Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

Le IRS2153D est très pratique pour les alimentations à découpage basées sur deux transistors Mosfet en demi-pont : il contient un oscillateur et une commande en demi-pont pour deux transistors et ne nécessite qu'un minimum de composants.

Voici le schéma de la commande du demi pont par le IRS2153D :

Schéma IRS2153D et transistors Mosfet : un demi-pont ultra simple

Fonctionnement du demi pont avec IRS2153D

Le IRS2153D pilote les transistors Mosfet T1 et T2 en opposition de phase, avec un temps mort entre les deux commandes et un rapport cyclique de 50% (T1 et T2 sont pilotés la même durée).

Astuces et particularités de ce demi pont à IRS2153D

Le montage présenté ici permet une augmentation supplémentaire du temps mort : les grilles des transistors mosfet sont pilotées à travers une résistance de 100 Ohms (R3) et une diode 1N4148 (ou LL4148 en version CMS). Cet ajout semble utile tout de même.

Note : la différence entre le IRS2153 et le IRS21531 est le temps mort :

IRS2153 : 1,1us

IRS21531 : 0,6us

Pour simplifier l'alimentation du IRS2153 au maximum, on l'alimente avec une simple résistance. Il a besoin d'environ 6mA pour fonctionner à 30kHz environ et piloter des grilles de 20N60C3. Sa consommation dépend un peu des transistors à piloter.

L'alimentation du IRS2153D se fait par une résistance de puissance, de valeur 22k à 33k. Sa puissance nominale doit être de 10W pour limiter la montée en température. La tension à ses bornes est la tension issue du pont de diodes et des condensateurs qui redressent le secteur, amputée de 15V (la tension d'alim du IRS2153D). La résistance dissipe environ :

P = U² / R = 300² / 22000 = 4,1W

Pour l'alimentation à découpage présentée sur astuces pratiques, il est possible d'insérer la bobine du relais en série avec la résistance d'alimentation (choisir 22k vu qu'il y a la résistance de la bobine en série).

Alimentation à découpage pour ampli audio

Le IRS2153D possède une diode zener de 15,4V en interne. C'est cette diode zener qui fixe la tension à 15V environ : la résistance suffit pour l'alimenter. Un condensateur de 1uF 25V est placé sur l'alimentation (au plus près du IRS2153D, entre patte 1 et 4). Il faut éviter les condensateurs chimiques (résistance série ESR trop élevée).

C2 est le condensateur de bootstrap. Il n'y a pas de diode de bootstrap autour du IRS2153D. En effet, il est rechargé en interne par un transistor. C'est un avantage du IRS2153D.

Les pattes 6, 7 et 8 sont au potentiel flottant (tantôt 0V, tantôt +320V) alors que toutes les autres sont au proches du potentiel 0V. En termes de distances entre pistes, il est judicieux de laisser une distance un peu plus grande entre ces deux zones.

Fréquence de fonctionnement du demi pont

Un oscillateur interne est réglé par les valeurs de RT et CT. RT et CT définissent la fréquence de découpage par la relation :

f = 1 / (1,453.RT.CT)

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 1

Extrait de la datasheet du IRS2153

Il est recommandé de choisir CT à 330pF minimum et RT à 1kOhm minimum. On peut choisir 1nF comme c'est une valeur standard. Pour obtenir une fréquence de découpage de 30kHz environ (adaptée aux transfos d'alimentation ATX), on choisit RT = 22k

