SYSTEMES ELECTRONIQUES I PREMIERE PARTIE

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1 Haue Ecole d géierie e de Gesio du cao du Vaud SYSEMES EEONQES PEMEE PAE Marc orrevo

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3 A B E E S M A E E S PAGE. NOON...-. B...-. FS ONES E HAPES OS ONSÉAONS EHNOOGQES Gééraliés NOES APPAONS AVESSEMEN ÉFÉENES E ENSON NOON Gééralié éférece de esio de ype «badgap» éférece de esio de ype «diode Zeer eerrée» ÉFÉENE E ENSON SSE NE OE ZENE Gééraliés iode Zeer eerrée (buried Zeer) éféreces de esio iégrée ÉFÉENE E ENSON PA EXPOAON E A BANE NEE Gééraliés Pricipe éférece de esio badgap de Widlar éférece de esio badgap de Brokaw ÉFÉENE E ENSON EN EHNOOGE XFE Gééraliés Pricipe ÉFNONS ES PAAMÈES POPE AX ENSONS E ÉFÉENE éfiiio des paramères EE E A ÉFÉENE E ENSON EF escripio du circui Exemple de dimesioeme ÉGAES NÉAES E ENSON NOON Focioeme sadard Focioeme e mode O Boucle de réglage e sabilié mporace de la référece de esio OPOOGES ES ÉGAES NÉAES E ENSON escripio du focioeme SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

4 3.. Srucure de l éléme de ballas es régulaeurs sadards es régulaeurs O SABÉ ES ÉGAE O roducio Modèle simplifié par accroisseme des composas du régulaeur O Modèle peis sigaux du régulaeur O Eude de la focio de rasfer e boucle ouvere Paramères des régulaeurs O MAON OAN E SOE Gééraliés aracérisique recagulaire de la limiaio de coura aracérisique réerae (foldback) de la limiaio de coura POEON HEMQE AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE NOON Gééraliés éfiiio des sources e des récepeurs Semicoduceurs dispoibles comme focio ierrupeur NOAONS SÉES éfiiio AMENAONS À ÉOPAGE NON ÉVESBES À ASON EE Gééraliés AMENAON SÉE O ABASSESE E ENSON oducio coiue Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Aalyse fréqueielle Froière ere le mode coiu e iermie oducio iermiee aracérisique saique avec esio de sorie cosae iagramme srucurel AMENAON E YPE PAAÈE O ÉÉVAE E ENSON oducio coiue Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Odulaio de la esio u. hoix de Froière ere le mode coiu e iermie oducio iermiee aracérisique saique avec esio sorie cosae iagramme srucurel AMENAON À ÉOPAGE NON ÉVESBE A ASON NEE Gééraliés Hacheur à sockage iducif oducio coiue Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Froière ere le mode coiu e iermie oducio iermiee aracérisique saique avec esio de sorie cosae

5 4.6.8 iagramme srucurel ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE NOON elaios de base ircuis magéiques MOÈE ANSFOMAE Gééraliés rasformaeur idéal Modélisaio du rasformaeur idéal rasformaeur avec iducace magéisae PEES ANS ES S MAGNÉQES Gééraliés AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE ONVESSE À SOKAGE NF AVE SOAON GAVANQE Moage FYBAK oducio coiue imie de la coducio coiue Focioeme e coducio iermiee osidéraio sur le rasfer d éergie imesioeme du rasformaeur d u moage Flyback ONVESSE E YPE SÉE AVE SOAON GAVANQE Moage FOWA Eude du focioeme ONVESSE E YPE SYMÉQE AVE SOAON GAVANQE Moage PSH-P (po comple) Eude de focioeme ÉVAAON E MENSONNEMEN ES ONVESSES Gééraliés Sress e aux d uilisaio des semicoduceurs (rasisor) MENSONNEMEN ES ÉÉMENS ES AMENAONS À ÉOPAGE NOON ES ONENSAES Pricipe de focioeme Paramères caracérisiques d u diélecrique Modèle équivale es pricipales echologies es codesaeurs das les alimeaios à découpage ES MAEAX MAGNEQES es maériaux Gradeurs caracérisiques des maériaux magéiques es maériaux magéiques e les corps de bobies imesioeme d ue iducace imesioeme d u rasformaeur ES SEMONES E PSSANE es MOFSE... 7-

6 7.4. es GB es diodes

7 BBOGAPHE [ AE EEE Volume V : Elecroique Aueurs : J.. haelai e.essoulavy SBN : [ E SYSEMES EEONQES EEONQE, PAE Aueur : M. eclercq [3 HE A OF EEONS Aueurs : P. Horowiz, W. Hill SBN : [4 iear ad Swichig Volage egulaor Fudameals Naioal Semicoducor heser Simpso Member of echical Saff Power Maageme Applicaios [5 Fudameal heory PMOS ow ropou Volage regulaor Applicaio repor SVA68 [6 AN-8 (PM) hermomeer applicaio of he EF [7 echical review of ow ropou Volage egulaor Operaio ad performace Applicaio epor SVA7 [8 dersadig he erms ad efiiios of O Volage egulaors Applicaio epors exas srumes, corporaed SVA79 [9 igial esiger's Guide o iear Volage egulaors & hermal Mgm Applicaio epor SVA8 [ Advaages of usig PMOS-ype low-dropou liear regulaors i baery applicaios Aalog applicaios, power maageme SY6

8 [ ES ONVESSES E 'ÉEONQE E PSSANE Volume 3 : a coversio coiue coiue (ème édiio) Aueurs : ober Bausière, Fracis abrique, Guy Seguier hapire 3 SBN : [ POWE EEONS overers, Applicaios ad esig Aueurs : Ned Moha, ore M. delad, William P. obbis hapire 5 SBN : [3 FNAMENAS OF POWE EEONS Aueur : ober W.Erickso hapire & 5 SBN :

9 HAPE : NOON Page -. roducio. B e cours «Sysèmes Elecroiques» es ue descripio des focios élémeaires de l élecroique idusrielle. E effe, pour pouvoir réaliser u sysème élecroique sur la base d u cahier des charges, il es écessaire de bie maîriser l esemble des focios cosiua le sysème. l fau o seuleme avoir de boes coaissaces e élecroique mais égaleme de l esemble du problème à résoudre. Par exemple pour ue commade de moeur, il fau êre capable de dimesioer les composas e focio de la puissace à fourir, du iveau de esio, de coura e pour fiir des coraies d eviroeme (empéraure, vibraios, humidié, ). es progrès echologiques des circuis iégrés e des semicoduceurs de puissace permee de réduire oujours plus l ecombreme de l élecroique, les coraies hermiques e la eue des diélecriques éa le derier obsacle à la miiaurisaio. e cocepeur de cares élecroiques doi avoir ue rès boe coaissace des composas dispoibles, il es doc impora qu il sache, de maière efficace, ou chercher l iformaio sur les plus réces développemes e produis des fabricas.. FS ONES E HAPES OS oues cares élecroiques possède aux mois ue alimeaio sous la forme d u régulaeur de esio ou d u coverisseur /. asservisseme de ces composas écessie l uilisaio de référeces de esio. Pour les composas ravailla e commuaio, la commade des commuaeurs élecroiques (semicoduceurs) es u poi impora à compredre e à mairiser. Selo les coraies, il peu s avérer écessaire de réaliser ue séparaio galvaique ere divers focios. as ce cas, les sigaux aalogiques e logiques devro êre découplés de maières opoélecroique, capaciive ou iducive. Pour les alimeaios avec séparaio galvaique, l uilisaio d u rasformaeur es écessaire. a praique more que la compréhesio du rasformaeur e so dimesioeme so e gééral mal cous e mal maîrisés. Afi de répodre au mieux aux divers pois soulevés ci-dessus, les chapires du cours so orgaisés selo la logique décrie ci-dessous. e chapire éféreces de esio es ue descripio du desig permea la réalisaio d ue référece de esio e ea compe de sa sesibilié à la empéraure. e chapire 3 égulaeurs de esio doe u aperçu des composas réalisa u asservisseme de la esio d alimeaio e des limies hermiques liées à la srucure même de ces composas. e chapire 4 Alimeaios à découpage à iducace simple doe les bases héoriques du focioeme des coverisseurs / sas séparaio galvaique. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

10 HAPE : NOON Page - ype oura impulsioel de sorie Alimeaio ui/bi-polaire eue e esio Proecio... Sadard ou plaar ype de maériau aille du circui magéique Nombre de spires... opologie Effe de la empéraure Précisio... rasformaeur Opo-élecroique river de gae rasformaeur éférece de esio Erée overisseurs / égulaeurs liéaires are(s) élecroique(s) overisseurs / esios e couras d erée e de sorie Séparaio galvaique ype de coverisseur oraies hermiques Proecio... esios e couras d erée e de sorie Précisio de la esio de sorie oraies hermiques Proecio Sabilié... écouplage des sigaux rasformaeur Opo-élecroique ype de découplage Viesse eue e esio Proecio... Figure - : Srucure de l alimeaio d ue care élecroique SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

11 HAPE : NOON Page -3 e chapire 5 rasformaeurs à impulsios doe les bases écessaires à la réalisaio o seuleme des rasformaeurs uilisés pour les coverisseurs / avec séparaio galvaique mais aussi pour la rasmissio découplée de sigaux aalogiques ou logiques. Puis das la logique du dérouleme du cours. e chapire 6 Alimeaios à découpage à rasformaeur es ue descripio o exhausive des coverisseurs / avec séparaio galvaique. e chapire 7 omposas des alimeaios à découpage cocere le dimesioemes d ue iducace ou d u rasformaeur pour les alimeaios à découpage. l doe égaleme ue brève descripio des divers composas passifs uilisables pour ce ype d applicaio. e chapire 8 ommade des élémes de commuaio es ue descripio des opologies les plus couraes pour réaliser des commades pour MOSFE e GB e ea compe des coraies de l applicaio..3 ONSÉAONS EHNOOGQES.3. Gééraliés élecroique peu êre soumise à des coraies sévères. haque composa doi êre choisi de maière opimale au iveau de ces caracérisiques, de so boiier, de sa dispoibilié e de so coû. esemble de ces exigeces es pas simple à mairiser. ee secio doe descripio succice des coraies auxquelles il fau faire face. as le cadre de ce cours, les composas suivas sero abordés. Amplificaeurs opéraioels. éféreces de esio e de coura. égulaeurs liéaires (O) ircuis dédicacés aux abaisseurs (sep-dow) e aux élévaeurs de esio (sep-up) ircuis dédicacés aux alimeaios Flyback, Forward, push-pull river de gae ircuis magéiques. Semicoduceurs dédiés à la commuaio, MOSFE, GB, iode hacu de ces composas doi répodre à des exigeces dépeda de l applicaio. es référeces de esio doive fourir des esios idépedaes de la esio alimeaio e de la empéraure. es régulaeurs de esio e les coverisseurs / doive êre sables (asservisseme de esio) sous ceraies codiios bie mairisée, ils doive êre proégés core les cours-circuis e core les surcharges hermiques. es rasformaeurs doive ravailler das leur zoe liéaire, la sauraio du circui magéique e doi jamais se produire Efi la commade des semicoduceurs de puissace (driver de gae) doi êre réalisée de maière à opimiser le ombre e le coû des composas. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

12 HAPE : NOON Page -4.4 NOES APPAONS e cours a pour bu de vous faire découvrir la héorie qui se cache derrière chaque focio cosiua u sysème élecroique. es oes d applicaios, basées sur des exemples cocres so aussi à disposiio pour illusrer le cours par des aspecs plus praique..5 AVESSEMEN e cours se base sur les cours suivas : ENA : Elecroique aalogique SES : Sigaux e sysèmes SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

