Topologies d'Alimentation

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'impact 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

Les topologies d’d’alimentation sont évaluéesévaluées selon un ensemble de critèrescritères 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.

On distingue 2 niveaux de critèrescritères d'évaluationévaluation : 

• Evaluation qualitative : ces critèrescritères sont explicitésexplicités pour toutes les topologies documentéesdocumentées dans cette fiche 

Taille typique	Estimation de l’l’encombrement physique des composants et de 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. Valeurs : de trèstrès petit àà grand
Nombre de composants	QuantitéQuantité estiméeestimée 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. Valeurs : de trèstrès faible àà élevéélevé
Gamme de puissance	SpécificationSpécification de l'intervalle de puissance préférentielpréférentiel pour une topologie donnée.donnée.
Plage de rendement	SpécificationSpécification de 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.
CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	Estimation de l'épuisementépuisement des ressources abiotiques (minérauxminéraux et métaux)métaux), en considérantconsidérant la raretérareté géologique,géologique, les risques d'approvisionnement et l'impact de l'extraction. Valeurs : de faible àà élevéélevé
FiabilitéFiabilité	CapacitéCapacité de la topologie àà maintenir ses performances dans le temps sous contraintes réelles.réelles.  Valeurs : de faible àà élevéélevé
CoûtCoût typique	Estimation du coûtcoût de mise en œuvreœuvre de la topologie en fonction du nombre et de la complexitécomplexité des composants utilisésutilisés et de la technicitétechnicité du PCB généralementgénéralement nécessaire.nécessaire.   Valeur de trèstrès faible àà élevé.élevé.

• Evaluation quantitative : ces critèrescritères sont spécifiquespécifiques àà certaines topologies qui ont fait l'objet d'exemples typiques de nomenclatures et de modélisationsmodélisations ACV pour évaluerévaluer l'impact environnemental.

Puissance (W)	Valeur de la puissance nominale de l'exemple de topologie (Tension nominale de sortie et courant maximal).
PMD (W/mg)	DensitéDensité massique de puissance (power mass density). Ce critèrecritère quantifie l'efficacitéefficacité de la conception matérielle.matérielle. C'est le rapport entre la puissance de sortie nominale du convertisseur (expriméeexprimée en W) et la masse totale des composants constituant le bloc d'alimentation (expriméeexprimée en mg). Plus la valeur obtenue est élevée,élevée, plus le montage est puissant pour une masse donnée,donnée, ce qui indique une optimisation supérieuresupérieure de l'encombrement et du poids par rapport àà la performance énergétiqueénergétique délivrée.délivrée.
PSD (W/mm²)mm²)	DensitéDensité surfacique de puissance (power surface density). Ce critèrecritère quantifie le niveau de miniaturisation et d'intégrationintégration spatiale de la conception. C'est le rapport entre la puissance de sortie nominale du convertisseur (expriméeexprimée en W) et surface totale occupéeoccupée par le circuit impriméimprimé (PCB) accueillant les composants du montage d'alimentation (expriméeexprimée en mm²)mm²). Une valeur plus élevéeélevée indique une optimisation supérieuresupérieure de l'encombrement au sol, signifiant que le circuit délivredélivre davantage de puissance par unitéunité de surface occupée.occupée.
MDI (mg Sb eq/W)	Indice d'épuisementépuisement des matériauxmatériaux (Materials Depletion Index). Ce critèrecritère quantifie la densitédensité d'épuisementépuisement des ressources abiotiques (minérauxminéraux et métaux)métaux) du montage. C'est le rapport entre l'épuisementépuisement des ressources (expriméexprimé en mg Sb eq) et la puissance nominale du convertisseur.
MGHGI (kgCO2e/W)	IntensitéIntensité GES MatérielleMatérielle (Material GHG Intensity). Ce critèrecritère caractérisecaractérise l'impact climatique de la fabrication. C'est le rapport entre les émissionsémissions de gaz àà effet de serre (GES) généréesgénérées lors l'extraction des matièresmatières premièrespremières et la fabrication de tous les composants (hors assemblage final et transport) àà la puissance nominale du convertisseur. L'annexe "Notes MéthodologiquesMéthodologiques - MéthodeMéthode ACV des blocs fonctionnels" explique le calcul de l'impact climatique.
Rendement (%)	Rendement théoriquethéorique obtenu pour le courant de sortie maximal et la gamme de tension d'entréeentrée visée.visée.
RéparabilitéRéparabilité	Indicateur de la capacitécapacité du montage àà êtreêtre réparé.réparé. L'échelleéchelle de notation comprend trois niveaux : 1 (faiblement réparable)réparable), 2 (moyennement réparable)réparable), 3 (réparable)réparable).

