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Techniques

La précision de mesure et d’analyse contribue à rehausser l’efficacité des alimentations électriques

Par Hailey Percival, Responsable Marketing Technique EMEA, Bench & Midrange Tektronix

Publication: Janvier 2014

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Malgré une tendance vers des solutions intégrées numériques de gestion de l’alimentation, la conception d’alimentation comporte encore de grands composants de puissance discrets ; inductances, transistors de puissance et transformateurs contribuent tous aux performances et a l’efficacité d’une alimentation, et si les dispositifs de gestion d’alimentation intègres fournissent une base solide pour la conception, leur impact sur la conception globale demeure limite.

En dépit des pressions accrues exercées sur les développeurs pour qu’ils réduisent globalement la consommation d’énergie, la demande d’électricité continue d’augmenter. En conséquence, les concepteurs d’alimentation sont charges de délivrer une production et une densité de courant plus importantes dans des conceptions qui nécessitent moins d’espace et peu ou pas de refroidissement.

La clé pour atteindre ces objectifs réside non seulement dans l’efficacité de la conception, mais également dans celle des composants utilises. Cela n’est pas toujours évident si l’on se base sur la seule fiche technique ; des principes électroniques de base régissent la manière dont les composants fonctionnent dans des conditions statiques et dynamiques, de sorte que le fait de modifier les charges peut avoir de réelles répercussions sur les performances de l’alimentation. Mesurer et caractériser un composant est donc tout aussi fondamental pour répondre aux exigences imposées aujourd’hui a la conception d’alimentations.

Fondamentaux de la mesure
- Les alimentations sont uniques dans leur conception et leur fonctionnalité, en cela elles dépendent de composants qui reposent a la fois sur des principes électriques et des principes magnétiques. Par conséquent, la caractérisation des composants électromagnétiques est cruciale dans le développement d’une alimentation efficace.

Plus précisément les éléments en question sont ceux qui présentent une inductance en fonction des changements de la tension et du courant dans le temps. Une fois acquis, un instrument de mesure approprie peut utiliser les mesures de tension et de courant - ainsi que quelques informations de base sur le composant en question pour calculer une série de paramètres importants, notamment la perte de puissance magnétique, que l’on peut comparer a la fiche technique du constructeur pour calculer la perte de cuivre. En outre, les mêmes mesures peuvent être utilisées pour évaluer la densité du flux magnétique (B) et la force du champ magnétique (H) pour générer un trace B-H ; toutes ces propriétés dépendent des caractéristiques physiques du composant magnétique. La capacité de valider et de mesurer les évolutions (le cas échéant) de ces propriétés est un facteur déterminant du choix des composants et de la conception de l’alimentation.

Les composants dans les alimentations, en particulier les transistors utilises dans les alimentations à découpage, peuvent également représenter une contribution importante a la perte globale d’énergie, car ils présentent une perte quand ils s’allument ou s’éteignent. Par conséquent, le développement d’une conception économe en énergie nécessite la détection et l’optimisation de ces pertes. Une manière d’y parvenir consiste à veiller à ce que les transistors de commutation fonctionnent toujours dans leur zone de sécurité (SOA). Cette information est normalement fournie par le constructeur dans la fiche technique de l’appareil ; garantir - par conception
- et confirmer - par la mesure - qu’un transistor reste dans sa SOA pendant tout son temps de fonctionnement, est déterminant pour un fonctionnement efficace. Comme on peut le voir, la capacité de mesurer avec précision la tension et le courant, et d’analyser ces données rapidement et de façon répétée, est essentielle au développement d’une alimentation efficace.