13 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -. éféreces de esio.. NOON.. Gééralié a majorié des référeces de esio moderes so cosruies selo rois pricipes différes. es caracérisiques pricipales d ue référece de esio so la précisio absolue de la esio, la dérive e empéraure, le iveau de brui, la cosommaio e la sabilié au vieillisseme... éférece de esio de ype «badgap» a référece de esio de ype badgap es basée sur l exploiaio des caracérisiques de la esio hermodyamique V. a Figure - doe le schéma de pricipe de ce ype de référece Figure - : Archiecure des référeces de esio «Badgap»..3 éférece de esio de ype «diode Zeer eerrée» a référece esio de ype «diode Zeer eerrée» es basée sur l uilisaio de Zeer eerrée (buried Zeer diode) das le bu de miimiser le brui, la dérive hermique e d améliorer la sabilié das le emps. a Figure - illusre le pricipe de base de ce ype de référece de esio SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

14 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - Figure - : Archiecure des référeces de esio «Zeer eerrée»..3. éférece de esio de ype «XFE» a référece esio de ype XFE es basée sur l uilisaio de la esio de piceme des rasisors à effe de champ (XFE : exra implaed FE). a Figure -3 me e évidece la srucure de base d ue référece de esio de ype XFE. Figure -3 : Archiecure des référeces de esio «XFE» SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

15 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -3. ÉFÉENE E ENSON SSE NE OE ZENE.. Gééraliés e diode Zeer présee, das le ses passa, des caracérisiques ideiques à celles d ue diode ormale. Par core das le ses iverse, u coura peu circuler si la esio appliquée aux bores de l éléme semicoduceur es suffisamme élevée. a esio iverse permea la coducio brusque de la diode es appelée esio Zeer. Pour obeir ue esio Zeer, il fau foreme doper la jocio p- de la diode de maière à permere u passage «facile» des élecros de la bade de valece de la zoe dopée p à la bade de coducio de la zoe dopée. es poreurs de charges (des élémes de dopage) aisi libérés so assez ombreux pour que le coura augmee brualeme e pour que la esio aux bores de la diode e varie praiqueme pas. e effe, appelé «effe Zeer» a éé découver par u physicie américai du om de larece Melvi Zeer. Pour d aures diodes Zeer, il es possible que sous l acio du champ élecrique iere, les poreurs de charges mioriaires (du silicium) de la zoe isolae acquière ue éergie elle qu il puisse y avoir ioisaio par choc, provoqua u effe d avalache, le coura croî exrêmeme vie. a esio aux bores de la diode e varie praiqueme pas o plus. es ce qui es appelé effe d avalache. a Figure -4 more claireme que le coura croi plus vie pour l effe avalache. E réalié ces deux effes so préses das ue diode Zeer. Pour ue diode Zeer au silicium, jusqu à 5.V, c es l effe Zeer qui es qui es prédomia. es diodes présee ue esio Zeer avec ue dérive e empéraure égaive. Au dessus de 5.V, c es l effe avalache qui devie le plus impora e du même coup la esio Zeer présee u dérive e empéraure posiive Effe Zeer z [ma 5 j 5 4.4V.7V 3.3V Effe d avalache 3.9V 5.6V 4.7V 6.8V 8.V 3 oura de es 5mA V z 5 [V Figure -4 : aracérisique de diodes Zeer pour u coura de polarisaio cosa de 5mA effe de la empéraure sur la esio Zeer peu êre aulé, ou foreme dimiué, e ajoua ue diode e série (dérive e empéraure de 7 ) das le ses passa. O parle alors de diode Zeer compesée e empéraure. as ce cas la esio Zeer es de 6.V au lieu des 5.V (correspoda au coefficie de empéraure le plus faible). SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

16 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -4 ΔV z [V.8 V z 5mA.7 5V 5V.6 V V 7V 6.V 5.9V. 5.6V. 5.V V 4.7V j [ Figure -5 : érive de la esio Zeer e focio de la empéraure... iode Zeer eerrée (buried Zeer) a diode Zeer es u éléme abodamme uilisé das les applicaios o criiques. es desigers de circuis iégrés uilise les jocios Base Emeeur des rasisors NPN, polarisées e iverse, comme diode Zeer de référece. effe Zeer apparai à la surface de la puce, là où les effes de coamiaio e les charges d oxyde so les plus imporaes. es jocio so bruyaes e souffre de dérives e empéraure e das le emps qui e so pas prédicibles. es diodes Zeer eerrées place la jocio e dessous de la surface du silicium, loi des effes de coamiaio e d oxydaio. e résula es ue diode Zeer avec ue grade sabilié das le emps, u faible brui e ue boe précisio iiiale. a Figure -6 more le débu de la fabricaio d ue diode Zeer eerrée. e régio eerrée dopée + es siuée sous la srucure Zeer afi de la proéger des prochaies diffusios de coac avec le subsra. Après croissace de la couche épiaxiale -, ue diffusio p + es répadue par ue peie ouverure au cere de la srucure Zeer. E même emps, la diffusio p + es répadue à la périphérie pour former u caisso isolé coea la srucure Zeer eière. OVEE E OXE + PO FFSON p SO p + SO EP p + SO EP p + SO + BE AYE p SBSA SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Figure -6 : Srucure iiiale lors de la fabricaio d ue diode Zeer eerrée a diffusio p + cerale es proégée d u coac avec le subsra p - par la couche eerrée +, alors qu o perme aux diffusios laérales p + d aeidre le subsra e de former u caisso d isoleme.

17 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -5 l es impora de oer que la coceraio la plus élevée p + se produi direceme sous l ouverure du masque e que la coceraio de dopa es la plus faible aux frages d ue diffusio. es derières éapes iclue ue diffusio de base p - e ue diffusio d émeeur +, siuées au cere de la srucure Zeer (voir la Figure -7). émeeur + devie la cahode, adis que l isoleme combié e la diffusio de base p - ser d aode. a jocio foreme dopée se rouve au fod de la cahode, là où l émeeur + e la diffusio p + présee les coceraios les plus riches. es coceraios laérales, plus légères o comme coséquece ue esio Zeer plus élevée e par coséque ces zoes e so pas acives. e résula es ue esio Zeer exrêmeme sable de rès faible brui e isesible aux effes exérieurs de coamiaio ou d oxydaio. ZONE AVE E A ZENE AHOE SOAON ANOE p + SO EP p BASE + EMEE p + SO + OHE ENEEE p SBSA Figure -7 : Srucure d ue diode Zeer eerrée... Exemple d ue référece de esio basée sur ue diode Zeer e diode Zeer es polarisée par ue source de coura. diviseur résisif perme d exraire ue fracio de la esio Zeer. amplificaeur de esio à gai posiif perme d ue par de préseer ue haue impédace du côé du diviseur de esio résisif e d aure par de fourir ue source de esio de référece avec ue faible impédace de sorie. Pour avoir ue faible dérive e empéraure, la diode Zeer, de 6.V, es compesée e empéraure (ajou d ue diode série). Figure -8 : Srucure de base d ue référece de esio de ype «buried Zeer» SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

18 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -6 V +. 4 ou V Z éféreces de esio iégrée Pour obeir des référeces de esio précises, il exise des circuis iégrés das lesquels o rouve ue diode Zeer compesée e empéraure, alimeée par ue source de coura. Pour des performaces accrues, cee diode Zeer es eerrée afi de la proéger des impureés, des coraies mécaiques e des imperfecios de surface qui coribue à accroîre le brui e à dégrader la sabilié à log erme. Si les performaces globales (précisio, brui, coefficie de empéraure, sabilié à log erme) so suffisamme boes pour auoriser leur emploi das les sysèmes à haue résoluio, elles so plus coûeuses que les référeces de ype badgap. e plus, elles so peu adapées aux sysèmes basse esio, ce qui pred à coreses la edace géérale des sysèmes élecroiques embarqués. ela ie au fai que les meilleurs résulas e sabilié das le emps e e empéraure so obeus avec des Zeer de 6.V, qu il es écessaire d alimeer à parir d ue source de esio d au mois.5v à V supérieure. a esio de 6.V es esuie rapporée à ue valeur plus faible par le biais d u réseau résisif, puis es ajusée à la valeur souhaiée par l iermédiaire d u amplificaeur opéraioel, qui fai par ailleurs office d adapaio d impédace. es réseaux plus ou mois complexes so chargés de compeser la variaio o liéaire de la esio de sorie e focio de la empéraure. Aisi, das ses différees séries VE à diode Zeer, haler fai usage d u réseau de compesaio o liéaire du roisième ordre formé de hermisaces e de résisaces ajusées au laser. Avec les référeces à diode Zeer eerrée, les caracérisiques suivaes peuve êre aeies : précisio comprise ere ±. e ±.4%, dérive e empéraure de à ppm/ (das la gamme commerciale à + 7 ), dérive sur le log erme ere 6 e ppm/hrs. Figure -9 : Zeer avec réseau de compesaio SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

19 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -7.3 ÉFÉENE E ENSON PA EXPOAON E A BANE NEE.3. Gééraliés uilisaio das les circuis iégrés de sources de esio de référece, sables e empéraure, es capiale. l exise des circuis de esio de référece appelés «badgap» rès sables vis-à-vis des variaios de la empéraure..3. Pricipe e pricipe d ue référece de esio badgap es de compeser le coefficie de empéraure égaif d ue jocio p par le coefficie de empéraure posiif de la esio hermodyamique doée par la relaio avec : k V. q k J/K q : cosae de Bolzma (8.6-5 ev/k) : empéraure exprimée e degrés Kelvi : charge élémeaire e schéma syopique d u el circui es doé e Figure -. e bu es d obeir ue esio de référece avec ue sabilié e empéraure de l ordre de ppm/. as ce cas la dérive e empéraure de V BE doi êre coue de maière plus précise que simpleme V BE / -mv/. Σ k V q K Figure - : Schéma syopique d ue référece de esio «badgap» SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

20 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page éermiaio de la dérive e empéraure a desié de coura de colleceur J es défiie comme B VBE V q po J e.3 W avec : J /A E : desié de coura de colleceur, : cosae moyee de diffusio pour les élecros, W B : largeur de la base, V BE : esio Base Emeeur, / N : coceraio d élecro à l équilibre das la Base, po i i A V G 3 V e : coceraio irisèque de poreurs, : cosae idépedae de la empéraure, V G.5V : esio «badgap» pour le silicium, N A : coceraio e dopage d accepeur. J q N W A B VBE VG q ( V ) 3 BE V V G γ k e AE e.4 avec γ3. A la empéraure de référece J q ( V ) BE V G k γ S e.5 e rappor ere les desiés de coura de colleceur à ue empéraure quelcoque e la empéraure de référece s écri sous la forme suivae : J J γ q V ( k e BE V G V V BE G ).6 fialeme J V V q VBE VG BE G l γ l +.7 J k e la relaio précédee, il es possible d exprimer la esio Base Emeeur e focio de la empéraure. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

21 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -9 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE l l BE G BE J J q k q k V V V γ.8 O peu maiea calculer la dérive de V BE e focio de la empéraure l l l l BE G BE J J q k J J q k q k q k V V V γ γ.9 A la empéraure de référece J J l l BE G BE J J q k q k V V V γ. Noos que l. e, sacha que la desié de coura de colleceur es proporioelle à α. J J J J J J α l. a dérive e empéraure de la esio Base Emeeur devie ( ) q k V V V BE G BE γ α es valeurs ypiques de α e γ so α e γ3.. E supposa que V V BE 6. à la empéraure ambiae de 7 (3 K), o obie : mv V BE /. 7.4

22 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE.3.. éalisaio d ue esio de référece compesée e empéraure Soi deux jocios p de surfaces différees A E e A E. es jocios so raversées par des couras différes. Figure - : ircui de base permea la mesure de la dérive e empéraure A parir de la Figure -, o peu écrire Δ l l l J J q k A J A J q k q k V V V S E S E S S BE BE BE.5 e pour la dérive e empéraure Δ l J J q k V BE.6 Pour avoir ue dérive e empéraure ulle à la empéraure omiale de ravail, il fau saisfaire à la relaio suivae : '' Δ + V K V V BE BE EF.7 Où ' ' K es à défiir pour saisfaire l égalié. A parir des relaios.3,.6 e.7 o peu écrire l '' + + G BE V V V J J V K γ α.8 E posa ''l J J K K, o obie ) ( BE G V V V V K γ α.9

