Topologies d'alimentation

QUI ? : cette fiche s'adresse principalement aux concepteurs QUOI ? : Aider à la décision sur :  - des critères techniques de performance (rendement, encombrement, fiabilité...)  - et d'écoconception comme les choix ou l'impact des matériaux, la fiabilité. la 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’alimentation sont évaluées selon un ensemble de critères 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.

On distingue 2 niveaux de critères d'évaluation : 

• Evaluation qualitative : ces critères sont explicités pour toutes les topologies documentées dans cette fiche 

Taille typique	Estimation de l’encombrement physique des composants et de 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. Valeurs : de très petit à grand
Nombre de composants	Quantité estimée 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. Valeurs : de très faible à élevé
Gamme de puissance	Spécification de l'intervalle de puissance préférentiel pour une topologie donnée.
Plage de rendement	Spécification de 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.
Criticité des matériaux	Estimation de l'épuisement des ressources abiotiques (minéraux et métaux), en considérant la rareté géologique, les risques d'approvisionnement et l'impact de l'extraction. Valeurs : de faible à élevé
Fiabilité	Capacité de la topologie à maintenir ses performances dans le temps sous contraintes réelles.  Valeurs : de faible à élevé
Coût typique	Estimation du coût de mise en œuvre de la topologie en fonction du nombre et de la complexité des composants utilisés et de la technicité du PCB généralement nécessaire.   Valeur de très faible à élevé.

• Evaluation quantitative : ces critères sont spécifiques à certaines topologies qui ont fait l'objet d'exemples typiques de nomenclatures et de modélisations ACV pour évaluer 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)	Densité massique de puissance (power mass density). Ce critère quantifie l'efficacité de la conception matérielle. C'est le rapport entre la puissance de sortie nominale du convertisseur (exprimée en W) et la masse totale des composants constituant le bloc d'alimentation (exprimée en mg). Plus la valeur obtenue est élevée, plus le montage est puissant pour une masse donnée, ce qui indique une optimisation supérieure de l'encombrement et du poids par rapport à la performance énergétique délivrée.
PSD (W/mm²)	Densité surfacique de puissance (power surface density). Ce critère quantifie le niveau de miniaturisation et d'intégration spatiale de la conception. C'est le rapport entre la puissance de sortie nominale du convertisseur (exprimée en W) et surface totale occupée par le circuit imprimé (PCB) accueillant les composants du montage d'alimentation (exprimée en mm²). Une valeur plus élevée indique une optimisation supérieure de l'encombrement au sol, signifiant que le circuit délivre davantage de puissance par unité de surface occupée.
MDI (mg Sb eq/W)	Indice d'épuisement des matériaux (Materials Depletion Index). Ce critère quantifie la densité d'épuisement des ressources abiotiques (minéraux et métaux) du montage. C'est le rapport entre l'épuisement des ressources (exprimé en mg Sb eq) et la puissance nominale du convertisseur.
MGHGI (kgCO2e/W)	Intensité GES Matérielle (Material GHG Intensity). Ce critère caractérise l'impact climatique de la fabrication. 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 (%)	Rendement théorique obtenu pour le courant de sortie maximal et la gamme de tension d'entrée visée.
Réparabilité	Indicateur de la capacité du montage à être réparé. L'échelle de notation comprend trois niveaux : 1 (faiblement réparable), 2 (moyennement réparable), 3 (réparable).

2. Les différentes topologies disponibles

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

Avantages :

Très simple, temps de réaction rapide, peu bruité

Inconvénients :

Mauvais rendement. Adapté 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. Utilisés en référence de tension pour laquelle le courant de sortie est très faible.

Synthèse des critères qualitatifs et quantitatifs:

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Très petit	Très faible	mW à 10W	20 à 80%	Faible	Très haute	Bonne	Très faible

Point de vigilance :

Les régulateurs shunts présentent un rendement inversement proportionnel au courant de sortie pour lequel il a été conçu: le courant le traversant est quasi constant il est soit utilisé dans la charge soit dissipé. On privilégiera son utilisation pour les applications très faibles courant.

