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Fiche Technologies - Topologies d'Alimentation

FICHE TECHNOLOGIE

QUI ? : cette fiche s'adresse principalement aux concepteurs

QUOI ? : Aider àà la décisiondécision sur : 
- des critèrescritères techniques de performance (rendement, encombrement, fiabilité.fiabilité...) 
- et d'écoconceptionécoconception comme les choix ou l'impacte des matériaux,matériaux, la fiabilité.fiabilité. la réparabilité.réparabilité.

QUAND ? : xxx

COMMENT LIRE LA FICHE ? : 
- Expliquer comment lire les tableaux, ...
+++ = pire / + = OK

1. LES ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX DES TECHNOLOGIES D'ALIMENTATION

SynthèseSynthèse des résultatsrésultats d'ACV d'une alim (illustration)

  • Quel est l'impact en cycle de vie ? Quel composant ou matériauxmatériaux ? Quelle influence de la fonction sur le reste du produit ?
         > RésultatsRésultats en Cradle to Gate


     > RésultatsRésultats en Cradle to "use"
     > Autre analyse de sensibilitésensibilité ? (variation de matériaux,matériaux, duréedurée de vie / usage, ...)

- Quels sont les critèrescritères qui permettent de piloter la performance environnementale d'un alimentation ? (àà valider) 

Les topologies d’d’alimentation sont évaluéesévaluées selon les critèrescritères suivants afin de comparer leurs impacts techniques et environnementaux.

Ces critèrescritères permettent d’évaluerd’évaluer l’l’impact relatif des architectures indépendammentindépendamment des choix d’implémentationd’implémentation propres àà chaque conception.

  • Taille (IntensitéIntensité d’intégrationd’intégration matérielle)matérielle): Mesure l’l’encombrement physique et la surface PCB nécessairesnécessaires àà la fonction d’d’alimentation. Une réductionréduction de taille diminue l’l’usage de matièrematière et l’énergiel’énergie de fabrication mais peut augmenter les contraintes thermiques et EMI.
  • Nombre de composants (ComplexitéComplexité matérielle)matérielle): ReprésenteReprésente le nombre d’élémentsd’éléments nécessairesnécessaires pour assurer la conversion d’énergie.d’énergie. Moins de composants implique généralementgénéralement moins d’d’impact de fabrication, moins d’d’assemblage et une probabilitéprobabilité de défaillancedéfaillance réduite.réduite.
  • Masse : Quantifie la quantitéquantité totale de matièrematière mobiliséemobilisée pour la fonction d’d’alimentation. La masse constitue un bon indicateur de l’l’impact environnemental liélié aux matériaux,matériaux, au transport et àà la fabrication.
  • MatériauxMatériaux (CriticitéCriticité et diversitédiversité matière)matière): ÉvalueÉvalue la nature, la raretérareté et la diversitédiversité des matériauxmatériaux utilisésutilisés (cuivre, ferrites, aluminium, semi-conducteurs). La limitation des matériauxmatériaux critiques et hétérogèneshétérogènes amélioreaméliore la recyclabilitérecyclabilité et la résiliencerésilience d’d’approvisionnement.
  • Puissance (AdéquationAdéquation fonctionnelle): CaractériseCaractérise la gamme de puissance préférentiellepréférentielle pour un topologie donnée.donnée. 
  • Rendement (Impact énergétiqueénergétique en phase d’d’usage): Mesure la part d’énergied’énergie réellementréellement transmise au systèmesystème par rapport àà l’énergiel’énergie consommée.consommée. Pour les équipementséquipements fonctionnant longtemps, le rendement devient le facteur dominant de l’l’impact environnemental global.
  • FiabilitéFiabilité (DurabilitéDurabilité fonctionnelle): Traduit la capacitécapacité de la topologie àà maintenir ses performances dans le temps sous contraintes réelles.réelles. Une fiabilitéfiabilité élevéeélevée réduitréduit les remplacements d’équipementsd’équipements et constitue un levier majeur de réductionréduction des déchetsdéchets électroniques.électroniques.
  • RéparabilitéRéparabilité (Prolongation de duréedurée de vie): ÉvalueÉvalue la possibilitépossibilité d’d’identifier, accéderaccéder et remplacer les élémentséléments défaillants.défaillants. Une architecture réparableréparable augmente la duréedurée d’d’usage effective et limite l’l’impact environnemental liélié au renouvellement produit.