f = 1 / (1,453 x 22k x 1nF) = 31,3kHz

Bruit lors de l'extinction de l'alimentation

Lorsque vous débranchez l'alimentation réalisée autour du IRS2153D, vous entendrez un très léger bruit à proximité de l'alimentation pendant la fin de la décharge des condensateurs du primaire (470uF 200V par exemple). Il s'agit du IRS2153D qui ne reçoit plus assez de courant pour s'alimenter. Le IRS2153D fonctionne à partir de 11V. Mais là, il n'y a plus assez de courant à travers R1, du coup, la tension chute aux bornes de C1 et tombe à 9V. A ce point, le IRS2153D cesse de fonctionner (Vcc UV- : Falling VCC undervoltage lockout threshold). Comme il passe en mode veille, il consomme très peu (130uA), ce qui permet à C1 de se recharger jusqu'à 11V (Vcc UV+ : Rising VCC undervoltage lockout threshold). Le IRS2153D commence à fonctionner mais "mange" sa réserve d'énergie C1. La tension chute rapidement à 9V. Et ainsi de suite. Il y a une hystérésis de 2V entre le seuil de démarrage et le seuil d'arrêt du fonctionnement du IRS2153D. C'est cela qui génère ces salves qu'on peut légèrement entendre comme une sirène en train de mourir lorsqu'on tend l'oreille vers la carte d'alimentation...

Réalisation d'alimentation à découpage à IRS2153D

Voici une maquette d'un ampli audio avec alimentation à découpage. Il s'agit d'un ampli stéréo classe D et son alimentation basée sur un IRS2153 et 2 transistors 20N60C3.

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 2

Réalisation d'ampli classe D et son alimentation à découpage (sur le même circuit imprimé)

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 3

Zoom sur la partie découpage : IRS2153D et 20N60C3 (650V 20,7A)

Le montage des autres composants autour du IRS2153D est fait en CMS :

Circuit imprimé côté composants CMS et pistes :

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 4

Ci dessous, un zoom :

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 5

Zoom sur la partie autour du IRS2153

Pour ceux et celles qui souhaiteraient le typon de l'ensemble ampli classe D + alimentation à découpage :

schema alimentation a decoupage demi pont irs2153 6

Voici le secret du typon dévoilé : ultra compact prévu pour les CMS 0805 ou 0603. Ses dimensions sont de 13 x 15cm, ce qui est adapté aux formats standard des circuits imprimés présensibilisés.

Traoré
Le 9 avr. 2016 à 10:39

Vrament votre explication est riche

Laurent
Le 10 mars 2020 à 20:41

Bonjour, Peut on remplacer le IRS2153 par un IR2184 en lui adjoignant un signal carré a 30khtz en entrée (cause soucis de dispo du 2153) ?

nina67 Nina67
Le 11 mars 2020 à 09:21

Bonjour, cela devrait être possible (non testé ici) avec un IR2184. Le montage de base repose sur un IRS2153D. Cordialement

Laurent
Le 11 mars 2020 à 21:14

Bonjour, Je vais surement essayer ce week, les 2153 vont pas arriver avant la fin du mois, je pensait le connecter comme le croquis sur l image. Je sais pas si le 10nf sur la pin 2 est vraiment necessaire. Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

Laurent
Le 12 mars 2020 à 21:26

J ais cablé en volant pour faire le test je sais , c est pas encore le week^^; j avais un peu de temps ce soir :), ça a l air de fonctionner, l amplitude sur les gates (Irf 840 pour ce test) n est que de 13 a 14V crete , le temps mort (les 2 au niveau bas) est entre 500 et 800ns mais j ais des signaux qui correspondent mieux a ce que j ais compris de tes explications. Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 13 mars 2020 à 09:04

Bonjour, l'amplitude du signal issu du IR2184 est plus faible parce qu'elle ne va pas dans le négatif. Les signaux sur l'oscilloscope semblent déséquilibrés en rapport cyclique (pas bon). Quel est le signal à l'entrée du IR2184 ? Le seuil d'entrée est autour de 2,5V.