23 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - J AE Pour, VBE. 6V e 3 K, o a K a esio de sorie de la J AE source de référece «badgap» vau doc V EF V V BE G + KV ( α γ ) V V BE + V G V BE ( α γ ) V. Soi pour ue empéraure de ravail de 7, V EF V Pour ue empéraure de ravail différee de, la dérive e empéraure de V EF e sera pas ulle ( V EF / )..8 Variaio de la esio de référece e focio de la empéraure K δv EF /δ V EF [V.65.6 δv EF /δ 3 K.55 δv EF /δ.5 5 K [ Figure - : Variaio de la esio de référece e focio de la empéraure de focioeme.3.3 éférece de esio badgap de Widlar a Figure -3 illusre ue source de esio classique appelée Widlar. E observa cee figure, o peu écrire la relaio suivae : V BE VBE + 3. a différece ere les esios Base - Emeeur de Q e Q 3 correspod à la chue de esio aux bores de 3 Δ V. BE VBE VBE 3 a esio Base Emeeur d u rasisor es reliée au coura d émeeur. Par coséque o peu écrire : S ΔV BE V l V l V l.3 S S S SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

24 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - Supposos la même chue de esio aux bores de e ( ), alors V BE V BE3. Par coséque ΔV BE V S V S l l S 3 S e fialeme la esio de référece vau S V EF + VBE3 V l VBE3 KV VBE S Figure -3 : éférece de esio «Badgap» de Widlar Exemple : hoisissos K5 e S S e par coséque kω. O peu écrire 3 K Ω k 3.84 l() S l S éférece de esio badgap de Brokaw a Figure -4 more ue aure srucure de référece de esio di de Brokaw. as cee srucure, les deux rasisors NPN so réalisés das la même puce de silicium e présee des caracérisiques que l o peu cosidérer comme ideiques. amplificaeur impose des esios de colleceur ideiques V Q V Q. O peu doc écrire SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

25 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -3.7 a esio de référece es défiie comme V EF VBE + 4,5 ( + ).8 Figure -4 : éférece de esio «BadGap» de Brokaw a différece ere les esios Base Emeeur es liée à la chue de esio das la résisace 3. e plus, les rasisors aya des caracérisiques ideiques, leurs couras de sauraio so ideiques S S. ΔV BE 3 3 VBE VBE V l V l.9 E égligea les couras de base, o peu dire que :.3 3 Fialeme, la esio de référece vau e V EF VBE + 4,5 V VBE + KV + l.3 3 V EF V BE k + 4,5 + l.3 3 q SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

26 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -4 Exemple : hoisissos 5 e sacha que V BE.6V, V BE / -.mv/ e V EF / à 3 K, il es possible de défiir le rappor ere 4,5 e 3. VBE 3 K 3 ( 4,5.4 3).33 k + l q 4,5 Puis la valeur de la esio de référece à 3 K V. V 3 K.34 EF SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

27 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -5.4 ÉFÉENE E ENSON EN EHNOOGE XFE.4. Gééraliés roduie il y a ciq as par Aalog evices, la echologie bipolaire bapisée XFE (exra implaed FE) a pour ambiio de réaliser le meilleur compromis ere brui e cosommaio. a echologie me e œuvre des rasisors à effe de champ do les drais so parcourus par des couras ideiques. a esio de piceme de l u des Fe es acceuée par implaaio d u caal addiioel. a esio de référece e sorie es proporioelle à la différece amplifiée ere les esios de piceme des deux rasisors. e coefficie de empéraure irisèque d u XFE (ppm/ ) es eviro ree fois plus faible que celui d ue référece «badgap», e la courbe de variaio es praiqueme liéaire jusqu aux empéraures exrêmes de la gamme idusrielle éedue. Fialeme, il e résule u desig de correcio e empéraure simplifié e, par coséque, mois bruya. ee correcio s effecue par le biais d u coura proporioel à la empéraure absolue (PA : Proporioal o Absolue emperaure curre). argume de la liéarié du coefficie de empéraure, mis e exergue par le fabrica, es jusifié par le fai qu aux empéraures exrêmes les phéomèes o liéaires so sas cohérece d u produi à l aure. e qui exclu l uilisaio d u circui de compesaio. Efi, à la différece d ue référece à Zeer eerrée, u circui XFE se saisfai d ue esio d alimeaio réduie. Si les caracérisiques géérales des premiers composas XFE les siuaie à mi-chemi des badgap e des Zeer eerrées, ils so aujourd hui plus proches des secodes ciées. Aisi, les circuis de derière gééraio so caracérisés par u brui e sorie dige des meilleures référeces à Zeer eerrée, ou e cosomma u coura ciq fois plus pei..4. Pricipe a opologie de base de la echologie XFE es illusrée à la Figure -5. e cœur de la référece de esio es cosiuée des rasisors JFE Q e Q. eux sources de couras e appairées (mached curre sources) alimee les rasisors JFE. e rasisor Q possède u secod caal, ce qui explique la différece de 5mV ere les esios de piceme V p des deux rasisors pour des couras e ideiques. avec Δ V V V.35 P P P V GS SS.36 VP orsque la empéraure de focioeme d u JFE augmee effes aagoises ierviee : la esio de seuil des jocios Grille-caal dimiue, doc l épaisseur des zoes déserées dimiue, le caal devie plus large, le coura augmee, ou das le cas prése la esio V GS à dimiue, la mobilié des poreurs µ des poreurs dimiue, doc le coura devrai dimiuer. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

28 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -6 V VV Q Q VP PA VEF 3 Figure -5 : opologie de base d ue source de référece basée sur la echologie XFE Pour des faibles valeurs de coura de drai, c es le premier phéomèe qui l empore e par coséque la dérive e empéraure es égaive pour la esio de commade V GS / <. Pour de plus fores valeurs de coura de drai, c es le deuxième phéomèe qui es prédomia e doc V GS / >. Pour les référeces de esio de ype XFE, les couras de drais so rès faible, la dérive e empéraure correspod doc à u coefficie égaif. e source de coura proporioelle à la empéraure compese les effes de la empéraure sur les esios de commade des JFE. Fialeme, la esio de sorie es doée par la relaio + + PA.37 3 VEF Vp + 3 Δ a echologie XFE offre des amélioraios sesibles par rappor aux echologies «badgap» e de diodes zeer eerrées, e pariculier pour des sysèmes où le coura de focioeme es criique e plus la dérive hermique e le brui présee d excellees caracérisiques. es valeurs ypiques so : dérive e empéraure liéaire de l ordre de 3 à 8 ppm/, hysérésis hermique iférieur à 5 ppm sur la plage -4 à +5, dérive sur le log erme excellee, ypiqueme. ppm/ heures. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

29 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -7.5 ÉFNONS ES PAAMÈES POPE AX ENSONS E ÉFÉENE.5. éfiiio des paramères e ableau - more quelques paramères peries d ue référece de esio. l perme oamme ue comparaiso ere les divers echologies de référeces de esio Paramères haler corp. VE35 emperaure age 4 o +85 Maxim MAX65 Aalog evices A93 esio de sorie 5. V 5. V 5. V Erreur iiiale. %.4 %.6 % oefficie de empéraure.6 ppm/ 3. ppm/ 8. ppm/ Brui (. Hz) 3. μv p-p 3. μv p-p 5 μv p-p Hysérésis hermique ppm ppm 5 ppm Sabilié log erme 6. ppm/hrs. ppm/hrs. ppm/hrs Alimeaio 8.V 36V 8.V 36V 6.V 5V emps de sabilisaio à l eclecheme égulaio de lige 8V V i V égulaio de charge ma ou 5mA μs μs < μs 5 ppm/v 35 ppm/v ppm/v 5 ppm/ma 7 ppm/ma ppm/ma ableau - : omparaiso ere rois référeces de esio.5.. Erreur iiiale (iial error) orrespod à l erreur sur la valeur de la esio de sorie après la mise sous esio du circui e la sabilisaio de la empéraure de focioeme. ee mesure se fai sas charge. as la plupar des applicaios cee mesure es la plus imporae des spécificaios..5.. oefficie de empéraure (emperaure coefficie ()) orrespod à ue variaio de la esio de sorie avec u chageme de la empéraure de focioeme exprimée e ppm/. ee valeur es, après l erreur iiiale, la secode plus imporae spécificaio doée par le fabrica. Parmi oues les maières de défiir le coefficie de empéraure, la plus uilisée ie compe des valeurs miimale, maximale e omiale de la esio de sorie aisi que des exrémums de la empéraure de focioeme. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

30 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -8 VMAX VMN 6 [ ppm /.38 V ( ) NOMNA MAX MN ee méhode perme de garair les spécificaios e ermes d erreur pour ue plage de empéraure doée. Néamois elle e doe pas d idicaios sur la forme de la courbe d erreur du composa esé. MN MAX V [V EF imie supérieure imie iférieure V V MAX V NONMA MN SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE empéraure [ Figure -6 : esio de référece e focio de la empéraure A ire d exemple la Figure -6 more le comporeme e empéraure d ue source de esio de référece de 5V avec u coefficie de empéraure de.6 ppm/ sur ue plage de empéraure correspoda à la plage idusrielle (-4 à 85 ). Pour u coverisseur A/N de 4 bis avec ue empéraure idusrielle, le coefficie de empéraure doi êre de ppm/ pour ue erreur de coversio de SB Hysérèse hermique (hermal hyseresis) Sas modificaio de la esio d alimeaio e de la charge, u chageme de la esio de sorie es provoqué par u chageme de la empéraure de focioeme. ors d u cycle de empéraure, c es-à-dire lorsque la empéraure passe d ue valeur iiiale à ue empéraure maximum e revie à sa valeur iiiale, la esio de sorie e repred pas oujours la valeur correspoda à la empéraure de dépar. e comporeme correspod à ue hysérèse hermique. hysérèse hermique es difficile voir impossible à corriger Brui large bade e /f (Noise /f ad broadbad) e brui hermique compred ue parie large bade e ue parie e /d de bade éroie. e brui hermique large bade peu êre filré par u simple réseau. e brui e /f, iéviable pour ue référece de esio e peu pas êre filré. E gééral le brui e /f es spécifié das la bade.hz Hz. e paramère es impora pour le desiger érive sur le log erme (og-erm drif) orrespod à e variaio lee de la esio de sorie sur plusieurs mois de focioeme. a dérive à log erme es e gééral défiie e ppm/hrs. Pour ces diodes Zeer, la dérive à log erme es

31 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -9 de l ordre de 6ppm/hrs. ee dérive décroi expoeielleme avec le emps. es cycles hermiques sur le composa peuve accélérer la sabilisaio de la diode Zeer de référece. Pour des référeces de esio XFE, la dérive à log erme es de l ordre de -.ppm/hrs emps de sabilisaio à l eclecheme (ur-o seig ime) orrespod au laps de emps écessaire pour que la sorie aeige sa valeur omiale (valeur fiale) avec ue olérace défiie. E gééral la olérace es défiie comme les. % de la valeur fiale égulaio de lige (ie regulaio) orrespod à ue modificaio, coiue das le emps, de la esio de sorie lorsque la esio d erée (alimeaio) es modifiée. ee spécificaio iclu pas les rasioires ou les odulaios de la esio d erée égulaio de la charge (oad regulaio) orrespod à ue modificaio, coiue das le emps, de la esio de sorie lorsque la charge es modifiée. ee spécificaio iclu pas les rasioires lors de modificaios de la charge esig du circui imprimé (PB layou) e mauvaise qualié du rouage du circui imprimé peu affecer les performaces de la référece de esio e ermes de brui e de comporeme hermique. es coraies sur le suppor du PB peuve provoquer ue dérive de la esio de sorie. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