2. Les différentesdifférentes topologies disponibles

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 de petite puissance

2.1.1. RégulateurRégulateur Shunt : Abaisseur linéairelinéaire

Avantages :

TrèsTrès simple, temps de réactionréaction rapide, peu bruitébruité

InconvénientsInconvénients :

Mauvais rendement. AdaptéAdapté uniquement pour les faibles puissances (faibles courants de sortie)

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

Points particuliers :

Dissipation par effet Joule dans R3. UtilisésUtilisés en référenceréférence de tension pour laquelle le courant de sortie est trèstrès faible.

SynthèseSynthèse des critèrescritères qualitatifs et quantitatifs:

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
TrèsTrès petit	TrèsTrès faible	mW àà 10W	20 àà 80%	Faible	TrèsTrès haute	Bonne	TrèsTrès faible

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Les régulateursrégulateurs shunts présententprésentent un rendement inversement proportionnel au courant de sortie pour lequel il a étéété conçu:conçu: le courant le traversant est quasi constant il est soit utiliséutilisé dans la charge soit dissipé.dissipé. On privilégieraprivilégiera son utilisation pour les applications trèstrès faibles courant.

2.1.2. LDO : Abaisseur linéairelinéaire

Avantages :

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

InconvénientsInconvénients :

Mauvais rendement, convient uniquement pour les faibles puissances

Points particuliers :

En fonction de la puissance demandéedemandée nécessiténécessité de dissipation externe

SynthèseSynthèse des critèrescritères qualitatifs et quantitatifs:

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	CoûtCoût typique
TrèsTrès petit	TrèsTrès faible	mW àà 10W	30 àà 80%	Faible	TrèsTrès haute	TrèsTrès faible

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Les LDOs présententprésentent un rendement inversement proportionnel àà la différencedifférence entre tension d'entréeentrée et tension de sortie. On essaiera de minimiser cette différencedifférence pour réduireréduire les pertes dans le composant.

Exemples de topologies linéaireslinéaires avec 3 boitiers et 2 gammes de puissance.

1. Montage LDO (BGA) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 250mA; LDO (DSBGA-4), réf.réf. LP5907UVX-1.8/NOPB; 2 Condensateurs céramique,céramique, 2.2uF, 0402, réf.réf. GRM155Z71A225KE44D; PCB équivalentéquivalent de taille 5x3.3 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

2. Montage LDO (SOT23) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 250mA; LDO (SOT23-5), réf.réf. LP5907MFX-1.8/NOPB; 2 Condensateurs céramique,céramique, 2.2uF, 0603, réf.réf. C0603C225K9PACTU ; PCB équivalentéquivalent de taille 10x5 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

3. Montage LDO (TO-220) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 500mA; LDO (TO-220), réf.réf. TLV2217-18KCS; 1 Condensateur céramique,céramique, 100nF, 0603, réf.réf. CL10B104KO8NNNC; 1 Condensateur Tantale 22uF, 1206, réf.réf. TP3A226K010C1500AS; PCB équivalentéquivalent de taille 14x10 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

Topologie (Boitier)	Puissance (mW)	PMD (mW/mg)	PSD (mW/mm²)mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	RéparabilitéRéparabilité
1. LDO (BGA)	450	8.0	27.3	3.4	28.4	42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V)	2 boitier BGA miniature
2. LDO (SOT-23)	450	2.5	9.0	10.2	52.2	42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V)	5
3. LDO (TO-220)	900	0.4	6.4	23.8 surface de PCB + cuivre du circuit intégréintégré + condensateur tantale	482	42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V)	5

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

2.2.1. Buck : Abaisseur de tension 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%).

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduitesréduites en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	CoûtCoût typique
Petit	Faible	1W àà qqKW	80 àà 98%	Faible 1x inductance	Haute	Faible