2.1.2. LDO : Abaisseur linéaire

Avantages :

Simple, temps de réaction rapide, peu bruité, précision de la tension de sortie

Inconvénients :

Mauvais rendement, convient uniquement pour les faibles puissances

Points particuliers :

En fonction de la puissance demandée nécessité de dissipation externe

Synthèse des critères qualitatifs et quantitatifs:

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Coût typique
Très petit	Très faible	mW à 10W	30 à 80%	Faible	Très haute	Très faible

Leviers d'écoconception :

•     Réduire l'écart Vin − Vout : la puissance dissipée est directement (Vin − Vout) × Iout. 
•     Sélectionner un IQ minimal : à charge inférieure à quelques µA, le courant de quiescence devient dominant. 
•     Pin Enable piloté par GPIO ou superviseur : coupe les rails inactifs sans modifier la topologie ni le dimensionnement ; levier firmware à coût matériel nul si câblé dès la conception. 
•     Condensateur de sortie MLCC : remplacer des condensateurs électrolytiques ou tantale par des condensateurs céramique; supprime les composants à durée de vie limitée et à matériaux critiques.

Points de vigilance :

• Le rendement maximal est borné par Vout/Vin : ce plafond n'est pas optimisable. En dessous de Vout/Vin = 0,85, envisager un buck. 

• La stabilité de boucle avec des MLCC à faible ESR doit être vérifiée : certains LDOs ont été conçus pour une ESR minimale d'électrolytique.

• L'arbitrage LDO / buck doit se faire sur l'analyse du profil de charge réel, pas sur le rendement au point nominal. 

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

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

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 céramique, 2.2uF, 0603, réf. C0603C225K9PACTU ; PCB équivalent de taille 10x5 mm², finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

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

Topologie (Boitier)	Puissance (mW)	PMD (mW/mg)	PSD (mW/mm²)	MDI (mg Sb eq./W)	MGHGI (gCO2/W)	Rendement (%)	Réparabilité
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 intégré + condensateur tantale	482	42 (Vin = 4.2V) 60 (Vin = 3.0V)	5

Graphiques des résultats d'impact et répartition des impacts environnementaux par composants pour les indicateurs de Changement climatique et d'épuisement des ressources métalliques:

2.2 Topologies à découpage classiques de petite ou moyenne puissance, non isolées

2.2.1. Buck : Abaisseur de tension 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%).

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Coût typique
Petit	Faible	1W à qqKW	80 à 98%	Faible 1x inductance	Haute	Faible

Leviers d'écoconception :

•  Augmenter la Fréquence de découpage (Fsw) : réduit la valeur minimale de l'inductance (L ∝ 1/Fsw), donc sa taille et sa masse. Levier direct sur la matière (voir fiche inductance). 
• Utiliser un IC avec substrat GaN / SiC : permet d'atteindre 500 kHz à plusieurs MHz sans dégradation du rendement ; peut permettre de réduire la taille de l'inductance par rapport au silicium classique.
• Rectification synchrone : remplacer la diode de roue libre par un MOSFET ; permet de supprimer les pertes par chute directe. Impact particulièrement fort pour Vout < 5 V.
• Utiliser un mode DCM ou PFM à charge partielle : améliorent le rendement là où l'équipement passe la majorité de son temps de fonctionnement réel (Voir Fiche Gestion) 
• Matériau de noyau adapté à Fsw : sélectionner une ferrite haute fréquence, poudre de fer (Bsat élevé), ou amorphe : réduit les pertes fer et permet un noyau plus compact à iso-inductance (Voir fiche inductance).
• Diminuer DCR de l'inductance : minimiser la résistance série réduit les pertes par conduction. Pour les puissances > 50W, au-delà de 200 kHz, envisager fil de Litz ou conducteur plat. 

Points de vigilance :

•    Monter la fréquence sans adopter GaN / SiC dégrade le rendement et peut annuler le bénéfice matière de la réduction d'inductance. 
•     Les leviers fréquence, technologie d'interrupteur et matériau de noyau sont couplés : les optimiser séparément donne des résultats sous-optimaux. 
•     Le mode PFM génère un spectre fréquentiel variable : perturbateur potentiel pour les circuits RF voisins : à qualifier en CEM. 

Exemple de topologie Buck

Montage Buck (SOT563) : Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 1.8V, Iout = 500mA; 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, finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

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

Graphiques des résultats d'impact et répartition des impacts environnementaux par composants pour les indicateurs de Changement climatique et d'épuisement des ressources métalliques:

2.2.2. Boost : Elévateur de tension

Avantage :

Assez simple, rendement élevé (85 à 92%)

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	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Coût typique
Petit	Faible	1W à 150W	80 à 95%	Faible 1x inductance	Haute	Faible

Leviers d'écoconception :