Analyse d’entrée
- A la base, la puissance est fonction de la tension et du courant ; l’analyse ajoute le temps a cette équation. L’instrument sur lequel s’appuient la plupart des ingénieurs pour effectuer des mesures dans le domaine temporel est l’oscilloscope. Il s’ensuit donc qu’’un oscilloscope équipe pour effectuer des mesures de puissance représente le parfait outil de développement d’alimentation. Essentiellement, pour mesurer la tension et le courant, l’oscilloscope emploie deux sondes distinctes ; une sonde de tension (souvent une sonde différentielle haute tension) et une sonde de courant. Il est important de compenser le skew et l’offset entre les deux sondes et un bon oscilloscope équipe pour l’analyse de puissance fera cela automatiquement. Comme par exemple les oscilloscopes a signaux mixtes proposes par Tektronix et, en particulier, ceux qui disposent de l’application DPOPWR, suite logicielle de fonctions d’analyse de puissance qui fonctionnent en étroite collaboration avec les sondes de tension/courant.

Grace a ces sondes, un oscilloscope exécutant le logiciel de DPOPWR est capable de capturer et de calculer toutes les mesures fondamentales mentionnées plus haut dans cet article. En outre, il est possible d’effectuer certaines taches importantes de caractérisation et d’optimisation supplémentaires au niveau system, comme par exemple l’analyse d’entrée / sortie.

Comme une alimentation a mode commute (SMPS) présente une charge non linéaire a une ligne d’alimentation, la tension d’entrée et les formes d’onde de courant ne sont pas identiques ; des harmoniques sont générées. La mesure des harmoniques de courant est un élément important de l’analyse d’entrée, qui permet d’analyser l’effet d’une alimentation électrique sur la ligne électrique. Les harmoniques de courant induites par le fonctionnement non-linéaire peuvent être causées par les courants de surcharge subis par les composants de l’alimentation lorsque celle-ci s’allume ou s’éteint, mais peuvent également être le résultat de variations sur la tension d’alimentation peut-être causées par d’autres SMPS attaches a la même alimentation. Les mesures de qualité de l’énergie, telles que les harmoniques de courant ou la qualité de puissance totale, peuvent se calculer a l’aide de la suite DPOPWR, en utilisant une sonde de tension différentielle et une sonde de courant.

Analyse de sortie
- Le bon fonctionnement d’une alimentation a découpage peut être mesure par son effet sur son alimentation, mais en réalité c’est véritablement la qualité de sa production qui permet de qualifier celle-ci. L’analyse en sortie est donc un indicateur clé de la façon dont fonctionne une alimentation électrique, dans toutes les conditions d’entrée et de sortie.

Deux des paramètres les plus pertinents a mesurer sont l’ondulation de la ligne et de la commutation, qui toutes deux sont apparentes sur la sortie. L’ondulation de la ligne se mesure par rapport a la fréquence de l’alimentation d’entrée, tandis que l’ondulation de commutation est provoquée par le processus de commutation / découpage. L’alimentation a découpage fonctionnant a la fois sur les cycles positifs et négatifs de l’entrée de courant alternatif, l’ondulation de commutation se produit souvent a une fréquence double de la fréquence de la ligne. Afin de capturer avec précision les données nécessaires pour effectuer l’analyse a l’aide d’un oscilloscope, seule une sonde de tension différentielle est nécessaire. L’utilisation d’une suite logicielle d’analyse telle que DPOPWR peut simplifier considérablement le processus d’analyse, car une fois que l’information de base est fournie (y compris la sélection du mode de couplage, de la bande passante, du mode d’acquisition et de la fréquence de ligne), l’analyse est effectuée automatiquement, ce qui permet a l’ingénieur d’obtenir un rapport détaille indiquant l’ondulation crête à crête. Un autre paramètre important de l’alimentation a découpage est sa contribution à l’interférence électromagnétique globale (EMI) et cela nécessite une analyse spectrale de la sortie, afin d’identifier les composants de fréquence qui peuvent contribuer a l’EMI.