Exemple de topologie Buck

Montage Buck (SOT563) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 500mA; Buck (SOT563-6), réf.réf. TPS62A01ADRL; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 10uF, 0805, réf.réf. C0805C106K8PACTU ; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 22uF, 0805, réf.réf. GRM21BR61A226ME44L ; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 120pF, 0402, réf.réf. GRM1555C1H121JA01J; Inductance 1uH 6A, 3x3x1.5mm, réf.réf. IHLP1212AEEZ1R0M1Z ; PCB équivalentéquivalent de taille 10.8x10.5 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

Topologie (Boitier)	Puissance (mW)	PMD (mW/mg)	PSD (mW/mm²)mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	RéparabilitéRéparabilité
Buck (SOT563)	900	1,9	7,9	12.0	28,3	93.70	5

2.2.2. Boost : ElévateurElévateur de tension

Avantage :

Assez simple, rendement élevéélevé (85 àà 92%)

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.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduitesréduites en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	CoûtCoût typique
Petit	Faible	1W àà 150W	80 àà 95%	Faible 1x inductance	Haute	Faible

Exemple de topologie Boost

Montage Boost (BGA) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 5V, Iout = 500mA; Boost (DSBGA-9), réf.réf. TPS61253YFFR; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 4.7uF, 0603, réf.réf. C1005X5R1A475K050BC; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 10uF, 0303, réf.réf. CL10A106MO8NRNC; Inductance 1uH 5.8A, 3x3x2mm, réf.réf. 74438336010HT; PCB équivalentéquivalent de taille 9.2x9.2 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

Topologie (Boitier)	Puissance (W)	PMD (mW/mg)	PSD (mW/mm²)mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	RéparabilitéRéparabilité
Boost (BGA)	2.50	6.6	29.5	3.2	25.8	94 (Vin = 4.2V) 91 (Vin = 3.0V)	2 Boitier BGA

2.2.3. 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 àà 95%), 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.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduitesréduites en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	CoûtCoût typique
Petit àà moyen	Moyen	1W àà 150W	75 àà 95%	Faible 1x inductance	Moyenne àà Haute	Moyen

Exemple de topologie Buck-Boost

Montage Buck-Boost (QFN) : Vin = 3.0V àà 4.2V, Vout = 3.3V, Iout = 500mA; Boost (VQFN-12), réf.réf. TPS63051RMWR; 3 Condensateurs CéramiqueCéramique 10uF, 0603, réf.réf. CL10B106MQ8NRNC; 1 Condensateur CéramiqueCéramique 1.3nF, 0402, réf.réf. 0402YC132KAT2A; Inductance 1.5uH 7.1A, 3x3x2mm, réf.réf. IHLP1212BZEZ1R5M1Z; PCB équivalentéquivalent de taille 14x10 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

Topologie (Boitier)	Puissance (W)	PMD (mW/mg)	PSD (mW/mm²)mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	RéparabilitéRéparabilité
Buck-Boost (QFN)	1.65	2.9	11.8	7.8	42.1	93 (Vin = 4.2V) 91 (Vin = 3.0V)	3

2.2.4. 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.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduitesréduites en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Petit àà moyen	Moyen	1W àà 150W	75 àà 95%	Faible 2x inductance	Moyenne	Bonne	Moyen

2.2.5. ZETA : Elévateur-Elévateur-Abaisseur de tension non-inverseur

Avantage :

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

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 nécessitantnécessitant une large gamme de tension d’entréed’entrée ou de sortie comme les alimentations pour les télécommunicationstélécommunications ou la gestion des batteries.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduitesréduites en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyen	Moyen	1W àà 200W	75 àà 93%	Faible 2x inductance	Moyenne	Bonne	Moyen

2.2.6. CUK : Elévateur-Elévateur-Abaisseur de tension inverseur

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 photovoltaïque.photovoltaïque.