Faut-il pondérerpondérer ces critèrescritères ?

2. LES DIFFÉRENTESDIFFÉRENTES TOPOLOGIES D'ALIMENTATION DISPONIBLES

Dans ce chapitre, les différentesdifférentes topologies d’d’alimentation sont considéréesconsidérées comme résultantrésultant d’d’un choix d’d’architecture pertinent réaliséréalisé par le concepteur afin de répondrerépondre aux contraintes fonctionnelles, électriquesélectriques et économiqueséconomiques de l’l’application.

L’L’objectif n’n’est donc pas de comparer des solutions répondantrépondant àà des besoins différents,différents, mais d’d’analyser les impacts environnementaux relatifs des grandes familles de conversion d’énergied’énergie lorsque leur usage est techniquement justifié.justifié.

Afin de comparer des solutions équivalentes,équivalentes, les hypothèseshypothèses suivantes sont retenues :

  • les topologies étudiéesétudiées sont supposéessupposées correctement dimensionnéesdimensionnées ;
  • les performances électriquesélectriques attendues sont atteintes ;
  • les dispositifs externes de gestion thermique (radiateurs, refroidissement actif, intégrationintégration mécanique)mécanique) ne sont pas considérésconsidérés dans l’l’analyse comparative, ceux-ci relevant du savoir-faire d’intégrationd’intégration propre au concepteur et au systèmesystème final.

L’L’analyse distingue par ailleurs deux grands profils énergétiquesénergétiques présentantprésentant des logiques d’d’impact environnemental différentesdifférentes :

  • les systèmessystèmes alimentésalimentés sur secteur et opérésopérés en continu (ex. serveurs, infrastructures numériquesnumériques, équipementséquipements médicauxmédicaux), pour lesquels le rendement énergétiqueénergétique et la fiabilitéfiabilité dominent l’l’impact environnemental sur le cycle de vie
  • les systèmessystèmes électroniquesélectroniques àà faible puissance et produits en grand volume (ex. objets IoT), pour lesquels l’l’impact de fabrication, la quantitéquantité de matièrematière et la technologie PCB deviennent prépondérantsprépondérants

Dans ce contexte, les architectures d’d’alimentation peuvent êtreêtre regroupéesregroupées en cinq grandes familles de convertisseurs d’énergied’énergie :

  1. RégulateursRégulateurs linéaireslinéaires, solutions simples et fortement intégréesintégrées reposant sur la dissipation d’énergie.d’énergie.
  2. Convertisseurs àà découpagedécoupage inductifs basse et moyenne puissance, utilisant une inductance pour le stockage temporaire d’énergied’énergie (buck, boost, buck-boost, etc.).
  3. Convertisseurs capacitifs àà pompe de charge, adaptésadaptés aux faibles puissances et permettant une forte intégrationintégration sans composant magnétique.magnétique.
  4. Convertisseurs isolésisolés àà transformateur, utilisésutilisés principalement en conversion AC/DC ou moyenne puissance et permettant l’l’isolation galvanique.
  5. Topologies haute performance et forte puissance, incluant les architectures résonantesrésonantes visant une efficacitéefficacité énergétiqueénergétique maximale.

Cette classification constitue le cadre d’d’analyse utiliséutilisé dans la suite du référentielréférentiel pour évaluerévaluer les impacts environnementaux associésassociés aux choix d’d’architecture d’d’alimentation.