Contrairement a l’analyse de puissance, la mesure de l’analyse spectrale ne nécessite pas de sonde de tension ou de courant ; en fait, une telle mesure exige uniquement de connecter une sonde d’oscilloscope standard a la tension de sortie de l’alimentation électrique. Encore une fois, la suite logicielle DPOPWR simplifie ce processus et fournit un certain nombre de types d’analyse. En complément de l’analyse d’ondulation et de l’analyse spectrale, il est utile pour les ingénieurs spécialistes de l’alimentation électrique de déterminer le temps qu’il faut pour qu’une alimentation produise une tension de sortie valide suite a la mise en marche ; ce paramètre est également appelé ≪ Turn-On Time ≫ ou temps de démarrage. Le calcul du temps de démarrage est souvent effectue manuellement, car il peut être difficile de mesurer avec précision les tensions d’entrée et de sortie en fonction du temps. Une suite de mesure spécifique doit être capable d’ajuster automatiquement les échelles de l’oscilloscope lors de cette mesure et un oscilloscope multicanaux peut même être en mesure d’effectuer la mesure simultanément par rapport a plusieurs tensions de sortie.

Conformité
- Bien que la mesure et la réduction de l’EMI soient maintenant appliquées à tous les équipements électroniques par le biais de normes mondiales, il existe également dans bon nombre de secteurs des normes qui dictent la qualité des alimentations en termes d’harmoniques qu’elles injectent dans le réseau électrique. Bien que n’étant pas universellement applique à tous les secteurs aujourd’hui, il est de plus en plus probable que ce niveau de législation puisse être adopte dans tous les secteurs, dans la mesure où il peut être démontre que la distorsion harmonique a un impact négatif sur le câblage et les transformateurs.

C’est pourquoi de nombreux ingénieurs en alimentation électrique doivent à présent se conformer, ou accepter volontiers, des limitations quant à la distorsion harmonique que génèrent les alimentations, par rapport a des normes internationales, notamment : IEC6100-3-2 Classe A, B, C et D ; IEC6100-3 -2 Classe AMD14 C et D, et MIL-STD-1399.

Tous ces mécanismes permettent de mesurer la qualité de l’énergie à partir de charges non-linéaires, la norme IEC6100-3-2 étant la plus générique ; elle limite les harmoniques de courants injectés dans le system d’alimentation en énergie électrique publique et s’applique a tous les appareils qui ont un courant d’entrée jusqu’a 16A par phase, tandis que chaque Classe traite des types d’équipements spécifiques.

En utilisant la suite DPOPWR et les sondes de tension et de courant Tektronix, la fabrication et l’analyse des mesures nécessaires pour évaluer une alimentation dans le cadre des tests de pré-conformité devient un processus simple. En choisissant la norme CEI et la Classe concernée, les résultats sont automatiquement classes par l’oscilloscope et affiches dans un tableau d’harmoniques qui indique le nombre d’harmoniques, la valeur, la limite permise et la marge, avec une indication simple de Réussite (vert) ou d’Echec (rouge).

Les distorsions totales de la tension et des harmoniques de courant sont également indiquées, ainsi que les valeurs RMS du courant, de la tension et de la puissance totale.

Conclusion
- La conception d’alimentations électriques est sans doute fondamentalement inchangée depuis de nombreuses années ; ce qui a évolué est la qualité des composants utilises dans la conception et la capacité de mesurer et d’analyser cette qualité.

Des restrictions strictes sont maintenant soit imposées soit recommandées dans de nombreux secteurs, en raison de l’augmentation de la consommation et de la demande d’énergie et de l’impact qui en résulte sur l’infrastructure énergétique globale. En conséquence, il est aujourd’hui plus pertinent que jamais de bien comprendre ce qui fait l’efficacité d’une conception d’alimentation électrique.

Bien que les éléments de base de la mesure de puissance soient simples, mesurer ces éléments avec précision et de manière répétée, avec leur analyse ultérieure, exige maintenant une nouvelle génération d’instruments de mesure, qui combine du matériel de pointe sous la forme de sondes précises et stables, étroitement combine avec un logiciel d’analyse puissant.

http://www.tektronix.com

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