• Augmenter la Fréquence de découpage (Fsw) : réduit la valeur minimale de l'inductance (L ∝ 1/Fsw), donc sa taille et sa masse. Levier direct sur la matière (voir fiche inductance).  
• Rectification synchrone : La diode supporte Vout élevé ; la remplacer par un MOSFET supprime une chute directe significative.
• Condensateur de sortie MLCC : le courant RMS dans Cout est discontinu et élevé ; les MLCC réduisent les pertes ESR, suppriment les composants à durée de vie limitée et éliminent les électrolytes. 
  • Point de vigilance : La stabilité de Cout avec des MLCC à très faible ESR doit être vérifiée si le l'alimentation a été conçu pour une ESR minimale d'électrolytique.
• Modes DCM / PFM à charge partielle : mêmes bénéfices que sur le buck pour améliorer le rendement en usage réel.
• Limiter le rapport cyclique D < 0,80 : au-delà, les pertes parasites dominent et le rendement chute ; maintenir D dans sa plage optimale réduit les courants RMS et allonge la durée de vie des composants.

Exemple de topologie Boost

Montage Boost (BGA) : Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 5V, Iout = 500mA; 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, finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

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

Graphiques des résultats d'impact et répartition des impacts environnementaux par composants pour les indicateurs de Changement climatique et d'épuisement des ressources métalliques:

Résultats d'impact : Buck = 64,4 gCO2eq

Résultats d'impact : Buck = 8,02E-06 kgSbeq

2.2.3. 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 à 95%), 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 typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Coût typique
Petit à moyen	Moyen	1W à 150W	75 à 95%	Faible 1x inductance	Moyenne à Haute	Moyen

Leviers d'écoconception :

• Réduction de fréquence en zone de transition : diviser Fsw par deux dans la plage Vin ≈ Vout réduit les pertes de commutation de ~50 % dans cette zone. 
• Condensateur de sortie MLCC : le courant RMS dans Cout est discontinu et élevé ; les MLCC réduisent les pertes ESR, suppriment les composants à durée de vie limitée et éliminent les électrolytes. 
  • Point de vigilance : La stabilité de Cout avec des MLCC à très faible ESR doit être vérifiée si le l'alimentation a été conçu pour une ESR minimale d'électrolytique.

Exemple de topologie Buck-Boost

Montage Buck-Boost (QFN) : Vin = 3.0V à 4.2V, Vout = 3.3V, Iout = 500mA; 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, finition du PCB en mix (30% HAL, 30% immersion étain, 30% immersion argent, 10% ENIG).

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

Graphiques des résultats d'impact et répartition des impacts environnementaux par composants pour les indicateurs de Changement climatique et d'épuisement des ressources métalliques:

Résultats d'impact : Buck-Boost = 69,4 gCO2eq

Résultats d'impact : Buck-Boost = 1,29E-05 kgSbeq

2.2.4. 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 typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Petit à moyen	Moyen	1W à 150W	75 à 95%	Faible 2x inductance	Moyenne	Bonne	Moyen

Leviers d'écoconception :

• La valeur et la taille de l'inductance peuvent être réduites en augmentant la fréquence de découpage. Lorsque cela est possible, privilégier une fréquence de découpage plus élevée pour réduire l'impact de l'inductance.

• Inductances couplées sur noyau commun : les deux enroulements voient des formes d'onde de tension identiques ; les bobiner sur un noyau unique réduit le volume magnétique total et permet de diviser par deux la valeur d'inductance individuelle à ripple identique.

• Utilisation du ripple steering : ajuster le coefficient de couplage k permet de reporter quasi intégralement le ripple d'un enroulement vers l'autre ; réduit le condensateur de filtrage côté source.

• Condensateur de couplage (Cc) en MLCC: la totalité du courant de sortie traverse ce condensateur ; remplacer un condensateur tantale par un MLCC réduit les pertes ESR et supprime un composant à matériaux critiques.

  • Point de vigilance : Une ESR trop faible sur le condensateur de couplage peut exciter une résonance LC interne : vérifier la stabilité et prévoir un amortissement RC si nécessaire. 

• Rectification synchrone : mêmes bénéfices que sur le boost. 

Point de vigilance :

• Au-delà de 50 W, les topologies 4-switch synchrones deviennent généralement plus efficaces. 

2.2.5. 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 faibles.

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 nécessitant une large gamme de tension d’entrée ou de sortie comme les alimentations pour les télécommunications ou la gestion des batteries.batteries.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyen	Moyen	1W à 200W	75 à 93%	Faible 2x inductance	Moyenne	Bonne	Moyen

Leviers d'écoconception :

• La valeur et la taille de l'inductance peuvent être réduites en augmentant la fréquence de découpage. Lorsque cela est possible, privilégier une fréquence de découpage plus élevée pour réduire l'impact de l'inductance.