32 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page -.6 EE E A ÉFÉENE E ENSON EF.6. escripio du circui PM es à l origie du circui iégré EF. e desig de ce circui a éé repris par Aalog evices e Burr Brow (exas srumes). e schéma simplifié doé par le fabrica es doé à la Figure -7. a base de la référece badgap es cosiuée des rasisors Q e Q aisi que des résisaces,, 3, 4, e. es rasisors Q 3 e Q 4 représee ue paire différeielle suivi d u moage amplificaeur. O peu doc remplacer la parie droie du schéma par u amplificaeur opéraioel classique. poi iéressa à relever es l exisece d ue capacié de compesaio permea ue boe sabilié de la sorie de la référece. e rasisor Q 5 e la résisace 5 permee de limier le coura de sorie (limiaio recagulaire). OP ESSOS EF OPON PO 8kΩ kω 6.kΩ P, S, J, Z PAKAGES 8kΩ 4.5kΩ 5kΩ Q8 Q7 Q4 Q3 Q5 5 NP Q9 Q Q6 Q5 Q Q Q Q7 3 Q Q6 Q9 * 6 OP Q 5 Q Q4 Q Q3.3V 9* M 5 EMP 3 *SEE OP ESSOS * GON 4 Figure -7 : EF, schéma simplifié doé par Aalog evices as le bu de facilié la compréhesio, o peu ecore simplifier le schéma de la Figure -8. Figure -8 : EF : schéma simplifié SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

33 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - e coefficie de empéraure sur les esios Base Emeeur des rasisors Q e Q es de -.mv/. omme démoré au..3, la différece ere les deux esios Base Emeeur des rasisors Q e Q pred la forme suivae : k J ΔV BE VBEQ VBEQ l.39 q J orsque ΔV BE es amplifiée e ajouée à V BE, o obie ue esio de référece V Z avec u coefficie de empéraure ul ( mv/ ) si : k VZ VG ({ α { γ ). 5 q.4 3. e circui simplifié de la Figure -8, more que la desié de coura d émeeur das Q es 6 fois supérieure à celle de Q, produisa ue esio ΔV BE de 7.mV à 5. ee esio, aux bores de, es amplifiée d u faceur 9.3 pour que le coefficie de empéraure (-.mv/ ) de V BEQ soi compesé par le coefficie de empéraure de +.mv/ de V EMP. a esio V EMP es alors égale à 9.3 fois la esio ΔV BE. a esio de référece de sorie V EF correspod à la esio V Z amplifiée du faceur e ableau - doe u aperçu des esios e focio de la empéraure. empéraure ambiae esio A -75 A 5 A 5 k Δ V BE l(6) 47.3mV 7.mV 95.mV q V 9. 3Δ 44mV 66mV 884mV EMP V BE V BE(Q) 8mV 6mV 39mV V V + V.5V.6V.74V Z BE EMP V EF 3.96V Z 4.95V 5.V 5.45V ableau - : esios omiales.6. Exemple de dimesioeme A l aide du circui préseé ci-dessous, o désire réaliser ue mesure de empéraure do les caracérisiques so les suivaes : Echelle de empéraure de mv/, mv/ ou mv/ F ie direce ere la esio mesurée e la empéraure, par exemple -.55V correspod à -55, V à e.5v à 5. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

34 HAPE : ÉFÉENES E ENSON Page - Figure -9 : Mesure de empéraure es poeiomères permee d ajuser l offse e le gai. V ou + a b c + c VEMP VEF a.4 b a e ableau -3 doe u exemple de valeurs pour les résisaces exeres. es dérives e empéraures so prises e compe lors de la calibraio. Plage de empéraure e sesibilié A -55 à 5 A -55 à 5 A -67 F à 57 F mv/ mv/ mv/ F Plage de V ou -.55V à.5v -.55V à.5v -.67V à.57v Offse V@ V@ V@ F a (±%) 9.9kΩ 5kΩ 8.5kΩ b (±%).5kΩ.8kΩ.kΩ bp (poeiomère) Ω Ω Ω c (±%) 5.kΩ 84.5kΩ 7.5kΩ ableau -3 : Valeurs des composas (série E96) 9 Noe : coversio degrés elsius Fahrehei : F SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

35 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-3. NOON 3. égulaeurs liéaires de esio. 3.. Focioeme sadard es circuis élecroiques e peuve focioer que sous ue ou plusieurs alimeaios délivra des esios coiues. es régulaeurs liéaires de esios so des élémes qui peuve remplir ce rôle. e régulaeur liéaire es cosiué d ue source de coura corôlée e esio e do la sorie es asservie de maière à fourir ue esio coiue sable. Figure 3- : Asservisseme de la esio sur ue charge par asservisseme d ue source de coura 3.. Focioeme e mode O as ce mode de focioeme, le régulaeur ravaille comme ue résisace variable. a valeur de la résisace es corôlée e esio de maière à garair ue esio coiue sable aux bores de la charge (diviseur résisif). Figure 3- : Asservisseme de la esio sur ue charge par asservisseme d ue résisace série e mode de focioeme es appelé O (ow ropou) pour désiger ue faible différece de esio ere l erée e la sorie. Pour des charges demada u coura faible, cerais régulaeurs e mode de focioeme O peuve avoir ue chue esio ere 3mV e mv. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

36 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page Boucle de réglage e sabilié Malgré sa facilié d uilisaio, il e fau pas perdre de vue qu u régulaeur liéaire de esio es dépeda de la qualié de sa boucle de réglage iere. l es primordial de bie compredre le focioe de chaque éléme de la boucle afi d assurer ue core-réacio (réacio égaive), codiio idispesable pour assurer la sabilié d u sysème asservi. es variaios de la esio d erée, du coura de sorie (variaio de la charge) aisi que la empéraure de focioeme so aua de perurbaios agissa sur le régulaeur. Figure 3-3 : Mise e évidece de la boucle de core-réacio das u régulaeur liéaire 3..4 mporace de la référece de esio a qualié de la esio de sorie e ermes de sabilié es foreme dépedae de la qualié de la référece de esio. E effe cee derière doi êre aussi idépedae que possible des variaios de la esio d erée e de la empéraure de focioeme. Pour plus d iformaio, se référer au chapire éféreces de esio. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

37 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page OPOOGES ES ÉGAES NÉAES E ENSON 3.. escripio du focioeme a forme la plus géérale d u régulaeur liéaire de esio es illusrée à la Figure 3-4. A l erée du régulaeur es appliqué ue esio variable das le emps V i. e régulaeur délivre à sa sorie ue esio sable e cosae das le emps. poi commu ere l erée e la sorie more qu il y a pas de séparaio galvaique ere elles. a charge doi êre u éléme dissipaif qui peu êre représeé par ue source de coura ou plus simpleme par ue résisace. a puissace oale élecrique fourie au circui es doée par la relaio : P V V + ) 3. i i i i ( GN ou a puissace fourie à la charge vau : P V 3. ou ou ou E par coséque, la puissace dissipée das le régulaeur : P P P ( V V ) + V 3.3 i ou i ou ou i GN O voi que la puissace dissipée das le régulaeur es direceme proporioelle à la différece ere les esios d erée V i e de sorie V ou e le coura circula das la charge ou. e secod erme de la relaio 3.3 more qu ue parie de la puissace dissipée es direceme dépedae du coura de masse GN, c'es-à-dire le coura de polarisaio iere au régulaeur. Figure 3-4 : Forme de base d u régulaeur de esio ors de l uilisaio de rasisor ballas bipolaire le coura de masse GN peu deveir soudaieme rès impora lors de la sauraio dudi rasisor ballas. Par core si le rasisor ballas es u MOSFE, ce phéomèe exise pas car les MOSFE so commadés e esio e o e coura. a Figure 3-5 more plus e déail le coeu d u régulaeur liéaire de esio. esemble des élémes cosiua le régulaeur doi êre cosidéré comme écessaire, excepio faire de la déecio de la surcharge (Overload Sauraio Sesor) e de la commade d acivaio / désacivaio (Shudow orol) du régulaeur. poi impora d u régulaeur es la sabilié e esio. l es doc primordial d avoir ue référece sable das le emps, le plus idépeda possible de la empéraure e de faible brui (voir hapire éféreces de esio :.). SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

38 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-4 Figure 3-5 : Srucure de base d u régulaeur liéaire amplificaeur d erreur, qui joue le rôle de régulaeur de esio es u amplificaeur de esio classique ou u amplificaeur à rascoducace. E focioeme saique ormal, la esio de sorie es liée à la esio de référece par la relaio suivae : V ou V EF O voi que la esio de sorie, e première approximaio, es idépedae de la esio d erée. Pour limier le coura de masse GN, il fau que le coura circula das le circui doa la esio de référece, le coura de commade du rasisor ballas aisi que le coura das le diviseur résisif soie les plus peis possibles. Pour la echologie bipolaire, le coura de masse es de quelques milliampères (ma) alors que pour du MOS, ce coura es rédui à quelques microampères (μa). a commade de désacivaio du régulaeur doi permere o seuleme de supprimer le coura de charge mais égaleme de limier au maximum le coura de masse GN. a limiaio de coura es e gééral cosiué d ue résisace shu pour la mesure suivi d u circui permea de limier le coura à ue valeur maximum (limiaio de coura recagulaire) ou de réduire le coura maximum e focio des codiios de charges (limiaio réerae (foldback). a mesure de la empéraure à l iérieur de semicoduceur peu se faire de plusieurs maières (voir hapire éféreces de esio :..6) 3.. Srucure de l éléme de ballas éléme de ballas (pass devices) es cosiué de u ou plusieurs rasisors bipolaires ou MOS. a Figure 3-6 doe, de maière o exhausive, quelques opologies couramme uilisées. e ableau 3- es ue comparaiso ere les diverses opologies d élémes de ballas. O voi que les opologies NPN e arligo NPN so des élémes suiveurs, ce qui sigifie qu ils o ue relaiveme grade largeur de bade e so peu sesibles aux caracérisiques des codesaeurs de sorie e raiso de leur basse impédace de sorie. Par core ils présee ue chue de esio ere l erée e la sorie relaiveme élevée. a raiso es due à la présece de la esio Base Emeeur V BE e série avec l erée. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

39 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-5 NPN arligo NPN Vi PNP NPN Vmi.5V Vou PNP PNP/NPN MOSFE N MOSFE P Figure 3-6 : Elémes ballas e moage iverseur propre aux opologies PNP e MOSFE perme à l éléme de ballas de ravailler à la limie de la zoe de sauraio. l es doc possible de miimiser la différece de esio ere l erée e la sorie e par coséque d augmeer les performaces du régulaeur e ermes de redeme. a opologie MOSFE perme d obeir ue esio miimale aux bores de l éléme ballas. e rasisor MOSFE peu êre dimesioé pour ravailler das la régio liéaire. NPN arligo NPN PNP PNP/NPN MOSFE P V i -V ou > V i -V ou > V i -V ou >. V i -V ou >.5 V i -V ou > SON ou ou < A ou > A ou < A ou > A ou > A Suiveur Suiveur verseur verseur verseur Z ou faible Z ou faible Z ou grade Z ou grade Z ou grade Grade largeur de bade Grade largeur de bade Faible largeur de bade Faible largeur de bade Faible largeur de bade sesible à ou sesible à ou Sesible à ou Sesible à ou Sesible à ou ableau 3- : omparaiso ere élémes de ballas SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

40 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-6 as ce cas il es impora de miimiser la résisace SON. Pour des raisos d opimisaio, il exise des circuis iégrés permea le corôle d u MSOFE exere. as ce cas o parle de corôleurs de esio par opposiio aux régulaeurs ou l éléme de ballas es iégré. es opologies PNP, PNP/NPN e MOSFE, e focioeme ormal (source de coura) présee des impédaces de sorie élevées, écessia la présece d u codesaeur sur la sorie. es valeurs e ermes de capacié e de résisace série équivalee (ES : equivale serial resisor) du codesaeur de sorie doive êre prises e cosidéraio par le desiger afi d assurer la sabilié de la esio de sorie. e poi es exrêmeme impora e doi êre raié avec soi, ces valeurs dépeda de la empéraure e des oléraces de fabricaio. uilisaio d u MOSFE N impose ue esio V GS supérieure à la esio de seuil V H. as ce cas il es écessaire d avoir ue esio de commade plus élevée que la esio d erée V i pour pouvoir ravailler avec ue faible différece de esio ere l erée e la sorie 3..3 es régulaeurs sadards as le cas des régulaeurs sadards, le rasisor de ballas (Q 5, Q 6 es u moage arligo) ravaille e source de coura corôlée (zoe saurée) e esio. e régulaeur liéaire M37, es u grad classique du gere. a Figure 3-7 représee le schéma simplifié de ce régulaeur. Figure 3-7 : Schéma simplifié du régulaeur M37 E examia sa srucure o voi que la référece es basée sur la cellule de esio de référece badgap de Brokaw (Q 8,Q 6, Q 9, Q 7, 5, 4 ). a esio de référece V EF es fixée à.5v avec u coura de sorie de la cellule de P 5μA. es résisaces exere e B permee d ajuser la esio de sorie à la valeur désirée. + P 3.5 Vou VEF + SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

