’un sur l’autre, les couches de spires du primaire en contact avec l’isolant primaire – secondaire (couche bleue sur la figure) doivent être reliées au potentiel fixe de l’alimentation (point froid), les autres étant connectées au potentiel haché (couche rouge). Cela réduit les parasites conduits vers la charge reliée au secondaire puisque l’isolant voit les spires primaires dont le potentiel ne varie pas. L’isolant jaune entre le primaire et le secondaire forme la capacité interbobinage (« interwinding capacitance« ).

Le primaire est souvent bobiné au plus près du noyau pour un meilleur couplage et minimiser l’inductance de fuite au primaire. On peut aussi placer le secondaire entre deux demi primaires pour un meilleur couplage primaire – secondaire.

Blindage écran au primaire d’un transfo à découpage (démonté)

Une spire écran supplémentaire peut être bobinée à partir d’un point froid de l’alimentation pour que son potentiel varie en opposition de phase avec le point chaud. Cela crée des transitoires de courant qui compensent les transitoires qui circulent dans la capacité interbobinage à cause du point chaud. C’est un enroulement d’annulation.

Enroulement d’annulation dans un transformateur Flyback

Placement des composants

Dans l’alimentation à découpage, la boucle de courant condensateur – primaire – hacheur est très critique. Sa longueur doit être minimisée.

Boucle à minimiser : forts dV/dt et di/dt.

Conclusion

Une alimentation à découpage peut être améliorée en émissions conduites et rayonnées au diminuant la vitesse de commutation et en adoptant une topologie à résonance (commutation douce). De plus, en pratique, la construction du transformateur doit être soignée et le sens du primaire est de première importance. Il faut aussi, lors du routage, minimiser la boucle de courant contenant le primaire du transformateur.

Toutes ces études portent sur l’origine des bruits et non sur leur filtrage.