• Inductances couplées sur noyau commun : les deux enroulements voient des formes d'onde de tension identiques ; les bobiner sur un noyau unique réduit le volume magnétique total et permet de diviser par deux la valeur d'inductance individuelle à ripple identique.

• Utilisation du ripple steering : ajuster le coefficient de couplage k permet de reporter quasi intégralement le ripple d'un enroulement vers l'autre ; réduit le condensateur de filtrage côté sortie.

• Condensateur de couplage (Cc) en MLCC: la totalité du courant de sortie traverse ce condensateur ; remplacer un condensateur tantale par un MLCC réduit les pertes ESR et supprime un composant à matériaux critiques.

  • Point de vigilance : Une ESR trop faible sur le condensateur de couplage peut exciter une résonance LC interne : vérifier la stabilité et prévoir un amortissement RC si nécessaire. 

• Rectification synchrone : mêmes bénéfices que sur le boost. 

2.2.6. CUK : Elévateur-Abaisseur de tension inverseur

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 de LiDar pour l’automotive.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyen	Moyen	1W à 500W	80 à 95%	Faible 2x inductance couplées	Moyenne	Bonne	Moyen

Leviers d'écoconception :

• La valeur et la taille de l'inductance peuvent être réduites en augmentant la fréquence de découpage. Lorsque cela est possible, privilégier une fréquence de découpage plus élevée pour réduire l'impact de l'inductance.

• Inductances couplées sur noyau commun : les deux enroulements voient des formes d'onde de tension identiques ; les bobiner sur un noyau unique réduit le volume magnétique total et permet de diviser par deux la valeur d'inductance individuelle à ripple identique.

• Utilisation du ripple steering : ajuster le coefficient de couplage k permet de reporter quasi intégralement le ripple d'un enroulement vers l'autre ; réduit le condensateur de filtrage côté source.

• Condensateur de couplage (Cc) en MLCC: la totalité du courant de sortie traverse ce condensateur ; remplacer un condensateur tantale par un MLCC réduit les pertes ESR et supprime un composant à matériaux critiques.

  • Point de vigilance : Une ESR trop faible sur le condensateur de couplage peut exciter une résonance LC interne : vérifier la stabilité et prévoir un amortissement RC si nécessaire. 

• Rectification synchrone : mêmes bénéfices que sur le boost. 

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 (base de condensateurs céramique pour la plupart des applications), permettent une intégration forte

Circuits intégrés 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 multirails contraints

Leviers d'écoconception :

Fréquence de découpage / valeur des capas?.

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Très petit	Très faible	mW à qqW	60 à 90%	Faible	Bonne	Bonne	Faible

2.4 Topologies classiques isolées de moyenne et forte puissances

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

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

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Petit à moyen	Moyen	1W à 150W	65 à 90%	Faible 1 transfo	Moyenne	Bonne	Faible

Leviers d'écoconception :  

• Réduire l'inductance de fuite : entrelacement des enroulements (mutualisation primaire–secondaire–primaire), choix d'un noyau permettant moins de spires ; permet de réduire l'énergie dissipée ou à récupérer à chaque cycle. 
• Utilisation d'un clamp actif (ACF) : récupère l'énergie de fuite au lieu de la dissiper dans un snubber passif ; ouvre la ZVS primaire et permet une fréquence plus élevée pour un transformateur plus compact.
• Valley Switching / mode QR : commute le MOSFET au creux de la résonance Coss/Lm sans composant supplémentaire ; réduit les pertes de commutation.
• Rectification synchrone secondaire : supprime la chute de tension de la diode Schottky.
• Matériau ferrite adapté à Fsw.
• Mode burst à faible charge : réduit les pertes de commutation pendant les phases de faible consommation ; critique pour les alimentations à usage permanent. 

Points de vigilance :

•  Les leviers du flyback sont interdépendants : réduire la fuite modifie le clamp, modifier le clamp change les conditions de ZVS. Une approche levier par levier est risquée.
• La consommation en veille (IQ du contrôleur, enroulement auxiliaire, mode burst) est un enjeu propre au flyback souvent utilisé en alimentation permanente.
• La gestion du temps mort pour la rectification synchrone doit être qualifiée pour éviter les courants de retour au démarrage et à l'arrêt. 