41 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-7 E choisissa u coura de polarisaio de 5mA, das le diviseur résisif composé de e, le coura de polarisaio P peu êre égligé das les calculs es régulaeurs O escripio a esio di ropou volage correspod à la différece de esio ere l erée e la sorie V i -V ou du régulaeur pour laquelle l asservisseme de la esio de sorie es plus possible. ee siuaio se produi lorsque la esio d erée décroi pour s approcher de la esio de sorie qui elle doi reser cosae. a Figure 3-8 more u régulaeur uilisa u rasisor MOSFE P comme rasisor ballas. uilisaio d u MOSFE N es pas possible car il faudrai alimeer le circui de corôle avec ue esio supérieure à la esio d erée V i. -V S V i -V ou V i S MOSFE aal P G V i ircui de corôle V ou ch Figure 3-8 : Schéma simplifié d u régulaeur O e focioeme d u régulaeur O peu êre expliqué e observa la caracérisique f(v S,V GS ) d u rasisor MOSFE caal P. a Figure 3-9 (a) illusre les deux régios das lesquelles le rasisor MOSFE caal P peu ravailler. as la régio liéaire, le rasisor se compore, e première approximaio, comme ue résisace variable. as la régio saurée, il peu êre assimilé à ue source de coura commadée. es régulaeurs de esio o leurs pois de focioeme das la régio saurée. a Figure 3-9 (b) représee le circui équivale du rasisor lorsqu il ravaille das la zoe liéaire alors que la Figure 3-9 (c) correspod à u poi de focioeme das la zoe saurée. as la zoe saurée, le coura de drai es doé par la relaio : ( V V ) β 3.6 GS H Pour u rasisor MOSFE caal P, β,, V GS e V H so des valeurs égaives. V H représee la esio de seuil (hreshold). orsque V GS < V H le rasisor es bloqué. O voi que pour ue esio V GS doée, le rasisor ravaille comme ue source de coura idéale (pas de résisace iere). a esio V GS ser doc de esio de commade pour la source de coura. as la zoe liéaire, o peu écrire : β β ( VS ( VGS VH )) + ( V S ( V GS V H )) V S β ( V GS V H ) 3.7 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

42 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-8 E focioeme sadard, les pois de focioe se rouve das la zoe saurée. - S (égio liéaire) Mode résisace (égio saurée) Mode source de coura - S -V GSMax P - S - S P V (ropou) P - Smi -V GSMi -V GS -V GSMax -V GS -V GSMi -V H -V S -V S -V S (a) : aracérisique f(v S, V GS ) -V -(V -V ) S i ou (b) : ésisace variable (égio liéaire) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Figure 3-9 : aracérisiques du MOSFE aal P (c) : Source de coura (égio saurée) e rasisor de ballas ravaille das le mode source de coura. E focioeme ormal, la esio sorie V ou es cosae. P représee u poi de focioeme à coura miimal. e poi de focioeme P correspod u coura de sorie maximum. a esio d erée V i es supérieure pour le P e regard de P. e passage ere les pois de focioeme P e P e pose aucu problème excepé ue augmeaio de la puissace dissipée das le rasisor ballas. Si par core, pour u coura de sorie compris das la plage de focioeme, la esio d erée dimiue, le ouveau poi de focioeme peu se rouver das la régio liéaire. e rasisor ballas ravaille comme ue résisace variable. e cas es représeé par le poi de focioeme P. orsque la esio V GS aei sa valeur maximum, le circui d asservisseme e peu maieir la esio de sorie à sa valeur omiale. e régulaeur e focioe doc plus correceme rajecoire du poi de focioeme e focio de la esio d erée a descripio qui sui se réfère à la Figure 3-. omme poi de dépar (P ), o adme que la esio d erée es égale à la valeur maximale admissible. e coura de sorie es focio de la esio de sorie V ou, qui es cosae, e de la résisace de charge ch, qui es égaleme cosae. a esio d erée V i es esuie dimiuée, eraîa ue dimiuio de la esio V S aux bores du MOSFE P. omme ce derier ravaille e mode source de coura, e que la esio de sorie V ou e la résisace de charge de varie pas, la esio V GS e chage pas e par coséque le poi de

43 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-9 focioeme se déplace horizoaleme pour aeidre P puis P. E P le poi de focioeme se rouve à la limie ere les modes source de coura e résisace variable. Si la esio d erée V i coiue à dimiuer, il fau que la esio -V GS augmee pour maieir le coura de sorie cosa. E P 3, la esio -V GS es égale à la esio d alimeaio V i. Par coséque, ue dimiuio de V i provoque ue dimiuio de -V GS. e coura de sorie va dimiuer e par coséque la esio de sorie aussi puisque la résisace de charge es cosae. epuis P 4, le coura de sorie es proporioel à V GS. a esio de sorie dimiue doc plus vie que la esio d erée. l e résule ue augmeaio de la esio -V S. orsque la esio d erée V i aei la valeur de la esio de seuil -V H de la esio -V GS (P OFF ), le MOSFE P se bloque e la esio de sorie devie ulle. - S Mode résisace variable Mode source de coura -V GSMax - S P 3 P P P -V GS3 -V GS{,,} P 4 P 5 -V GS4 P 5 -V GS5 -V S -V S -V S P OFF -V H -V -(V -V ) S i ou Figure 3- : éplaceme du poi de focioeme pour ue dimiuio de la esio d erée à ch ce a Figure 3- more l évoluio des esios de sorie V ou e rai Source V S e focio de la esio d erée V i. O voi sur cee figure que dès que la esio d erée es plus élevée que la esio de seuil du MOSFE P (V i > V H ), la esio de sorie sui la esio d erée jusqu à ce qu elle aeige sa valeur omiale. V i,v ou,-v S V i V imi Zoe de blocage -V S V ou Zoe d'asservisseme -V S -V H V i Figure 3- : esios V S,e de sorie V ou e focio de la esio d erée V i pour ue résisace ch ce SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

44 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3- a différece de esio miimale ere l erée e la sorie correspod au poi où la esio de sorie aei sa valeur de réglage. ee valeur déped du coura raversa l éléme de ballas Exemple d u régulaeur O a Figure 3- more u régulaeur O uilisa u rasisor MOFE P comme ballas. e circui peu êre désacivé ( EN ). as ce cas sa cosommaio devie rès faible (.5μA). E focioeme, le coura propre au bo focioeme du circui iégré es idépeda de la charge (34μA). e coura de sorie maximum es de 5mA. a esio -V S miimale es de 35mV pour u coura de sorie de ma. e composa présee ue aure caracérisique iéressae puisqu il fouri u sigal ommé ESE permea de maieir u ese sable sur les circuis iégrés umériques (microcorôleur, FPGA, ) dura le rasioire d eclecheme. ee sorie peu égaleme êre uilisée pour créer ue séquece d eclecheme des alimeaios. N EN _ + ESE O Vref + elayed _ ese SENSE/FB GN Figure 3- : égulaeur O avec rasisor ballas MOSFE P (PS735) uilisaio de MOSFE P impose u choix pariculier du codesaeur placé sur la sorie de l alimeaio. a raiso de cee coraie es expliquée à la secio 3.3. a Figure 3-3 illusre le cas d u régulaeur avec u rasisor PNP comme ballas. N Q O HEMA POEON AP3333 VE g m S BANGAP EF GN Figure 3-3 : égulaeur O avec rasisor ballas PNP (AP3333) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

45 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3- codesaeur de compesaio perme garair ue boe sabilié du circui même avec u codesaeur do la capacié es de l ordre de μf sur la sorie. uilisaio d u rasisor ballas de MOSFE N ou plus exaceme u MOS perme de dimiuer ecore la résisace SON. e plus il es possible de ravailler e suiveur e par coséque d obeir u sysème d asservisseme sable, même sas codesaeur de sorie. Par core la difficulé majeure vie du fai qu il es écessaire d avoir ue esio de Gae supérieure de V au mois à la esio de sorie (commade du MOS par imposiio de la esio Gae Source V GS ). E mode low dropou (régio liéaire), la esio de Gae es même supérieure à la esio d erée V i. l es doc écessaire de créer ue alimeaio iere à découpage (sas iducace) sous la forme d ue pompe de charge. Pour des raisos de place, la charge à disposiio pour la commade du MOS es limiée. Par coséque la rapidié de l asservisseme es limiée, lors de fores variaios de la esio d erée V i ou de la charge. V N N (fixed oupu versios oly) ow-noise harge Pump N V EF (.6V) N-hael MOS Oupu Eable Over-urre Over emp Proecio V O EG Adj (Adjusable versio) Figure 3-4 : égulaeur O avec rasisor ballas MOSFE N (EG) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

46 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page SABÉ ES ÉGAE O 3.3. roducio Pour pouvoir réaliser ue éude de la sabilié des régulaeurs O, ous pariros d u régulaeur O iégré, uilisa u rasisor MOSFE P. a srucure de ce régulaeur es illusrée à la Figure 3-5. Figure 3-5 : égulaeur O, schéma élecrique focioel simplifié as ce schéma, le rasisor ballas es u MOSFE caal P, les codesaeurs de sorie so d ue par u codesaeur élecrolyique de capacié élevée ( μf) e u codesaeur céramique de faible valeur ( < 47F). a charge es représeée par ue source de coura ch Modèle simplifié par accroisseme des composas du régulaeur O Selo le modèle par accroisseme choisi pour les divers composas cosiua l alimeaio, la complexié des calculs peu deveir iuileme compliquée. Nous allos doc choisir des modèles simples mais représeaifs du focioeme réel du régulaeur. e modèle par accroisseme dyamique du rasisor MOSFE es représeé la Figure 3-6. Figure 3-6 : Modèle dyamique pei sigaux du rasisor MOSFE caal P e modèle correspod au focioeme du MOSFE e source de coura. e modèle simplifié de l amplificaeur différeiel es celui préseé à la Figure 3-7. a focio de rasfer du gai e esio es du premier ordre. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

47 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-3 a AV V diff V diff V ou Figure 3-7 : Modèle simplifié de l amplificaeur opéraioel e codesaeur élecrolyique es préseé par u codesaeur idéal e ue résisace équivalee série ES. oujours das u bu de simplificaio, o adme que la l iducace série équivalee ES es égligeable. e même la résisace d isolaio isol peu êre cosidérée comme ifiie. Figure 3-8 : Modèle du codesaeur élecrolyique Modèle peis sigaux du régulaeur O A parir des modèles simplifiés des composas du régulaeur O, il es possible de cosruire le modèle peis sigaux du régulaeur comple. O rappelle, si besoi es, que les sources o corôlées peuve êre : remplacé par u cour-circui s il s agi d ue source de esio cosae, remplacé par u circui ouver s il s agi d ue source de coura cosa. Figure 3-9 : Modèle peis sigaux du régulaeur O SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

