Fiche Technologies -> Topologies d'Alimentation

1. Les enjeux environnementaux des technologies d'alimentation

Synthèse des résultats d'ACV d'une alim (illustration)

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

     > Résultats en Cradle to "use"
     > Autre analyse de sensibilité ? (variation de matériaux, durée de vie / usage, ...)

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

Les topologies d’alimentation sont évaluées selon les critères suivants afin de comparer leurs impacts techniques et environnementaux. Ces critères permettent d’évaluer l’impact relatif des architectures indépendamment des choix d’implémentation propres à chaque conception.

• Taille (Intensité d’intégration matérielle): Mesure l’encombrement physique et la surface PCB nécessaires à la fonction d’alimentation. Une réduction de taille diminue l’usage de matière et l’énergie de fabrication mais peut augmenter les contraintes thermiques et EMI.
• Nombre de composants (Complexité matérielle): Représente le nombre d’éléments nécessaires pour assurer la conversion d’énergie. Moins de composants implique généralement moins d’impact de fabrication, moins d’assemblage et une probabilité de défaillance réduite.
• Masse : Quantifie la quantité totale de matière mobilisée pour la fonction d’alimentation. La masse constitue un bon indicateur de l’impact environnemental lié aux matériaux, au transport et à la fabrication.

• Matériaux (Criticité et diversité matière) : Évalue la nature, la rareté et la diversité des matériaux utilisés (cuivre, aluminium, semi-conducteurs, métaux précieux, ...). La limitation des matériaux critiques et hétérogènes améliore la recyclabilité et la résilience d’approvisionnement.

• Puissance (Adéquation fonctionnelle) : Caractérise la gamme de puissance préférentielle pour un topologie donnée. 

Critères techniques environnementaux : Modifs de Didier

• Gamme de puissance : Spécifie l'intervalle de puissance et la puissance typique servant de référence aux comparaisons.
• Densité massique de puissance, Power mass density (PMD) : Quantifie l'efficacité de la conception matérielle en mg/W. C'est le rapport entre la masse totale des composants constituant le bloc d'alimentation (exprimée en mg) et la puissance de sortie nominale du convertisseur (exprimée en W). Plus la valeur obtenue est faible, plus le montage est léger pour une puissance donnée, ce qui indique une optimisation supérieure de l'encombrement et du poids par rapport à la performance énergétique délivrée.
• Densité surfacique de puissance, Power surface density (PSD) : Quantifie le niveau de miniaturisation et d'intégration spatiale de la conception en mm²/W. C'est le rapport entre la surface totale occupée par le circuit imprimé (PCB) accueillant les composants du montage d'alimentation (exprimée en mm²) et la puissance de sortie nominale du convertisseur (exprimée en W). Une valeur plus faible indique une optimisation supérieure de l'encombrement au sol, signifiant que le circuit délivre davantage de puissance par unité de surface occupée.
• Indice de Criticité Matérielle, Materials Criticality Index (MCI) : Estime qualitativement l'épuisement des ressources abiotiques (minéraux et métaux), en considérant la rareté géologique, les risques d'approvisionnement et l'impact de l'extraction. L'échelle de notation comprend cinq niveaux de (1 à 5). voir une Fiche Générale du RG3E avec définitions.
• Intensité GES Matérielle, Material GHG Intensity (MGHGI) : Caractérise l'impact climatique de la fabrication en kgCO₂/W. C'est le rapport entre les émissions de gaz à effet de serre (GES) générées lors l'extraction des matières premières et la fabrication de tous les composants (hors assemblage final et transport) à la puissance nominale du convertisseur. L'annexe "Notes Méthodologiques - Méthode ACV des blocs fonctionnels" explique le calcul de l'impact climatique.
• Rendement (Impact énergétique en phase d’usage) : Mesure la part d’énergie réellement transmise au système par rapport à l’énergie consommée. Pour les équipements fonctionnant longtemps, le rendement devient le facteur dominant de l’impact environnemental global.
• Fiabilité (Durabilité fonctionnelle) : Estime qualitativement la capacité de la topologie à maintenir ses performances dans le temps sous contraintes réelles. Une fiabilité élevée réduit les remplacements d’équipements et constitue un levier majeur de réduction des déchets électroniques. L'échelle de notation comprend cinq niveaux de (1 à 5). voir une Fiche Générale du RG3E avec définitions.
• Durabilité : Réparabilité + Fiabilité. Compléter.