2.4.2. Convertisseur Forward : Elévateur ou Abaisseur de tension

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 typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyen	Moyen	50W à 500W	75 à 95%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	Moyen

Leviers d'écoconception :

•  Optimiser le rapport de transformation pour D maximal : un rapport cyclique trop faible à Vin nominal augmente les courants RMS et dégrade le rendement sur toute la durée de vie. 
•  Utilisation d'un clamp actif : permet d'étendre le rapport cyclique au-delà de 50 %, recycle l'énergie magnétisante, ouvre la ZVS primaire et permet un transformateur plus compact. 
•  Rectification synchrone secondaire : deux diodes à remplacer ; levier le plus rentable pour les sorties basse tension à fort courant. 
•  Utilisation de magnétiques planaires : particulièrement adaptés au forward grâce à l'excitation symétrique ; la densité de puissance peut être jusqu'à 3× supérieure aux solutions bobinées classiques. 
  • Point de vigilance : La magnétique planaire nécessite une fréquence ≥ 200 kHz pour que le nombre de spires soit compatible avec les épaisseurs PCB disponibles. 

 

Exemple de topologie Forward

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

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

Graphiques des résultats d'impact et répartition des impacts environnementaux par composants pour les indicateurs de Changement climatique et d'épuisement des ressources métalliques:

Résultats d'impact : Forward = 3,22 kgCO2eq

Résultats d'impact : Forward = 1,25E-03 kgSbeq 

Limites : les inductances sont issues des données génériques (moyenne des résultats CODDE et EcoInvent) et pas de material declaration.

2.4.3. Convertisseur Half Bridge : Elévateur ou Abaisseur de tension

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 AC/DC, contrôle moteur, équipement industriel, véhicules électriques

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyenne à grande	Moyen à grand	100W à qqKW	85 à 96%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	Moyen à élevé

Leviers d'écoconception :

• Rréduire la tension MOSFET à Vin/2 : MOSFETs à tension nominale deux fois plus faible que sur le forward mono-switch ; RDS(on) structurellement inférieur à iso-surface de silicium. 
•     Reset automatique du transformateur : les condensateurs de bus bloquent naturellement tout courant DC et équilibrent le flux ; suppression totale du mécanisme de reset et des pertes associées. 
•    Utilisation d'IC à GaN / SiC : Coss faible, ZVS maintenue à plus faible courant magnétisant ; Qg faible, énergie de commande de grille réduite. 
•     Rectification synchrone et utilisation de magnétiques planaires : mêmes bénéfices que sur le forward. 

Points de vigilance 

•     Les condensateurs de bus doivent être des MLCC ou films à faible ESR : les électrolytiques se dégradent sous le courant RMS élevé. 
•     Le bruit acoustique en mode burst doit être contrôlé (fréquence des cycles burst/sleep à maintenir hors de la plage audible 20 Hz–20 kHz). 

2.4.4. Convertisseur Full Bridge : Elévateur ou Abaisseur de tension

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

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Grande	Elevé	500W à qq100KW	90 à 99%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Haute	Moyenne	Elevé

Leviers d'écoconception :

•     Utilisation d'un mode déphasé PSFB : ZVS sur les quatre MOSFETs sans composant actif supplémentaire, en exploitant l'inductance de fuite et la capacité de  sortie (Coss) des MOSFETs. 
•     Commande hybride demi-pont / pont complet à faible charge : désactive deux MOSFETs en charge partielle, supprimant le courant circulant et divisant les pertes de commutation par deux dans cette zone. 
•     Redresseur à doubleur de courant (CDR) avec rectification synchrone : configuration secondaire la plus efficace pour les sorties basse tension fort courant ; distribue les pertes thermiques sur deux inductances. 
•     Utilisation d'IC avec GaN / SiC : bénéfice multiplié par 4 (un composant amélioré sur chacun des quatre MOSFETs) ; Coss faible, ZVS maintenue sur une plage de charge plus large. 

Points de vigilance 

•     La perte de rapport cyclique doit être intégrée dans le dimensionnement du transformateur : un rapport de transformation sous-estimé contraint le convertisseur à opérer loin de son point optimal sur toute sa durée de vie. 