2.1 Topologies linéaireslinéaires petite puissance

=> RégulateurRégulateur Shunt : Abaisseur linéairelinéaire

Avantage :

Simple, temps de réactionréaction rapide, peu bruitébruité

InconvénientInconvénient :

Mauvais rendement. AdaptéAdapté uniquement pour les faibles puissances

La valeur de la tension de sortie fluctue avec la variation du courant de sortie

Points particuliers :

Dissipation par effet Joule dans R3

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

TrèsTrès petit

trèstrès faible

+++

+++

mW àà 10W

20 àà 80%

trèstrès bonne

Bonne

Faible

Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériauxmatériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ?

=> LDO : Abaisseur linéairelinéaire

Avantage :

Simple, temps de réactionréaction rapide, peu bruité,bruité, précisionprécision de la tension de sortie

InconvénientInconvénient :

Mauvais rendement, convient uniquement pour les faibles puissances

Points particuliers :

En fonction de la puissance demandéedemandée nécessiténécessité de dissipation externe

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

TrèsTrès petit

TrèsTrès faible

+++

+++

mW àà 10W

--

++

++

+++

Pour les régulateursrégulateurs linéaires,linéaires, le rendement est d'autant plus élevéélevé que la tension de sortie est proche de la tension d'entrée.entrée.

Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériauxmatériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ?

2.2 Topologies àà découpagedécoupage classiques petite ou moyenne puissance, non isoléesisolées

=> Buck : Abaisseur àà découpagedécoupage

Convertisseur Buck asynchrone

Convertisseur Buck synchrone

Avantage :

Assez simple, trèstrès bon rendement (90 àà 96%). On le retrouve sur une trèstrès large gamme de puissance.

InconvénientInconvénient :

Bruit résiduelrésiduel du découpagedécoupage

Points particuliers :

Meilleur rendement du convertisseur synchrone par rapport àà la version asynchrone.

Versions avec mode écoéco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais tension de sortie moins stable.

Le circuit peut êtreêtre utiliséutilisé pour réaliserréaliser un inverseur (Buck Inverter) et générergénérer des tensions négativesnégatives avec un rendement moyen (75 àà 85%).

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

+++

+++

+++

+++

++

+++

++

++

++

Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériauxmatériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ?

=> Boost : ElévateurElévateur de tension

Avantage :

Assez simple, rendement élevéélevé (85 à92%à92%)

InconvénientInconvénient :

Bruit résiduelrésiduel du découpagedécoupage et ondulation résiduellerésiduelle plus élevéeélevée en sortie

Points particuliers :

Version avec mode écoéco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais tension de sortie moins stable.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

+++

+++

+++

+++

++

++

++

++

++

 Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériauxmatériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ?

=> Buck-Boost : Elévateur-Elévateur-Abaisseur de tension

Avantage :

Le circuit est relativement simple pour les faibles puissances, mais il devient plus complexe pour les fortes puissances, rendement élevéélevé (80 à95%à95%), permet de maintenir la tension de sortie stable pour une tension d’entréed’entrée variable.

InconvénientInconvénient :

Bruit résiduelrésiduel du découpagedécoupage et ondulation résiduellerésiduelle en sortie

Points particuliers :

Version avec mode écoéco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais ondulation plus importante sur la tension de sortie.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

++

++

++

+++

++

+++

++

++

++

Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériauxmatériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ?

=> SEPIC : Elévateur-Elévateur-Abaisseur de tension

Avantage :

Le circuit est performant jusqu’àjusqu’à environ 50W. (Proches performances d’d’un Buck-Boost)

Mode continu (CCM), filtrage EMI plus simple et moins de stress sur la source

InconvénientInconvénient :

Mode discontinu (DCM), contrainte plus fortes sur les composants et ondulation des sortie plus importantes

Contraintes fortes sur le condensateur de couplage Cc.