2. Les différentes topologies disponibles

Dans ce chapitre, les différentes topologies d’alimentation sont considérées comme résultant d’un choix d’architecture pertinent réalisé par le concepteur afin de répondre aux contraintes fonctionnelles, électriques et économiques de l’application.

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

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

• les topologies étudiées sont supposées correctement dimensionnées ;
• les performances électriques attendues sont atteintes ;
• les dispositifs externes de gestion thermique (radiateurs, refroidissement actif, intégration mécanique) ne sont pas considérés dans l’analyse comparative, ceux-ci relevant du savoir-faire d’intégration propre au concepteur et au système final.

L’analyse distingue par ailleurs deux grands profils énergétiques présentant des logiques d’impact environnemental différentes :

• les systèmes alimentés sur secteur et opérés en continu (ex. serveurs, infrastructures numériques, équipements médicaux), pour lesquels le rendement énergétique et la fiabilité dominent l’impact environnemental sur le cycle de vie
• les systèmes électroniques à faible puissance et produits en grand volume (ex. objets IoT), pour lesquels l’impact de fabrication, la quantité de matière et la technologie PCB deviennent prépondérants

Dans ce contexte, les architectures d’alimentation peuvent être regroupées en cinq grandes familles de convertisseurs d’énergie :

1. Régulateurs linéaires, solutions simples et fortement intégrées reposant sur la dissipation d’énergie.
2. Convertisseurs à découpage inductifs basse et moyenne puissance, utilisant une inductance pour le stockage temporaire d’énergie (buck, boost, buck-boost, etc.).
3. Convertisseurs capacitifs à pompe de charge, adaptés aux faibles puissances et permettant une forte intégration sans composant magnétique.
4. Convertisseurs isolés à transformateur, utilisés principalement en conversion AC/DC ou moyenne puissance et permettant l’isolation galvanique.
5. Topologies haute performance et forte puissance, incluant les architectures résonantes visant une efficacité énergétique maximale.

Cette classification constitue le cadre d’analyse utilisé dans la suite du référentiel pour évaluer les impacts environnementaux associés aux choix d’architecture d’alimentation.

2.1 Topologies linéaires de petite puissance

2.1.1. Régulateur Shunt : Abaisseur linéaire

e

Avantages :

Simple, temps de réaction rapide, peu bruité

Inconvénients :

Mauvais rendement. Adapté 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

Leviers d'écoconception :

Les régulateurs shunts présentent un rendement inversement proportionnel à la différence entre tension d'entrée et tension de sortie. On essaiera de minimiser cette dfiférence pour réduire les pertes dans le composant.