48 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-4 u modèle peis sigaux, o peu déermier le schéma bloc d asservisseme (régulaio de maiie) du régulaeur O. a cosige de esio correspod à la esio de référece alors que la gradeur à régler es la esio de sorie. éude de la sabilié du sysème es réalisée par l observaio de la focio de rasfer e boucle ouvere. e sige (+) de la das la boucle sigifie qu u des blocs coie u sige (-), soi u déphasage de 8. Figure 3- : Schéma bloc de la boucle d asservisseme de la esio de sorie Eude de la focio de rasfer e boucle ouvere Focio de rasfer de l amplificaeur opéraioel a focio de rasfer lia la esio de sorie de l amplificaeur différeiel à la esio différeielle d erée correspod à l amplificaio e esio dudi amplificaeur. G V ( s) A V a( s) 3.8 Vdiff ( s) + s Focio de rasfer lia G à V GS pour le MOSFE a source de esio commadée de l amplificaeur différeiel es coecée à la résisace a e série avec le codesaeur GS, la sorie correspod à la esio V GS aux bores du codesaeur G GS VGS ( s) ( s) V ( s) + s a GS Focio de rasfer de la rascoducace du MOSFE e coura circula das le MOSFE es issu d ue source de coura corôlée par la esio V GS. l s agi e fai de la rascoducace g m du MOSFE. Aeio pour u MOSFE P la coducace g m es égaive. ( s) G MOS ( s) gm 3. VGS ( s) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

49 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page Focio de rasfer lia S du MOSFE à la esio de sorie V ou e coura issu de la source corôlée du MOSFE passe aux ravers des divers composas du circui S //( + )//(/S + ES )//S. Sacha que + >> S, o peu écrire + s ES Z( s) S 3. + s ( + ( + ) ) + s ( ) ES S es u codesaeur élecrolyique alors que es u codesaeur céramique. O peu doc affirmer que >>. e plus la praique more que S > ES. Par coséque la relaio précédee pred la forme suivae : S ES Z ( s) S + s ES S ES ( + s + ) + ( ES S ) s ES + S Focio de rasfer de l orgae de mesure orgae de mesure correspod à u diviseur de esio cosiué des résisaces e G ( s) m V V ( s) ( s) + m 3.3 ou Focio de rasfer e boucle ouvere a focio de rasfer e boucle ouvere es doée par la relaio V G ( s) V diff V m A g ( s) G ( s) m a S + ( s) G GS ( s) G MOS ( s) Z ( s) G ( s) m + s S ES ( + s )( + + ) + ags s ( ES S ) s ES + S ES Exemple umérique Pour illusrer les codiios de sabilié des régulaeurs O, o predra u composa fabriqué par exas srumes. l s agi du PS76433, do les caracérisiques so doées ci-dessous : V EF.V : esio de référece pour 3 K, S 65Ω : résisace e série avec la source de source équivalee, g m -8 S : coducace du MOSFE P, ES mω Ω : résisace équivalee e série avec le codesaeur aale, μf : codesaeur aale de sorie, 47F : codesaeur céramique de sorie, SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

50 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-6 GS pf : codesaeur Gae Source du MOSFE P, a 3kΩ : résisace de sorie de l amplificaeur, A V 56 : gai e esio de l amplificaeur, F 6kHz : fréquece de coupure de l amplificaeur de esio (sysème du er ordre). a Figure 3- more les diagrammes de Bode d ampliude e de phase pour les valeurs exrêmes e ue valeur omiale de la résisace ES. O voi que pour des résisaces équivalees séries de mω e Ω e les marges de phase so rop faibles. a sabilié de l asservisseme es pas garaie. Par core pour ue résisace ES de Ω, la marge de phase es de plus de 6. as ce derier cas la sabilié es assurée. a Figure 3- me e évidece la répose fréqueielle du sysème asservi (boucle fermée). O voi effeciveme que des résoaces se produise pour les valeurs exrêmes de la résisace ES alors que ue valeur iermédiaire, la répose es opimale. a Figure 3-3 fai parie iégrae des doées fouries par le fabrica. O voi que les codiios de sabilié so peu dépedaes du coura de sorie. l e es de même pour les valeurs des codesaeurs céramiques. Focio de rasfer G (f) e boucle ouvere 5 ES Ω G (f) [db -5 ES Ω ES mω arg(g (f)) [egrés ES Ω -9 ES Ω -8 ES mω f [Hz Figure 3- : iagramme de Bode e boucle ouvere 4 Focio de rasfer G ω (f) e boucle fermée ES Ω G o mega(f) [db - -4 ES Ω ES mω f [Hz Figure 3- : iagramme de Bode e boucle fermée SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

51 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-7 YPA EGONS OF SABY OMPENSAON SEES ESSANE (S) vs OP EN YPA EGONS OF SABY OMPENSAON SEES ESSANE (S) vs AE EAM APAANE S ompesaio Series esisac e Ω. egio of sabiliy O μf egio of sabiliy S ompesaio Series esisac e Ω. egio of sabiliy O μf egio of sabiliy O Oupu urre ma Added eramic apaciace μf Figure 3-3 : odiio sur la résisace ES pour assurer la sabilié de l asservisseme Paramères des régulaeurs O esio d erée a esio d erée V i miimale doi êre supérieure à la esio de sorie V ou + V O, idépedamme de la valeur miimale doée das le ableau de sélecio edeme E égligea le coura de repos (q) du O, le redeme peu se calculer aisi : V ou /V i issipaio de puissace (P) P (V i V ou ) ou ; P es limié par le boîier, A e jmax. Pour ue dissipaio de puissace supérieure ou des besois de redeme plus élevé, il es recommade d uiliser des coverisseurs/corôleurs abaisseurs / de esio (Buck) Besoi e codesaeurs erais O écessie des codesaeurs polarisés au aale, avec ES élevé. Si u O es sable sas codesaeur polarisé ou avec des codesaeurs polarisés céramiques à faible ES, il es e gééral sable avec ous les modèles de codesaeurs. es O les plus réces so sables avec des codesaeurs polarisés céramiques à prix modiques Brui e PS Sélecioer u O avec u aux de réjecio des variaios d alimeaio élevé (PS) pour ue immuié au brui provea de l alimeaio d erée e u faible brui e sorie (< 5 μvrms). erais O so doés d ue broche de bypass pour améliorer la performace de filrage du brui e sorie PG/SVS es circuis els que les microprocesseurs, SP e FPGA requière ue esio miimum pour focioer correceme. a focio de corôle de l alimeaio (SVS) surveille les esios du sysème e éme u sigal lorsque les esios chue au-dessous d ue ceraie valeur, permea ue réiiialisaio du sysème ou e évia u dysfocioeme. a focio SVS cofirme le sigal SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

52 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-8 de réacivaio après u laps de emps spécifié alors qu ue focio PG (Power-Good) iègre pas de emporisaeur Proecio du coura de fuie iverse as des applicaios spéciales, où la esio e sorie du O es supérieure à la esio d erée, la focio de proecio du coura de fuie iverse empêche le coura de passer de la sorie du O vers l erée ; ce qui peu edommager l alimeaio d erée, e pariculier das le cas d ue baerie. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

53 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page MAON OAN E SOE 3.4. Gééraliés Pour des raisos évidees de fiabilié, les régulaeurs liéaires de esio so proégés par la limiaio du coura de sorie. E pricipe le composa doi êre capable de supporer la charge hermique lors d ue limiaio de coura permaee. e pire cas correspod à u cour circui de la sorie. Si la empéraure de jocio devie rop élevée, la plupar des composas o ue proecio hermique permea la désacivaio du composa aracérisique recagulaire de la limiaio de coura Première méhode : escripio de la limiaio a Figure 3-4 illusre u exemple de limiaio de coura avec ue caracérisique recagulaire. E effe lorsque le coura raversa la résisace provoque ue chue de esio de.7v eviro, le rasisor Q se me à coduire. e poeiel de la source V S du MOSFE caal P va décroire alors que le poeiel de la grille V G augmee. a dimiuio résulae de la esio V GS place le MOSFE e mode source de coura. Figure 3-4 : aracérisique recagulaire de la limiaio de coura () imesioeme es caracérisiques exeres du régulaeur so les suivas : esio d erée : V i V esio de sorie : V ou 5V esio de référece : V EF.5V oura maximum : A a résisace shu ( ) es dimesioée de maière à avoir ue chue de esio de.7v à ces bores lorsque le coura maximum la raverse. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

54 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3- VJ.7.7Ω / W 3.5 sh M euxième méhode : escripio de la limiaio a Figure 3-5 more ue aure possibilié de réaliser ue limiaio recagulaire. as ce cas, la esio aux bores de la résisace shu ( sh ) es mesurée à l aide d u amplificaeur différeiel. e comporeme es approximaiveme le même que pour la méhode précédee mais la chue de esio aux bores de la résisace shu peu êre limiée à ue esio plus basse que la esio de jocio. Figure 3-5 : aracérisique recagulaire de la limiaio de coura () e réseau de résisaces,, 3, 4 es choisi de maière à ce que la esio différeielle ere les bores (+) e (-) de l amplificaeur soi égaif pour des couras iférieurs au coura limie e posiif au-delà. Par coséque, pour les faibles couras ( < M ), la sorie de l amplificaeur es e limiaio iférieure (sauraio) e la diode es bloquée. asservisseme de la esio de sorie focioe ormaleme. Au mome ou la esio sur les erées de l amplificaeur chage de sige ( M ), la diode devie coducrice e pas coséque la esio V GS du MOSFE caal P es limiée provoqua du même coup ue limiaio du coura de sorie imesioeme es caracérisiques exeres du régulaeur so les suivas : esio d erée : V i V esio de sorie : V ou 5V esio de référece : V EF.5V oura maximum : M A hue de esio maximale sur : V MAX.V a résisace shu ( sh ) es dimesioée de maière à avoir ue chue de esio de.v à ses bores lorsque le coura maximum la raverse. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

55 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3- VMMAX..Ω / W 3.6 sh 4 M es résisaces, 3, 4 so choisies de maière à avoir u coura égligeable par rappor au coura à limier, par exemple 3 4 kω. es alors déermié par la relaio suivae Vi sh M 4 ( 9.8k ) 3.7 V Ω i E pricipe 5 doi êre le plus grad possible. E praique cee valeur doi êre ajusée e focio du ype d amplificaeur opéraioel choisi. a limiaio de coura es focio de la esio d erée V i. l fau vérifier que pour les exrêmes de V i, la limiaio de coura rese das des limies accepables ésavaage de la caracérisique recagulaire de limiaio de coura ors d u cour-circui permae, la puissace dissipée par le MOSFE caal P es égale à P V Q i M 3.8 e rasisor doi êre dimesioé pour eir cee charge hermiqueme. l faudra doc choisir u boiier relaiveme gros ou ajouer u radiaeur. as les cas ou la place dispoible doi êre miimisée, il es impora d uiliser ue aure approche pour la limiaio de coura. 9 aracérisique recagulaire de la limiaio de coura P QMAX 8 V ou [V P Q [W V ou f() P Q f() [A Figure 3-6 : aracérisique recagulaire de la limiaio de coura SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

56 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page aracérisique réerae (foldback) de la limiaio de coura escripio de la limiaio E plaça la limiaio sur la mesure de coura sur la sorie, la caracérisique de la limiaio es de ype réerae. E effe lorsque le coura de limiaio es proporioel à la esio de sorie esio de sorie. Grâce à ce comporeme, la puissace dissipée das le rasisor MOSFE caal P dimiue. S sh 6 G Q 8 5 V i 7 V ou V EF Figure 3-7 : aracérisique réerae de la limiaio de coura imesioeme es caracérisiques du régulaeur so ideiques au cas de la limiaio recagulaire ( 3.4.). esio d erée : V i V esio de sorie : V ou 5V esio de référece : V EF.5V oura maximum : M A hue de esio maximale sur : V MAX.V a résisace shu ( sh ) es dimesioée de maière à avoir ue chue de esio de.v à ces bores lorsque le coura maximum la raverse. VMMAX..Ω / W 3.9 sh 4 M es résisaces, 3, 4 so choisies de maière à avoir u coura égligeable par rappor au coura à limier, par exemple 3 4 kω. es alors déermié par la relaio suivae V sh M 4 ( 9.6kΩ) V + avec V ounom 5V. ounom 3. ounom sh M SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