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

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

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyenne	Moyen	20W à 1KW	75 à 92%	Moyen 1 transfo + 1 inductance	Moyenne	Moyenne	Moyen

Leviers d'écoconception : 

•   Utilisation d'un noyau toroïdal sans entrefer : bon couplage entre enroulements, inductance de fuite réduite, snubber allégé ou supprimé ; densité magnétique maximale sans gap dissipateur. 
•     Utilisation bidirectionnelle du noyau : excitation dans les deux quadrants B-H sans entrefer ; noyau plus compact qu'un flyback ou forward monophasé à puissance égale. 
•     Utilisation de la commande en mode courant : détecte et corrige automatiquement tout déséquilibre de flux à chaque cycle ; permet de dimensionner le noyau sans marge excessive pour la saturation. 
•     SI faibles émissions EMI côté entrée : la configuration symétrique annule les courants de mode commun ; filtre d'entrée réductible. 
•     Augmenter la Fréquence : permet de réduire le nombre de spires primaires et la DCR associée, particulièrement efficace à basse tension d'entrée où le produit volt-secondes par spire reste faible. 

Points de vigilance 

•     Le déséquilibre de flux (flux walking) est le risque spécifique du push-pull : en mode tension, il ne peut pas être maîtrisé sans protection dédiée. La commande en mode courant est pratiquement obligatoire pour une utilisation en régulation. 
•     La tension de blocage 2×Vin devient rédhibitoire au-delà de 100 V d'entrée : les MOSFETs requis (> 250 V) ont un RDS(on) qui annule l'avantage de la topologie face au pont complet. 

2.5 Topologies particulières

2.5.1. Convertisseur LLC Résonant : Elévateur ou Abaisseur de tension

 

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.

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Moyenne à grande	Elevé	100W à 10KW	92 à 98%	Moyen 1 transfo +  inductances couplées	Haute	Moyenne	Elevé

Leviers d'écoconception :  

•   Conception ZVS primaire : permet de supprimer des pertes de commutation sur tous les semiconducteurs ; la montée en fréquence ne dégrade pas le rendement proportionnellement. 
•     Augmenter la Fréquence de résonance (GaN) :  de 500 kHz à 1 MHz, les composants passifs (transformateur, Cr, Cout) sont réduits d'un facteur 5 à 10 par rapport à un LLC à 100 kHz. 
•     Intégration de Lr dans la fuite du transformateur : suppression de l'inductance résonante discrète par contrôle de l'entrelacement des enroulements ou ajout d'un shunt magnétique ; réduit le nombre de composants magnétiques. 
•     Optimiser le rapport Lm/Lr (m = 5–10) : un Lm élevé réduit le courant circulant et les pertes par conduction ; à équilibrer avec l'énergie nécessaire pour la ZVS à faible charge. 
•     Utilisater un mode burst à faible charge : stoppe la commutation pendant les phases inactives ; supprime les pertes de commutation résiduelle sans dégrader la ZVS pendant les bursts. 
•   Utiliser des magnétiques planaires : rendement du transformateur supérieur à 98 %, densité de puissance jusqu'à 3× les solutions bobinées classiques. 

Points de vigilance 

•    Le LLC est optimal pour une plage de Vin à rapport inférieur à 2:1 : au-delà, la plage de fréquence requise s'élargit, la ZVS se dégrade aux extrêmes et la taille du transformateur augmente. 
•     Le dimensionnement du réservoir résonant (Lr, Cr, Lm) est un exercice itératif non trivial ; une erreur sur m dégrade le rendement sur toute la durée de vie. 
•     Le bruit acoustique en mode burst doit être contrôlé : fréquence des cycles burst/sleep à maintenir hors de la plage audible (20 Hz–20 kHz). 

2.5.2. Convertisseur Partiel : Elévateur ou Abaisseur de tension

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)

Leviers d'écoconception :

Un élément critique est le transformateur. 

Taille typique	Nombre de composants	Gamme de puissance	Plage de rendement	Criticité des matériaux	Fiabilité	Réparabilité	Coût typique
Petit à moyen	Moyen à grand	1W à 10KW / Fraction de puissance traitée: 1 à 50%	95 à 99%	Moyen 1 ou  plusieurs inductances, alimentations isolées (transfo), capa de stockage	Moyenne à haute	Faible (circuit complexe)	Moyen à élevé

 

Leviers d'écoconception :

•     Réduire Kpr : seule la fraction différentielle Kpr transite par le convertisseur actif ; à Kpr = 0,2, les composants sont dimensionnés pour 20 % de la puissance totale et les pertes système sont réduites proportionnellement. 

Points de vigilance 

•     Condition d'application stricte : le rapport Vin/Vout doit varier sur moins de 2:1 pour que Kpr reste inférieur à 1. Au-delà, l'architecture n'opère plus en mode traitement partiel et perd tous ses avantages. 

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