=>2.1.2. LDO : Abaisseur linéaire

AvantageAvantages : Simple, temps de réaction rapide, peu bruité, précision de la tension de sortie InconvénientInconvénients : Mauvais rendement, convient uniquement pour les faibles puissances Points particuliers : En fonction de la puissance demandée nécessité de dissipation externe Leviers d'écoconception : Les LDOs présentent un  rendement inversement proportionnel à la différence entre tension d'entrée et tension de sortie. On essaiera de minimiser cette dfiférence pour réduire les pertes dans le composant. Taille typique Nombre de composants Gamme de puissance Plage de rendement Criticité des matériaux Fiabilité Réparabilité Coût typique Taille typique Nbr comp Gamme de puissance Plage de Rendement Criticité Matériaux   Fiabilité Réparabilité Coût Très petit Très faible mW à 10W 30 à 80% Faible   Très haute Bonne Très faible nNote: Pour les régulateurs linéaires, le rendement est d'autant plus élevé que la tension de sortie est proche de la tension d'entrée.   TableauExemples ci-aprèsd'ACV sur les topologies linéaires. Les exemples suivants proposent 3 boitiers et  2 gammes de Didier,puissance. CATIE 1. terminerMontage lesLDO calculs(BGA) et: Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 250mA; LDO (DSBGA-4), réf. LP5907UVX-1.8/NOPB; 2 Condensateurs 2.2uF, réf. GRM155Z71A225KE44D, céramique, taille 0402; PCB équivalent de remplirtaille le5x3.3 tableaumm2 2. Montage LDO (SOT23) : Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 250mA; LDO (SOT23-5), réf. LP5907MFX-1.8/NOPB; 2 Condensateurs 2.2uF, réf. C0603C225K9PACTU, céramique, taille 0603; PCB équivalent de taille 10x5 mm2 3. Montage LDO (TO-220) : Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 500mA; LDO (TO-220), réf. TLV2217-18KCS; 1 Condensateur 100nF, réf. CL10B104KO8NNNC, céramique, taille 0603; 1 Condensateur 22uF, réf. TP3A226K010C1500AS, Tantale, taille 1206; PCB équivalent de taille 14x10 mm2 Topologie (Boitier) Puissance (W) PMD (mg/W) PSD (mm2/W) MCI MGHGI (kgCO2/W) Rendement (%) Durabilité LDO (BGA) 0.45 170.22 36.67 1 0.026 42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V) 3 Fiabilité : bonne réparabilité : faible LDO (SOT-23) 0.45 535.56 111.11 1 0.038 42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V) 5 LDO (TO-220) 0.90 2899.00 155.56 4 Condensateurs tantale + Cuivre du circuit intégré 0.409 42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V) 5 Montage LDO (BGA) : 1 LDO (DSBGA-4), réf. LP5907UVX-1.8/NOPB ; 2 Condensateurs 2.2uF, réf. GRM155Z71A225KE44D, céramique, taille 0402 ; PCB équivalent de taille 5x3.3 mm2 Montage LDO (SOT-23) : 1 LDO (SOT23-5), réf. LP5907MFX-1.8/NOPB ; 2 Condensateur 2.2uF, réf. C0603C225K9PACTU, céramique, taille 0603 ; PCB équivalent de taille 10x5 mm2 Montage LDO (TO-220) : 1 LDO (TO220), réf. TLV2217-18KCS ; 1 Condensateur 100 nF, céramique, taille 0603 ; 1 Condensateur 22 uF, réf. TP3A226K010C1500AS, tantale, taille 1206 ; PCB équivalent de taille 14x10 mm2 2.2 Topologies à découpage classiques de petite ou moyenne puissance, non isolées =>2.2.1. Buck : Abaisseur à découpage Convertisseur Buck asynchrone Convertisseur Buck synchrone Avantage : Assez simple, très bon rendement (90 à 96%). On le retrouve sur une très large gamme de puissance. Inconvénient : Bruit résiduel du découpage Points particuliers : Meilleur rendement du convertisseur synchrone par rapport à la version asynchrone. Versions avec mode éco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais tension de sortie moins stable. Le circuit peut être utilisé pour réaliser un inverseur (Buck Inverter) et générer des tensions négatives avec un rendement moyen (75 à 85%).                   2.2 Topologies à découpage classiques de petite ou moyenne puissance, non isolées => Buck : Abaisseur à découpage         Taille typique Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Petit Faible 1W à kW 80 à 98% ü X Haute Bonne Faible Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ? Topologie (Boitier) Puissance (W) PMD (mg/W) PSD (mm2/W) MCI MGHGI (kgCO2/W) Rendement (%) Durabilité Buck (SOT563) 0.9 666.78 126.00 1 0.018 93.70 1 Montage Buck : 1 Buck (SOT563-6), réf. TPS62A01ADRL ; 1 Condensateur Céramique 10uF 0805, réf. C0805C106K8PACTU ; 1 Condensateur Céramique 22uF 0805, réf. GRM21BR61A226ME44L ; 1 Condensateur Céramique 120pF 0402, réf. GRM1555C1H121JA01J ; Inductance 1uH 6A, 3x3x1.5mm, réf. IHLP1212AEEZ1R0M1Z ; PCB équivalent de taille 10.8x10.5 mm2 => Boost : Elévateur de tension Avantage : Assez simple, rendement élevé (85 à92%) Inconvénient : Bruit résiduel du découpage et ondulation résiduelle plus élevée en sortie Points particuliers : Version avec mode éco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais tension de sortie moins stable.   