57 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page 3-3 E pricipe 5 doi êre le plus grad possible. E praique cee valeur doi êre ajusée e focio du ype d amplificaeur opéraioel choisi. E limiaio, le lie ere le coura de limiaio e la esio de sorie es doé par la relaio suivae : V oum sh M Avaage de limiaio réerae du coura O voi que das le cas de la limiaio réerae, la puissace maximale dissipée par le rasisor MOSFE es limiée au poi de focioeme ormal maximum. 5.5 aracérisique réerae de la limiaio de coura V ou [V P Q [W P Q f() P QMAX.5 roie de limiaio [A Figure 3-8 : aracérisique réerae de la limiaio de coura SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

58 HAPE 3 : ÉGAES NÉAES E ENSON Page POEON HEMQE E gééral les régulaeurs so proégés core les échauffemes excessifs. e possibilié es de jouer sur la dérive hermique d ue diode Zeer (coefficie de empéraure posiif V Z > 5.V). a Figure 3-9 more u el cas. O voi qu a 6, le rasisor Q devie coduceur. Q dérive le coura de base de Q e par coséque impose ue dimiuio du coura das le rasisor de ballas, ceci jusqu à ce qu u équilibre hermique soi aei. Figure 3-9 : Pricipe de la proecio hermique SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

59 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-4. Alimeaios à découpage à iducace simple 4. NOON 4.. Gééraliés O disigue e gééral deux classes de coverisseurs / : les coverisseurs qui débie sur u récepeur desié à êre alimeé sous ue esio coiue variable, appelés variaeur de coura coiu à pulsaio, les coverisseurs desiés à fourir à leur sorie ue esio coiue cosae pour servir d'alimeaio régulée vis-à-vis de divers équipemes. as ce chapire, ous ous iéresseros à la deuxième caégorie qui cosiue les alimeaios à découpage. es alimeaios à découpage se disigue des variaeurs o seuleme par leurs codiios de focioeme (esio de sorie cosae au lieu de esio de sorie variable), mais surou par le fai qu'elles icorpore d'ordiaire u rasformaeur qui assure ue isolaio galvaique ere l'erée e la sorie, e qui souve, iervie das le pricipe même de focioeme des alimeaios à découpage. e pricipe de focioeme des alimeaios à découpage diffère oaleme de celui des alimeaios à régulaeur coiu série. E effe das ue alimeaio à découpage, le rasisor de régulaio focioe e ierrupeur corôlé (régime de commuaio) alors que pour ue alimeaio coiue série, le rasisor de régulaio focioe e régime liéaire. es avaages liés à la commuaio so : u redeme élevé, quel que soi l écar de esio erée-sorie. Focioeme e abaisseur, élévaeur ou iverseur de esio. Ecombreme rédui. Par core les icovéies so : circui d asservisseme plus complexe Odulaio résiduelle plus élevée Gééraio de parasies e H.F. (F) Brui résiduel épose rasioire lee Nécessie obligaoireme ue iducace ou u rasformaeur H.F. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

60 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4- Nécessie ue charge miimale afi d évier le passage ere deux modes de focioeme que so le «mode coiu» e «le mode iermie» es alimeaios à découpage à iducace simple so les plus couraes. Elles so simples à cocevoir e peuve débier des puissaces élevées Quare élémes fodameaux so uilisés : e iducace e diode coaceur saique a fréquece de ravail, c es-à-dire la fréquece de commuaio du coaceur saique, es assez élevée : 5kHz à 5kHz. e fréquece de ravail élevée perme de réduire l ecombreme de l iducace e de la capacié de filrage de réduire l odulaio résiduelle a régulaio de esio s effecue e modula le rappor cyclique des sigaux de commuaio. Elle fai souve appel à u circui iégré spécifique. e chapire es cosacré à la préseaio des srucures des alimeaios à découpage sas rasformaeur iermédiaire. Nous supposeros ou au log de cee préseaio que ous avos à faire à des sources parfaies des ierrupeurs parfais des commuaios isaaées 4.. éfiiio des sources e des récepeurs Pour déermier si ue source ou u récepeur réel doi êre cosidéré comme éa ue esio ou u coura e évaluer das quelle mesure so comporeme se rapproche de celui d'ue source ou d'u récepeur parfai, il fau cosidérer deux échelles de emps : la première, qui es de l'ordre de la microsecode, correspod à la durée des commuaios des semicoduceurs d'u éa à l'aure (fermeure ou ouverure), la deuxième, qui es de l'ordre de la ceaie de microsecode, correspod à la durée des cycles d'ouverure fermeure des semicoduceurs au sei de l alimeaio à découpage. 'es l'échelle des emps correspoda aux commuaios qui fixe la aure des sources e des récepeurs e source ou u récepeur es ue source ou u récepeur de coura si o e peu pas ierrompre le coura i qui y circule par ue commade à l'ouverure d'u semicoduceur. ee ierrupio provoquerai des pics imporas das l'ode de la esio u. es pics (di/d) apparaîraie dès que la source ou le récepeur aurai ue iducace iere o égligeable compe eu de la rapidié de variaio du coura (di/d). e source ou u récepeur es de esio si o e peu pas faire varier brusqueme la esio u à ses bores par ue commade à la fermeure d'u semicoduceur. e SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

61 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 eclecheme eraîerai des pics rop imporas das l'ode du coura i. es pics ( du/d) apparaîraie dès que la source ou le récepeur aurai ue capacié d'erée o égligeable vu la rapidié de variaio de la esio (du/d) 'échelle des emps liée à la durée des cycles d'ouverure e fermeure des semicoduceurs au sei de des alimeaios à découpage, c'es-à-dire l'échelle des emps liée à la fréquece de commuaio, idique das quelle mesure o peu cosidérer ue source ou u récepeur comme parfai. E effe, c'es la fréquece de commuaio de l alimeaio à découpage qui fixe la fréquece de la composae parasie présee sur la esio u aux bores d'ue source ou d'u récepeur de coura. elui-ci es d'aua plus parfai que so impédace es plus élevée à cee fréquece, la fréquece de la composae parasie présee das le coura qui raverse ue source ou u récepeur de esio. elui-ci es d'aua plus parfai que so impédace es plus faible à cee fréquece Semicoduceurs dispoibles comme focio ierrupeur. es deux ypes de semicoduceurs les plus uilisés das les alimeaios à découpage so la diode e le rasisor MOSFE associé à ue diode de coducio ou l'gb do les caracérisiques so représeées à la Figure 4. ouverure e fermeure spoaée i Q i Q fermeure commadée ouverure comadée u Q u Q iode {MOSFE+iode de coducio} ou GB Figure 4.: epréseaio schémaique des ierrupeurs dispoibles SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

62 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page NOAONS SÉES 4.. éfiiio as l'aalyse des alimeaios à découpage e régime permae (sigaux périodiques), il es impora de faire ue disicio ere valeurs isaaées, valeurs moyees (valeurs ) e valeurs aleraives (valeurs A). a Figure 4. illusre ces propos x() X X [ e X [ d ΔX Δx [ e Δx Δx [ d e d e d Figure 4. : epréseaio symbolique des divers paramères d'ue variable es oaios choisies so les suivaes : X valeur coiue () de la variable x : poi de focioeme. [ X i valeur moyee de la variable x sur u iervalle de emps i. Δ x valeur aleraive (A) isaaée de la variable x. [ i Δ x variaio de la variable x sur u iervalle de emps i. Δ X Odulaio de la variable x. x valeur isaaée de la variable x : x X + Δx avec X p e p p + p [ e [ p e ( X + ( ) X ) e X x( ) d p [ e p + ( e p e e ) X x( ) d + [ p e p e X x( ) d [ e + ( ) X [ d 4. e e d p e 4. p SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

63 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page AMENAONS À ÉOPAGE NON ÉVESBES À ASON EE 4.3. Gééraliés Propriéés commues es alimeaios à découpage à liaiso direce à deux ierrupeurs o oues le même schéma de focioeme le premier ierrupeur Q perme de relier l'erée à la sorie, le secod ierrupeur Q cour-circuie la source de coura quad Q es ouver. es éas des deux ierrupeurs doive êre complémeaires pour que la source de coura e soi jamais e circui ouver e que la source de esio e soi jamais cour-circuiée. Pour régler le rasfer d'éergie, o applique aux ierrupeurs ue commade périodique. a période de pulsaio p de celle-ci peu-êre choisie arbiraireme das la mesure où la source e le récepeur que relie l alimeaio à découpage se compore comme des circuis à fréquece de commuaio ulle. a esio aux bores de la source ou du récepeur. ee esio es cosae dura la période de pulsaio p de focioeme de l alimeaio à découpage e coura relaif à la source ou au récepeur de esio. e coura raversa la source ou le récepeur de coura. e coura es cosa dura la période de pulsaio p de focioeme de l alimeaio à découpage a esio relaive à la source ou au récepeur de coura. i i Q Q i Q ' Q u' Figure 4.3 : epréseaio schémaique d'ue alimeaio à découpage à liaiso direce à deux ierrupeurs Hacheur série e hacheur série commade le débi d'ue source de esio das u récepeur de coura Hacheur parallèle e hacheur parallèle perme de varier le coura fouri par ue source de coura das u récepeur de esio. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

64 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page AMENAON SÉE O ABASSESE E ENSON ee alimeaio (Buck coverer ou sep-dow coverer) uilise u coaceur saique série qui doi êre alimeé par ue source de esio e débier sur ue source de coura. a charge e le codesaeur apparaissa comme u récepeur de esio, il fau ajouer ue iducace série pour réablir le caracère de récepeur de coura vis-à-vis de la sorie de l alimeaio à découpage propreme die. O arrive aisi au schéma de la Figure 4.4 Source de esio écepeur de coura i i i i Q u u i Figure 4.4 : epréseaio schémaique d'ue alimeaio abaisseuse de esio 4.4. oducio coiue elaios géérale pour la coducio coiue < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui i i i i i i i i i i u u u u Hypohèse : u c Δu c, l'odulaio de la esio aux bores du codesaeur es ulle esio aux bores de l'iducace i [ e [ d [ e Δ [ d Δ e d oura moye das le codesaeur [ e [ e [ e [ [ d [ d + oura moye fouri par l'alimeaio (coura moye das le rasisor Q) [ e [ e oura moye das la diode d + + [ d [ e [ d [ d i SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

65 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-7 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Valeurs moyees podérées - ) ( ) ( ) ( [ [ + d e ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ d e d e + [ [ ) ( d e + ) ( ) ( [ [ ) ( Odulaio de coura das le domaie de la coducio coiue e coura circula das l'iducace présee l'odulaio suivae : < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui u u i i i i i u u i i i i i Odulaio de coura aux bores de l'iducace e e i e e Δ [ [ d d i d d Δ [ [ [ [ d e i i Δ Δ Δ ) ( ) ( i i p p MAX MN Δ a Figure 4.5 doe les formes d'odes des pricipales gradeurs das les codiios ormales de focioeme, c'es-à-dire quad le coura i diffère de zéro ou au log de la période de hachage ou quad o es e coducio coiue.