Laurent
Le 13 mars 2020 à 13:40

Bonjour, Oui j ais vu que le rapport etait pas a 50%. l entre c est bien un signal carré a 50%, 4,2C crete et c est celui du haut sur la photo ci dessous, il me sert aussi de trig pour l oscillo mais meme sans s en servir de trig c est pareil. J ais essayé avec et sans le 10nf en decouplage sur la pin 2 et meme en la forcant à 5V via une resistance d 1K, ca change rien Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 13 mars 2020 à 13:49

bonjour, étrange. Tant que les commandes des Mosfet ne sont pas symétriques, inutile de chercher à aller plus loin. La broche 2 du IR2184 n'est pas en cause. La capa sert juste à immuniser contre des transitoires parasites qui déclenchent le Shutdown alors qu'il ne faudrait pas. On voit sur la courbe du bas que les durées des pulses (j'imagine en sortie du driver) ne sont pas stables. Quelle est la diode qui redresse pour le bootstrap ? Elle doit être ultra rapide (type ES1D, MURS120)

Laurent
Le 13 mars 2020 à 15:21

J ais essayé avec 2 models differentes, une de recup FR15 noté que fast dans sa doc https://eu.mouser.com/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Diodes-Rectifiers/Datasheets/_/N-ax1ma?keyword=FR15 la photo juste au dessus avec l entree en voie 1 avait cette diode. et une SF38 Ultra fast http://www.firsemi.com/uploadfile/image/pdf/SF31-SF38.pdf la 1ere photo avec les 2 sorties avait cette diode. Oui les sondes de l oscillo sont sur les sorties du IR mais coté MOS, sur les Gates, il n y a pas la "haute" tension sur le drain de T1 pour pas les griller ^^

nina67 Nina67
Le 13 mars 2020 à 15:38

bonjour, vous pouvez mesurer la tension sur la grille du mosfet d'en haut en supprimant la haute tension 320V au drain du mosfet d'en haut. Cela permet de voir si les commandes de grilles sont correctes. Bon weekend

Laurent
Le 13 mars 2020 à 16:28

Je crois que jais trouvé le soucis, j avais mit un 100nf en serie entre la sortie du TL072 et l entree du IR2184, une fois viré et relié en direct, c est bcp mieux^^ Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 16 mars 2020 à 09:07

bonjour intéressant... je pense qu'il faudrait mettre un pont diviseur à la sortie du TL072 pour limiter l'amplitude à 0V-5V par exemple ou ainsi ajuster finement le rapport cyclique. Cordialement

Laurent
Le 16 mars 2020 à 22:31

Bonjour, Oui, j ais essayé avec un pont diviseur, mais c est tres sensible, l alim fonctionne pas de soucis la dessus, juste qu il faut vraiment etre a 50% pile poil pour avoir la meme tension coté + et coté - par rapport ou 0V et c est plutot compliqué avec le TL072. au mieux j ais eu +40 -44V par rapport au 0V en sortie, je pense qu il y a trop de bruit sur l alim du TL (elle vient de la resistance / zener). Le TL alimenté an 5V, ca marche pas bien il y a 15V d ecart entre + et -, alimenté en 12V comme l IR avec un pont diviseur sans le condo pour rester entre 0 et 5V, ca fonctionne mais à +-5V (+39v - 44v), certe j avais mit une R ajustable monotour et c est pas terrible coté precision alimenter le TL par une Zener 6,8V, sortie sans pont diviseur (signal carré a 5,2V), je suis a +/- 4V sans reglage. pour l ecart J ais pas regardé de combien de µs on parle mais c est petit., le probleme a l air d etre dans le temps de changement d etat, c est pas assez franc. Du coup avec cet IR, il devrait etre pas si compliqué de reguler l alim, suffirait de jouer sur le rapport pour l equilibre +/- par rapport au 0V et sur la frequence de decoupage pour les montées/descentes de charge, pour la sorite principale bien sur. J essaierais peut etre, si les 2153 arrive pas (avec le virus je sais pas quand ils vont arriver, lol)

nina67 Nina67
Le 17 mars 2020 à 10:20

bonjour, en effet, le déséquilibre des tension positive et négative est directement et simplement lié au déséquilibre du rapport cyclique (écart par rapport à 50%). Vous pouvez peut être chercher un autre ampli op que le TL072. Mais ce que vous observez est tout à fait normal. Cordialement