Points particuliers :

Applications principales pour les systèmessystèmes sur batterie, pour la récupérationrécupération d’énergied’énergie (Energy Harvesting) et pour l’l’automotive.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

+

++

++

+++

++

++

++

++

++

 

=> ZETA : Elévateur-Elévateur-Abaisseur de tension non-inverseur

image.png

Avantage :

IntègreIntègre un filtre LC en sortie, d’oùd’où des courants continus et une ondulation et une IEM faible

InconvénientInconvénient :

Ondulation en entréeentrée due àà la discontinuitédiscontinuité de courant. Switch plus contraint en sériesérie avec l’l’alimentation.

Points particuliers :

AdaptéAdapté pour les applications qui nécessitentnécessitent une régulationrégulation en tension préciseprécise et pour les systèmesystème nécessitantsnécessitants une large gamme de tension d’entréed’entrée ou de sortie comme les alimentations pour les télécommunicationstélécommunications ou la gestion des batteries.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

++

++

++

+++

++

++

++

++

++

=> CUK : Elévateur-Elévateur-Abaisseur inverseur de tension 

Avantage :

IntègreIntègre un filtre LC en entréeentrée et en sortie, d’oùd’où des courants continus, une faible ondulation et une EMI faible

InconvénientInconvénient :

Plus complexe àà mettre en œuvre,œuvre, peu de composants de pilotage dédiésdédiés àà la topologie.

Points particuliers :

AdaptéAdapté pour les applications sensibles aux EMI.

Utilisation dans les alimentations portables, le photovoltaïquephotovoltaïque

Une application typique est l’l’alimentation d’d’un LiDar pour l’l’automotive.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

++

++

++

+++

++

++

++

++

++

2.3 Topologies de convertisseur sans inductance (inductorless) faibles puissance

=>  Convertisseur àà pompe de charge : élévateur,élévateur, abaisseur, inverseur

ElévateurElévateur Vout = 2 x Vin

Abaisseur Vout = Vin / 2

Inverseur Vout = - Vin

Avantage :

Simple, peu de composants, permettent une intégrationintégration forte

Composants configurables pour les 3 topologies

Faible EMI, Rendement moyen (diminue avec le courant de sortie)

InconvénientInconvénient :

AdaptésAdaptés aux circuits présentantprésentant une faible variation de la tension d’entrée.d’entrée.

Faible précisionprécision sur la tension de sortie et ratio fixe de tension

Convient aux applications faible courant (I<200mA)

Points particuliers :

Application dans les LCD, dans les systèmessystèmes mulirails contraints

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

+++

+++

+++

+++

-

+

++

++

+++
                   

2.4 Topologies classiques, isoléesisolées moyennes et fortes puissances

=> Convertisseur Flyback : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Isolation galvanique, possibilitépossibilité de secondaires multiples

Conception simplifiéesimplifiée du transformateur

InconvénientInconvénient :

Stress sur les composants, notamment le switch

Pas aussi performant que d’d’autres topologies pour les fortes puissances

Points particuliers :

Application dans les adaptateurs muraux pour les applications faible àà moyenne puissance, pour les applications faible cout et pour les circuits multi rails

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

+

++

++

++

+

+

++

++

++

=> Convertisseur Forward : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Rendement élevé,élevé, moins de stress sur les composants, meilleure régulationrégulation

InconvénientInconvénient :

Plus complexe àà concevoir. NécessiteNécessite un enroulement de démagnétisationdémagnétisation et un circuit LC de filtrage en sortie

Points particuliers :

Alimentation de puissance (industrielles), équipementéquipement télécomtélécom

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

+++

+++

++

++

+++
=>  Convertisseur Half Bridge : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Rendement élevéélevé pour les puissances moyennes jusqu’àjusqu’à 500W, conception relativement simple, circuit magnétiquemagnétique de petite taille, EMI réduiteréduite