Taille typique Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Petit Faible 1W à 150W 80 à 95% ü X Haute Bonne Faible  Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ? Topologie (Boitier) Puissance (W) PMD (mg/W) PSD (mm2/W) MCI MGHGI (kgCO2/W) Rendement (%) Durabilité Boost (BGA) 2.50 190.76 33.86 1 0.022 94 (Vin = 4.2V) 91 (Vin = 3.0V) 3 Fiabilité : bonne réparabilité : faible Montage Boost : 1 Boost (DSBGA-9), réf. TPS61253YFFR ; 1 Condensateur Céramique 4.7uF 0603, réf. C1005X5R1A475K050BC; 1 Condensateur Céramique 10uF 0303, réf. CL10A106MO8NRNC; Inductance 1uH 5.8A, 3x3x2mm, réf. 74438336010HT; PCB équivalent de taille 9.2x9.2 mm2 => Buck-Boost : Elévateur-Abaisseur de tension Avantage : Le circuit est relativement simple pour les faibles puissances, mais il devient plus complexe pour les fortes puissances, rendement élevé (80 à95%), permet de maintenir la tension de sortie stable pour une tension d’entrée variable. Inconvénient : Bruit résiduel du découpage et ondulation résiduelle en sortie Points particuliers : Version avec mode éco ou PFM pour un bon rendement aux faibles courants, mais ondulation plus importante sur la tension de sortie.   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Petit-moyen Moyen 1W à 150W 75 à 95% ü  X Moyenne - haute Bonne Moyen Ce qu'il faut retenir des enjeux environnementaux de la topo (les composants / process / matériaux qui impactent) ? + renvoi vers fiche composant ? Topologie (Boitier) Puissance (W) PMD (mg/W) PSD (mm2/W) MCI MGHGI (kgCO2/W) Rendement (%) Durabilité Buck-Boost (QFN) 1.65 440.48 84.85 1 0.042 93 (Vin = 4.2V) 91 (Vin = 3.0V) 2 Fiabilité : bonne réparabilité : moyenne Montage Buck-Boost : 1 Buck-Boost (VQFN-12), réf. TPS63051RMWR; 3 Condensateurs Céramique 10uF 0603, réf. CL10B106MQ8NRNC; 1 Condensateur Céramique 1.3nF 0402, réf. 0402YC132KAT2A; Inductance 1.5uH 7.1A, 3x3x2mm, réf. IHLP1212BZEZ1R5M1Z; PCB équivalent de taille 14x10 mm2 => SEPIC : Elévateur-Abaisseur de tension Avantage : Le circuit est performant jusqu’à environ 50W. (Proches performances d’un Buck-Boost) Mode continu (CCM), filtrage EMI plus simple et moins de stress sur la source Inconvénient : 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 systèmes sur batterie, pour la récupération d’énergie (Energy Harvesting) et pour l’automotive.   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Petit-moyen Moyen 1W à 150W 75 à 95% 2 X Moyenne Bonne Moyen   => ZETA : Elévateur-Abaisseur de tension non-inverseur Avantage : Intègre un filtre LC en sortie, d’où des courants continus et une ondulation et une IEM faible Inconvénient : Ondulation en entrée due à la discontinuité de courant. Switch plus contraint en série avec l’alimentation. Points particuliers : Adapté pour les applications qui nécessitent une régulation en tension précise et pour les système nécessitants une large gamme de tension d’entrée ou de sortie comme les alimentations pour les télécommunications ou la gestion des batteries.   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen Moyen 1W à 200W 75 à 93% 2 X Moyenne Bonne Moyen => CUK : Elévateur-Abaisseur inverseur de tension  Avantage : Intègre un filtre LC en entrée et en sortie, d’où des courants continus, une faible ondulation et une EMI faible Inconvénient : Plus complexe à mettre en œuvre, peu de composants de pilotage dédiés à la topologie. Points particuliers : Adapté pour les applications sensibles aux EMI. Utilisation dans les alimentations portables, le photovoltaïque Une application typique est l’alimentation d’un LiDar pour l’automotive.   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen Moyen 1W à 500W 80 à 95% 2 couplées X Moyenne Bonne Moyen 2.3 Topologies de convertisseur sans inductance (inductorless) de faible puissance =>  Convertisseur à pompe de charge : élévateur, abaisseur, inverseur Elévateur Vout = 2 x Vin Abaisseur Vout = Vin / 2 Inverseur Vout = - Vin Avantage : Simple, peu de composants, permettent une intégration forte Composants configurables pour les 3 topologies Faible EMI, Rendement moyen (diminue avec le courant de sortie) Inconvénient : Adaptés aux circuits présentant une faible variation de la tension d’entrée. Faible précision 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 systèmes mulirails contraints   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Très petit Très faible mW à