Laurent
Le 28 mars 2020 à 18:48

Bonjour Nina, ça fonctionne super bien avec le 2184, j ais adjoint un arduino Nano pour gerer l horloge et auto regler le rapport cyclique selon la sortie +/- de l alim, et pour l alimenter j ais repris ton schema d alim 5V Flyback avec un transfo rebobiner par moi meme :). Pour le moment c est encore en proto "2 cartes volantes" mais ca fonctionne toujours bien a 225VA (50V 4.5A) de charge sur plusieurs minutes en sortie d alim sans que ca chauffe vraiment :) Je joins une photo du schema elec de la partie modifiée , le reste de l alim est conforme a ton schema. Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 29 mars 2020 à 21:12

bonsoir, c'est très intéressant et votre résultat en intéressera certainement d'autres ! La régulation de la symétrie de la tension pourra peut être aussi réguler le phénomène de bus pumping qui existe toujours sur les amplis classe D non bridgés (visible à basse fréquence et impédance de haut parleur mini). Cordialement

Laurent
Le 30 mars 2020 à 18:01

Bonjour Nina, il y avait une coquille au niveau de l opto, je joins la photo du schema plus complet de l alim. J ais pas essayer le Class D, car en 4 ohms de ce que j ais vu et j ais pas d enceinte 4 ohms, que des 8^^, Celui que je compte alimenter avec cette alim est a base de TDA7293, 2 montés en pont sur chaque voies et suivi chacun de 2 paires de transistors Toshiba. ca devrait peter un peu plus de 200W RMS sous 8 ohms mais faut une bonne alim pour que ca fonctionne bien, voir ce forum ou je me suis pas mal inspiré pour l ampli https://www.diyaudio.com/forums/chip-amps/206591-tda7294-power-transistors-amp-tda7293-46.html Ainsi que de ce post https://www.homecinema-fr.com/forum/diy-amplification/tda7293-smps-t29938253-525.html Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 2 avr. 2020 à 18:11

bonjour très bien pour la régulation. L'ampli classe D fonctionne aussi avec une impédance de 8 Ohms. Quant aux TDA7293, cela fonctionne bien avec les transistors, il faudra prévoir les dissipateurs en conséquences et ne pas acheter des transistors contrefaits. Cordialement

Laurent
Le 4 avr. 2020 à 16:09

Bonjour Nina, En effet j ais ete voir de plus pres ce que tu as mit en ligne sur les amplis classe D, c est tentant, hormis les selfs qui ont l air d etre galere a trouver, le reste est courant... Mais je vais peut bien me laisser tenter Sinon j ais monté la partie "HT" de mon alim, le transfo (TR2) gresille a la mise sous tension et quand on coupe le secteur, ca dure moins d une seconde, selon toi, de quoi ca pourrait venir ? ça fonctionne bien ensuite, mais le "grrrrr" au demmarage et a l extinction sont desagreables. C est un transfo que j ais bobiné moi meme entierement, le corps est un EE65B, le primaire fait 15mH Je remets la photo du schema qui a un peu evolué suite a la mise au point apres montage. Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 5 avr. 2020 à 12:42

bonjour, il y a un grésillement dans le transfo de puissance avec le IRS2153D ? Si oui, c'est normal, cela se produit quand la tension DC n'arrive plus correctement à alimenter le IRS2153D qui va commencer à osciller, puis s'arrêter, puis recommencer, etc.

Laurent
Le 12 avr. 2020 à 17:52

Bonjour Nina, Oui, en fait pour mi c est un IR2184^^ Je n avais pas collé l entre fer du transfo aussi, (au cas ou il aurait fallut que je revoye le bobinage, il etait juste scotché), maintenant que c est fait c est bcp mieux, il ya un tout petit bruit mais on l entends a peine au demarrage et a l extinction. Par contre quelques fois le IR2184 ne demarre pas a la mise sous tension surtout a froid et pour le moment je trouve pas pourquoi ... si tu as une idee je suis preneur^^ ci joint la photo du schema actuel Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153

