Bruit dans les alimentations à découpage

Les alimentations modernes des appareils électroniques sont, pour la plupart, à découpage. Pour réduire la taille du transformateur d'alimentation, on le fait fonctionner à haute fréquence. Mais cela présente aussi des inconvénients comme la génération de bruit à haute fréquence de façon conduite par les fils et rayonnée.

Les alimentations à découpage occupent une part de plus en plus importante dans le secteur des alimentations, en effet, elles permettent à la fois une réduction de poids et d’encombrement, et ceci avec un prix réduit. Cependant la conception est plus complexe et de nouveaux problèmes apparaissent : la commutation à haute fréquence cause des parasites dans l’environnement électromagnétique. Ces parasites peuvent être conduits ou rayonnés. L’enjeu est de les atténuer au maximum tout en préservant les performances de l’ensemble.

Fonctionnement des alimentations à découpage

L’alimentation à découpage repose sur la commutation à haute fréquence d’une bobine ou d’un transformateur, ce qui permet une réduction considérable de sa taille et de son poids. Le secteur est redressé par un pont de diodes. Il est ensuite souvent lissé pour fournir une tension continue, et cette tension continue est hachée et envoyée sur la bobine ou le transformateur

Principe de base des alimentations à découpage : Flyback très classique.

Ce hachage a lieu à des fréquences couramment comprises entre 30 kHz et 1 MHz. Cela implique de fortes variations de tension (dV/dt) et de courants (di/dt) en des temps très courts (<1 us) qui génèrent des parasites conduits vers la charge et vers le secteur, ainsi que des parasites rayonnés par ondes électromagnétiques. La tendance actuelle consiste à augmenter la fréquence de découpage pour réduire encore la taille des éléments (transformateur, condensateurs). De nombreuses topologies d'alimentation à découpage existent mais les méthodes pour réduire le bruit généré par les commutations restent semblables.

Emissions conduites des alimentations à découpage

On se limite ici à l’étude des parasites conduits. Les parasites issus des alimentations à découpage sont principalement de deux natures : les parasites liés aux harmoniques de la fréquence de découpage et le bruit de câblage. Le bruit de câblage a pour origine les inductances et capacités parasites présentes dans tout fil électrique. De plus, des fils ou des pistes trop longs génèrent des boucles de courant indésirables. On doit donc réduire au maximum leurs longueurs.

Rayonnement dû à une boucle de courant (alimentation Flyback)

Le spectre de ce bruit se situe vers les hautes fréquences, typiquement au-delà du MHz. Ce bruit est difficile à éliminer et doit être pris en compte lors du dimensionnement mécanique des circuits, des connexions et du châssis. C’est donc une difficulté qui n’apparaît pas au niveau schéma de la conception.

Différents types de parasites issus de l’alimentation à découpage

Dans les fréquences plus basses (<1MHz), on trouve les harmoniques de la fréquence de hachage.

Test d'émissions conduites sur une alimentation à découpage vis à vis de normes électriques (ici, EN55011)

Il s'agit de comparer les courbes au gabarit normatif. Un analyseur de spectre spécifique et complexe est nécessaire. On observe l'allure bosselée due aux harmoniques de la fréquence de découpage (80 kHz environ). La remontée du spectre vers la droite n'est pas bon signe pour les émissions rayonnées mesurées entre 30 MHz et 1 GHz.

Il existe aussi un couplage par impédance commune de masse et un couplage capacitif interbobinage (primaire - secondaire) ("interwinding capacitance") entre le primaire et le secondaire du transformateur.

La capacité interbobinage va typiquement de 40 à 200 pF pour des alimentations de 50 à 400 Watts (alim de PC, etc). Pour la mesurer, on place un capacimètre entre les bornes du primaire reliées ensemble et les bornes du secondaires reliées ensemble.

Exemples de transfos d'alimentation à découpage ATX de PC 250 à 400W

Courants transitoires vers la terre

Lors des commutations, des courants transitoires s’écoulent vers la terre par les capacités parasites de l’alimentation. Une des principales causes est la fixation des hacheurs sur des dissipateurs reliés eux-mêmes à la terre. En effet, le boîtier métallique d’un transistor de puissance est souvent électriquement relié au drain ou au collecteur, or la plupart des topologies d’alimentation présentent à cet endroit une tension hachée dont l’amplitude crête à crête vaut le secteur redressé, 320V. Ce boîtier est fixé sur un dissipateur par le biais d’un isolant électrique et conducteur thermique (cf. Fig. 4). Il apparaît ainsi une capacité parasite entre le transistor et le dissipateur qui est lui-même souvent relié à un point froid de l'alimentation.

Cause des courants transitoires perdus dans la terre

Allure d'une tension aux bornes du drain d'un hacheur (par rapport au point froid de l'alimentation)

Les isolants silicone présentent une capacité plus faible, mais une moins bonne conduction de la chaleur que leurs équivalents mica.