Une application typique est l’l’alimentation de LiDar pour l’l’automotive.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est l'inductance. Sa valeur et sa taille peuvent êtreêtre réduiteréduite en augmentant la fréquencefréquence de découpage.découpage. Lorsque cela est possible, privilégierprivilégier une fréquencefréquence de découpagedécoupage plus élevéeélevée pour réduireréduire l'impact de l'inductance.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyen	Moyen	1W àà 500W	80 àà 95%	Faible 2x inductance coupléescouplées	Moyenne	Bonne	Moyen

2.3 Topologies de convertisseur sans inductance (inductorless) de faible 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 (base de condensateurs céramiquecéramique pour la plupart des applications), permettent une intégrationintégration forte

Circuits intégrésintégrés 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 multirails contraints

Leviers d'écoconceptionécoconception :

FréquenceFréquence de découpagedécoupage / valeur des capas?.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
TrèsTrès petit	TrèsTrès faible	mW àà qqW	60 àà 90%	Faible	Bonne	Bonne	Faible

2.4 Topologies classiques isoléesisolées de moyenne et forte puissances

2.4.1. Convertisseur Flyback : ElévateurElévateur ou Abaisseur ou/et inverseur de tension

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

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Petit àà moyen	Moyen	1W àà 150W	65 àà 90%	Faible 1 transfo	Moyenne	Bonne	Faible

2.4.2. Convertisseur Forward : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

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

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyen	Moyen	50W àà 500W	75 àà 95%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	Moyen

Exemple de topologie Forward

Montage Forward : Vin = 36 àà 48V, Vout = 12V, Iout = 6A; réf.réf. LT8310EFE#PBF; réf.réf. LT1431CS8#PBF; Transformateur 12-pin EFD20 réfréf .750313355; 2 inductances 22µH22µH - 11A & 6.8µH8µH - 9A réf.réf. 74435572200 réf.réf. XAL6060-682MEC ; 2 Diodes Schottky 30A/80V réf.réf.VBT3080S-E3; Diode Zener 11V réf.réf. CMHZ5241BTR ; Diode 1A/200V réf.réf. CMMR1U-02TR ; Opto isolator 2,5kV 1-Channel réf.réf. PS2801C-1-A ;
Mosfet-N Channel,  200V/36A       BSC320N20NS3G  ; Cap Alum. Electrolitique 47µF47µF 80V ±± 20% réf.réf.EMZA800ADA470MJA0G ; Capa Tantale POSCAP 150µF150µF 16V 10% réf.réf.16TQC150MYF  ;13 Capa céramique;céramique; 18 résistancesrésistances ; PCB équivalentéquivalent de taille 100x62 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain,étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

Topologie (Boitier)	Puissance (W)	PMD (W/g)	PSD (mW/mm²)mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	RéparabilitéRéparabilité
Forward	72	1.3	11.6	17.3	44.8	91,5	4

2.4.3. Convertisseur Half Bridge : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

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 AC/DC, contrôlecontrôle moteur, équipementéquipement industriel, véhiculesvéhicules électriquesélectriques

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyenne àà grande	Moyen àà grand	100W àà qqKW	85 àà 96%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	Moyen àà élevéélevé

2.4.4. Convertisseur Full Bridge : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

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

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Grande	ElevéElevé	500W àà qq100KW	90 àà 99%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	ElevéElevé

2.4.4. Convertisseur Push-Pull : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

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

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyenne	Moyen	20W àà 1KW	75 àà 92%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Moyenne	Moyenne	Moyen

2.5 Topologies particulièresparticulières

2.5.1. Convertisseur LLC RésonantRésonant : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

 

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.

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Moyenne àà grande	ElevéElevé	100W àà 10KW	92 àà 98%	Moyen 1 transfo +  inductances coupléescouplées	Haute	Moyenne	ElevéElevé

2.5.2. Convertisseur Partiel : ElévateurElévateur ou Abaisseur de tension

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.

DifférentesDifférentes architectures possibles en fonction des applications.

NécessiteNécessite généralementgénéralement l'utilisation de condensateurs de stockages (Aluminium-PolymèrePolymère par exemple)

Leviers d'écoconceptionécoconception :

Un élémentélément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	CriticitéCriticité des matériauxmatériaux	FiabilitéFiabilité	RéparabilitéRéparabilité	CoûtCoût typique
Petit àà moyen	Moyen àà grand	1W àà 10KW / Fraction de puissance traitée:traitée: 1 àà 50%	95 àà 99%	Moyen 1 ou  plusieurs inductances, alimentations isoléesisolées (transfo), capa de stockage	Moyenne àà haute	Faible (circuit complexe)	Moyen àà élevéélevé

3. ECO-CONCEPTION D'UNE ALIMENTATION

A déplacerdéplacer dans la fiche Check-List !!!

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