nina67 Nina67
Le 13 avr. 2020 à 12:47

Bonjour, concernant le démarrage, le même comportement doit en effet se produire avec le IR2184 au démarrage et à l'extinction que le IRS2153D, d'où les grésillements. Peut être pouvez vous serrez avec un collier de serrage les parties de ferrite ? Pour le démarrage, l'entrée "IN" du IR2184 ne doit pas être au niveau haut de façon permanente, parce que le condensateur de bootstrap ne peut se recharger par la diode D5 FR107 et la résistance R6 que lors du niveau bas. Si IN est au niveau haut de façon permanente, les deux transistors seront ouverts en fait (ceci se produit au démarrage de l'ampli classe D). Vérifiez aussi le démarrage de l'alimentation Flyback. Cordialement

Laurent
Le 18 avr. 2020 à 19:44

Bonjour, J ais collé le plastique sur le bas du transfo, il avait du jeu et "vibrait", c est réglé. Pour le IR2184, il demarre bien, c est plutot l arduino qui a du mal surtout si je suis connecté en usb dessus avec le PC, du coup j ais renforcé la partie blindage autour de l arduino et passé C7 à 2200µF... ça a l air de tenir, en tous cas ça demarre a tous les coups :) J ais fait quelques essais en charge sur 14 Ohms sur le +/- 42V soit 6A (verifié au metrix) ca bronche pas mais ca a tendante a chuté a 80v (+/- 40V). Je met la charge entre 0 et une des 2 polarité , ca consomme 2 fois moins bien sur, le cycle de l horloge alim se decale pour equilibrer les 2 tensions de sortie par rapport a la masse. et quand je l enleve ca revient a 50% .. il faut quelques secondes quand meme mais ca fonctionne bien :). J ais tenté aussi de monter la frequence de decoupage si la tension descends trop mais la l arduino plante et reset systematiquement, j ais pas trop compris pourquoi, il faudra que j approndisse ça ulterieurement, et j ais fixé le decoupage a 35khtz. Me reste a connaitre les limites de l alim, qui devrait etre celles des MOS...

nina67 Nina67
Le 18 avr. 2020 à 23:39

bonsoir, intéressant tous ces essais... Vérifiez les temps de démarrage pour l'arduino, il y a peut être une fonction "brown out reset" pour empêcher que l'arduino ne démarre trop tôt quand la tension n'est pas encore bien établie... Quant au test, c'est normal que la tension chute en charge. En revanche, il se pourrait qu'il y ait une saturation ou quelque chose d'anormal si on ne met la charge que entre le + et la masse ou entre le - et la masse. Si vous avez un oscilloscope, cela serait intéressant. Pour un ampli audio, la consommation moyenne est identique sur les deux polarités et vous pouvez tester entre + et - directement. Cela équilibre le fonctionnement du demi pont. Les limites sont liées au mosfet en effet, mais aussi aux diodes de redressement. Cordialement

nina67 Nina67
Le 18 avr. 2020 à 23:40

vous pouvez consulter ce lien : https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/alimentation-a-decoupage-pour-ampli-mesures-2

Cyril.V
Le 20 mai 2020 à 12:14

Bonjour j'ai juste une petite question pourquoi mettre des résistances de 1W pour décharger les condensateurs sachant que d'après la formule P=U²/R soit 160²/220000 on obtient 0,116W donc une simple résistance d'un quart de watt suffit amplement non? Cordialement

nina67 Nina67
Le 25 mai 2020 à 18:06

Bonjour, en effet en termes de dissipation, c'est bon avec une résistance 0,25W, mais il faut impérativement que ces résistances supportent 160 V continus de façon permanente, donc au strict minimum 200V. Pour garantir une marge, une résistance de 1W supporte souvent 300 ou 500V (donnée constructeur). C'est donc une question de tenue en tension et de marge sur ce point là. Cordialement

Cyril.V
Le 29 mai 2020 à 01:07

Bonsoir merci pour votre réponse effectivement c'est assez logique ;-) Cordialement