qqW 60 à 90% X X Bonne Bonne Faible 2.4 Topologies classiques isolées de moyenne et forte puissances => Convertisseur Flyback : Abaisseur ou élévateur Avantage : Isolation galvanique, possibilité de secondaires multiples Conception simplifiée du transformateur Inconvénient : Stress sur les composants, notamment le switch Pas aussi performant que d’autres topologies pour les fortes puissances Points particuliers : Application dans les adaptateurs muraux pour les applications faible à moyenne puissance, pour les applications faible cout et pour les circuits multi rails   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Petit à moyen Moyen 1W à 150W 65 à 90% X ü Moyenne Bonne Faible => Convertisseur Forward : Abaisseur ou élévateur Avantage : Rendement élevé, moins de stress sur les composants, meilleure régulation Inconvénient : Plus complexe à concevoir. Nécessite un enroulement de démagnétisation et un circuit LC de filtrage en sortie Points particuliers : Alimentation de puissance (industrielles), équipement télécom   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen Moyen 50W à 500W 75 à 95% ü ü Haute Moyenne Moyen =>  Convertisseur Half Bridge : Abaisseur ou élévateur Avantage : Rendement élevé pour les puissances moyennes jusqu’à 500W, conception relativement simple, circuit magnétique de petite taille, EMI réduite Inconvénient : Fonctionne à VIN/2 (peut être une limitation), les pertes augmentent à haute fréquence. Courant plus élevés dans les switches que dans la topologie Full Bridge Points particuliers : Alimentation ACDC, contrôle moteur, équipement industriel, véhicules électriques   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen à grand Moyen à grand 100W à qqkW 85 à 96% ü ü Haute Moyenne Moyen à élevé => Convertisseur Full Bridge : Abaisseur ou élévateur Avantage : Rendement élevé (souvent un peu inférieure à la topologie Half Bridge), fonctionne sur la gamme complète de la tension source, stress réparti sur les 4 switches. Inconvénient : Conception et pilotage plus complexe à concevoir. Plus de bruit de commutation, cout plus élevé Points particuliers : Chargeurs de batteries pour véhicules électriques, équipement télécom   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Grande Elevé 500W à qq100kW 90 à 99% ü ü Haute Moyenne Elevé => Convertisseur Push Pull : Abaisseur ou élévateur Avantage : Rendement élevé, capacité de travail à forte puissance Inconvénient : Transformateur à point milieu, un peu complexe à piloter pour assurer la symétrie des signaux et éviter le risque de saturation Points particuliers : Alimentation de puissance (PC, servers), véhicule électrique   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen  Moyen  20W à 1kW 75 à 92% ü ü Moyenne Moyenne Moyen 2.5 Topologies de haute puissance et nouvelles => Convertisseur LLC Résonant : Abaisseur ou élévateur Avantage : La commutation est réalisée pour I ou V proche de 0 dans le switch d’où des pertes réduites, un stress réduit sur les composants et un rendement plus élevé et une émission EMI réduite Inconvénient : Plus complexe à concevoir. Nécessite plusieurs circuits magnétiques Points particuliers : Alimentation de puissance dans les plaques à induction, alimentations portables petites, très fiables, haut rendement et générant de faibles EMI. Convertisseur pour énergie renouvelable.   Taille Nbr comp Puissance Rendement Inductance Transfo. Fiabilité Réparabilité Coût Moyen à grand Elevé 100W à 10kW 92 à 98% Couplées ü Haute Moyenne Elevé => Convertisseur Partiel : Abaisseur ou élévateur Avantage : Conversion sur une portion de la tension d’entrée, moins de stress sur les composants EMI réduite. Rendement très élevé. Bien adaptée pour les fortes puissances, Inconvénient : Conception complexe, nécessite une alimentation isolée pour le pilotage des switches Points particuliers : Bien adapté pour les systèmes dont la dynamique de tension est limitée comme les batteries en charge et décharge, les fuel cells, pour des applications comme le photovoltaique. Différentes architectures possibles en fonction des applications. Nécessite généralement l'utilisation de condensateurs de stockages (Aluminium-Polymère par exemple)   Taille Nbr comp Puissance système Fraction de puissance traitée  Rendement     Fiabilité Réparabilité Coût Petit à moyen Moyen à grand 1W à 10kW 1 à 50% 95 à 99% Moyenne à haute Circuits complexes Moyen à élevé 3. ECO-CONCEPTION D'UNE ALIMENTATION A déplacer dans la fiche Check-List !!! Si on doit 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 à mettre en place Back to top