InconvénientInconvénient :

Fonctionne àà VIN/2 (peut êtreêtre une limitation), les pertes augmentent àà haute fréquence.fréquence. Courant plus élevésélevés dans les switches que dans la topologie Full Bridge

Points particuliers :

Alimentation ACDC, contrôlecontrôle moteur, équipementéquipement industriel, véhiculesvéhicules électriquesélectriques

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

++

+++

++

++

++
=> Convertisseur Full Bridge : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Rendement élevéélevé (souvent un peu inférieureinférieure àà la topologie Half Bridge), fonctionne sur la gamme complètecomplète de la tension source, stress répartiréparti sur les 4 switches.

InconvénientInconvénient :

Conception et pilotage plus complexe àà concevoir. Plus de bruit de commutation, cout plus élevéélevé

Points particuliers :

Chargeurs de batteries pour véhiculesvéhicules électriques,électriques, équipementéquipement télécomtélécom

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

+++

+++

++

++

+++

=> Convertisseur Push Pull : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Rendement élevé,élevé, capacitécapacité de travail àà forte puissance

InconvénientInconvénient :

Transformateur àà point milieu, un peu complexe àà piloter pour assurer la symétriesymétrie des signaux et éviteréviter le risque de saturation

Points particuliers :

Alimentation de puissance (PC, servers), véhiculevéhicule électriqueélectrique

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

+++

+++

++

++

+++

2.5 Topologies haute puissance et nouvelles

=> Convertisseur LLC RésonantRésonant : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

La commutation est réaliséeréalisée pour I ou V proche de 0 dans le switch d’oùd’où des pertes réduites,réduites, un stress réduitréduit sur les composants et un rendement plus élevéélevé et une émissionémission EMI réduiteréduite

InconvénientInconvénient :

Plus complexe àà concevoir. NécessiteNécessite plusieurs circuits magnétiquesmagnétiques

Points particuliers :

Alimentation de puissance dans les plaques àà induction, alimentations portables petites, trèstrès fiables, haut rendement et générantgénérant de faibles EMI. Convertisseur pour énergieénergie renouvelable.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

+++

+++

+++

++

+++

=> Convertisseur Partiel : Abaisseur ou élévateurélévateur

Avantage :

Conversion sur une portion de la tension d’entrée,d’entrée, moins de stress sur les composants EMI réduite.réduite. Rendement trèstrès élevé.élevé. Bien adaptéeadaptée pour les fortes puissances,

InconvénientInconvénient :

Conception complexe, nécessitenécessite une alimentation isoléeisolée pour le pilotage des switches

Points particuliers :

Bien adaptéadapté pour les systèmessystèmes dont la dynamique de tension est limitéelimitée comme les batteries en charge et décharge,décharge, les fuel cells, pour des applications comme le photovoltaique.

 

Taille

Nbr comp

Masse

MatériauxMatériaux

Puissance

Rendement

FiabilitéFiabilité

RéparabilitéRéparabilité

CoûtCoût

-

-

+

+++

+++

+++

+++

++

+++

3. ANALYSES COMPARATIVES EN CdV

SynthèseSynthèse des ACV comparatives (topo, usage, ....) avec une illustration QUALI des résultatsrésultats

+ présentationprésentation de la méthodométhodo et hypothèseshypothèses

4. ECO-CONCEPTION D'UNE ALIMENTATION

Si on doit éco-éco-concevoir une alim ? Check-lit 
- pas une meilleure topo qu'une autre
- arbre d'alimentation pour faire des choix des meilleurs compromis
- une fois la topo choisie, quelles sont les actions àà mettre en place

5. (optionnel) NOUVELLES TOPOLOGIES (innovations)

Ici des topologies qui lèventlèvent les enjeux environnementaux identifiésidentifiés par les ACV

1 àà 3 exemples + justificatifs et tableau qualitatif avec bénéficebénéfice ? 

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