66 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-8 u i MAX u, i i i MN - c i - c i i MAX i MN i i MAX i MN i e p Figure 4.5 : oducio coiue E coducio coiue, l'alimeaio abaisseuse de esio es équivalee à u rasformaeur ou le rappor du ombre de spires de ce rasformaeur peu êre coiuelleme corôlé élecroiqueme ere e par variaio du rappor cyclique. Pour u rappor cyclique doé, la esio de sorie es rès peu dépedae de la charge. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

67 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Odulaio du coura i e choix de Grâce à la relaio p Δ i i ( ) MAX MN 4.3 doa l'odulaio de coura das l'iducace e coducio coiue e du rappor cyclique, e sacha que l'odulaio de coura es maximale pour.5 o peu écrire pour u coura d'odulaio maximum désiré 4.4 p 4Δ max a valeur maximum admissible pour Δ résule d'u compromis : ue valeur rop faible de Δ codui à ue valeur excessive de l'iducace, ue valeur rop élevée de Δ augmee la valeur maximale de coura que les ierrupeurs Q e doive supporer, le maximum correspod e oure au coura que Q doi pouvoir ierrompre, ue valeur rop élevée de Δ augmee aussi la largeur de la zoe correspoda à la coducio discoiue, c'es-à-dire de la zoe où, à rappor cyclique doé, la esio de sorie de l'alimeaio varie foreme e focio du coura débié Odulaio de la esio de sorie u, choix de as l'aalyse précédee, ous avos fai l'hypohèse que le codesaeur de sorie avai ue capacié suffisamme grade pour assurer ue esio de sorie cosae, soi u. epeda, l'odulaio peu êre esimée e admea que le coura das le codesaeur es égal à l'odulaio de coura de l'iducace. Aureme di, o fai l'hypohèse que l'odulaio das la charge () es ulle. A l'aide de la Figure 4.6 o peu voir que pour chaque demi-période de pulsaio p, le codesaeur emmagasie ou resiue ue charge coduisa à ue variaio de la esio aux bores du codesaeur esimée à sacha que o peu écrire ΔQ Δ p Δ 4.5 p p Δ ( ) ( ) 4.6 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

68 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4- p Δ ( ) ou ecore e valeur relaive Δ p ( ) l'odulaio absolue maximale a lieu pour u rappor cyclique.5 Δ e par coséque p 3 max 4.9 3Δ p c max 4. a relaio 4.8 more que l'odulaio relaive es idépedae de la charge. i ΔQ Δ p u Δ Figure 4.6 : Odulaio de la esio de sorie u Aalyse fréqueielle E aalysa aeiveme l'alimeaio abaisseuse de esio, o remarque que l'iducace e le codesaeur forme u filre du ème ordre ou la résisace de charge joue le rôle d'amorisseme. E posa pour la fréquece de pulsaio SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

69 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4- f p 4. p e pour le filre, ue fréquece de coupure doée par f c π 4. o obie, à l'aide de la relaio 4.8, pour l'odulaio relaive de esio Δ π ( ) fc f p 4.3 ee relaio more que l'odulaio de esio peu êre miimisée e fixa la fréquece de coupure du filre passe-bas à ue valeur rès iférieure à la fréquece de pulsaio f p Froière ere le mode coiu e iermie orsque le coura moye das la charge es égal à la moiié de l'odulaio de coura das l'iducace, o se rouve à la limie ere la coducio coiue e la coducio iermiee. M Δ p ( ) 4.4 e coura moye maximum M(MAX) das la charge es obeu lorsque. O peu doc écrire la relaio e M p ( MAX ) 4.5 M M ( MAX ) ( ) oducio iermiee as le cas de la coducio iermiee, le coura das l'iducace s'aule peda les iervalles de déclecheme de l'ierrupeur Q. 'odulaio de coura das l'iducace vau d'où l'o ire ' Δ e d 4.7 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

70 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4- ' d ( ) e 4.8 u u u,i - i MAX i i - i i MAX i i MAX i e ' d p Figure 4.7 : oducio iermiee SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

71 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 e coura moye de sorie, correspoda au coura moye das l'iducace s'obie e faisa u calcul de surface moyee (ampliude emps) à parir de la Figure 4.7 ( ' e e + d ) 4.9 p e uilisa les relaios 4.5 e 4.8, e après quelques calculs p e ( ) MMAX ( ) 4. p aracérisique saique avec esio de sorie cosae. as des codiios ormales d'uilisaio, la esio de sorie es asservie par modificaio du rappor cyclique e maieue à ue valeur cosae même lors de flucuaio de la esio d'erée (par exemple sorie d'u po redresseur moophasé).e la relaio 4. o peu écrire M ( MAX ) 4. ( ) a Figure 4.8 illusre la caracérisique saique correspoda au cas où la esio de sorie es maieue cosae oducio coiue M M (MAX ) oducio iermiee M (MAX ) Figure 4.8 : aracérisique saique à esio de sorie cosae : ce SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

72 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-4 E coducio iermiee, la esio de sorie es foreme dépedae de la charge pour u rappor cyclique cosa. as ce cas, c'es la boucle de réglage qui doi ierveir de maière efficace pour corriger le rappor cyclique iagramme srucurel as u premier emps écrivos les équaios du sysème das les deux opologies défiies par l'éa des coaceurs saiques. Q : ON, : OFF di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) i + ( ) d () i ( s) ( u ( s)) + s s u ( s) () u s i + ( ) ( ( ) ) s s 4. Q : OFF, : ON (i ()>) o a di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) i + ( ) d () i ( s) ( u ( s)) + s s u ( s) () u s i + ( ) ( ( ) ) s s 4.3 Q : OFF, : OFF (i ()) o a u () i ( ) di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) i ( ) + d i ( s) u ( s) u ( s) () u ( s) ( ) + s s 4.4 esio d'eree (s) d d(s) d\ Geeraeur PWM u'(s)(s)*d(s)-u(s) if (i> or u'>) ON else OFF oura iiial das l'iducace u(s) i i() s i(s) esio iiiale aux bores du codesaeur i(s) i(s) u u() s u(s) iode Figure 4.9 : iagramme srucurel SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

73 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page AMENAON E YPE PAAÈE O ÉÉVAE E ENSON ee alimeaio (Boos coverer ou Sep-up coverer) uilise u coaceur saique parallèle qui doi êre alimeé par ue source de coura e débier das ue source de esio. e récepeur propreme di, cosiué par la résisace e le codesaeur de filrage moé e parallèle à ses bores, a le comporeme d ue source de esio exigée par l alimeaio à découpage. Par core il fau placer ue iducace e série avec la source d'alimeaio de esio pour la rasformer e source de coura. O aboui aisi au schéma de la Figure 4. Source de coura écepeur de esio i i u u Q Q i Q i i Figure 4. : epréseaio schémaique d'ue alimeaio élévarice de esio 4.5. oducio coiue elaio géérale e coducio coiue < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui i i i i i i i Q i i i Q i i u u Q u u Q Hypohèse : u c Δu, l'odulaio de la esio aux bores du codesaeur es ulle esio aux bores de l'iducace [ e [ d [ i e Δ [ i d Δ e d oura moye das le codesaeur [ e [ e [ [ d [ d + + oura moye fouri par l'alimeaio [ e [ e d + [ d oura moye das la diode [ e [ d [ d SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE [ d

74 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-6 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Valeurs moyees podérées - ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ + d e ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ d e ) ( d e + + ) ( ) ( [ [ d e + ) ( ) ( [ [ ) ( Odulaio de coura das le domaie de la coducio coiue e coura circula das l'iducace présee l'odulaio suivae : < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui u Q u i i i i i Q i u Q u i i i i i Q i Odulaio de coura aux bores de l'iducace e e i e e Δ [ [ d d i d d Δ [ [ [ [ d e i i Δ Δ Δ i i p p MN MAX Δ ) ( a Figure 4. doe les formes d'odes des pricipales gradeurs das les codiios ormales de focioeme, c'es-à-dire quad le coura i diffère de zéro ou au log de la période de hachage ou quad o es e coducio coiue.

75 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-7 u Q c uq u, i i MAX i MN i - c i Q i MAX i MN i i MAX i i MN i e p Figure 4. : oducio coiue E coducio coiue, l'alimeaio élévarice de esio es équivalee à u rasformaeur ou le rappor du ombre de spires de ce rasformaeur peu êre coiuelleme corôlé élecroiqueme ere e " " par variaio du rappor cyclique. Pour u rappor cyclique doé, la esio de sorie es idépedae de la charge. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

76 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Odulaio du coura i e choix de Grâce à la relaio p Δ i i MAX MN 4.5 doa l'odulaio de coura das l'iducace e coducio coiue e du rappor cyclique, e sacha que l'odulaio de coura es maximale pour o peu écrire pour u coura d'odulaio maximum désiré 4.6 p Δ max a valeur maximum admissible pour Δ résule d'u compromis ideique à celui de l'alimeaio série ou abaisseuse de esio (voir 4.4..) Odulaio de la esio u. hoix de 'odulaio de la esio de sorie (esio aux bores du codesaeur) peu êre calculée e cosidéra que le coura das la charge es cosa e égal au coura moye das la diode. l es doc possible de racer la forme du coura i circula das le codesaeur. a forme du coura circula das le codesaeur e de la esio à ses bores so illusrés à la Figure 4.. i ΔQ e ΔQ p u Δ e p Figure 4. : Odulaio de la esio de sorie E régime permae, l'odulaio de esio aux bores du codesaeur vau SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

77 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-9 ΔQ e c p Δ c 4.7 'odulaio relaive découle direceme de la relaio précédee Δ c c p Froière ere le mode coiu e iermie orsque le coura moye das l'iducace es égal à la moiié de l'odulaio Δ, o aei la limie de la coducio coiue. O peu écrire pour le coura limie moye das M p Δ ( ) 4.9 e coura moye maximum M(MAX) das l'iducace es obeu lorsque.5. O peu doc écrire la relaio M ( MAX ) 8 p 4.3 Sacha que le coura das l'iducace es ideique au coura d'erée, il es possible de calculer la valeur du coura moye de sorie à la limie de la coducio coiue. A l'aide de la relaio lia le coura das la résisace de charge au coura das l'iducace e de la relaio 4.9, o a M p ( ) ( ) M 4.3 e coura moye maximum M(MAX) das la charge es obeu lorsque /3. O peu doc écrire la relaio M p 4.3 ( MAX ) 7 E erme de leur maximum, les couras à la limie de la coducio coiue s'exprime par les relaios suivaes M 4 ( ) 4.33 M ( MAX ) 7 4 ( ) M M ( MAX ) 4.34 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

78 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page oducio iermiee a coducio es die iermiee lorsque le coura s'aule das l'iducace peda le laps de emps où le rasisor Q es ouver. e cas se produi lorsque pour u rappor cyclique doé, la charge représeée par dimiue ( augmee). e coura moye dimiue alors que l'odulaio rese cosae, ceci jusqu'à ce que le coura s'éeige das l'iducace ava la fi de la période de pulsaio. u Q c i MAX u, i i - c i Q i MAX i i MAX i i e p ' d Figure 4.3 : oducio iermiee SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

79 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4- SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE omme pour le cas de la coducio coiue, e régime permae la esio moyee aux bores de l'iducace es ulle ) ( ' + p d p e 4.35 e doc o obie pour le emps d'exicio e d ' 4.36 e coura moye das la charge peu êre exprimé à l'aide de la relaio suivae p d MAX p e p i d i ' ) ( 4.37 avec e MAX i 4.38 e fialeme ' ' i p p e d p d MAX aracérisique saique avec esio sorie cosae as la plupar des applicaios uilisa des alimeaios élévarices de esio, la esio de sorie es maieue cosae. Par coséque, avec cosae, o peu racer les coura M e M e focio du rappor cyclique. a variaio du rappor cyclique es e relaio direce avec les variaios de la esio d'erée. a Figure 4.3 more doc les couras moyes correspoda à la limie de la coducio coiue. es couras moyes supérieurs aux courbes respecives de M e M pour e eraîe u focioeme e coducio coiue alors que des valeurs iférieures correspode à ue coducio discoiue. e la relaio 4.39 o peu écrire 4 7 ) ( MAX M 4.4 puis

80 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-4 ( ) M ( MAX ) M, M p / p /.5 M p / (-) /7 /4 M p / (-) Figure 4.4 : ouras moyes das l'iducace e das la charge correspoda à la limie de la coducio coiue pour ce M M (MAX ) oducio coiue oducio iermiee M (MAX ) Figure 4.5 : aracérisique saique à esio sorie cosae ce SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

81 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 omme pour l'alimeaio abaisseuse de esio, la esio de sorie es foreme dépedae de la charge pour u rappor cyclique cosa. as ce cas, c'es la boucle de réglage qui doi ierveir de maière efficace pour corriger le rappor cyclique iagramme srucurel as u premier emps écrivos les équaios du sysème das les deux opologies défiies par l'éa des coaceurs saiques Q : ON, : OFF di ( ) d du ( ) u ( ) + d () i ( s) + s s u ( s) () u s + ( ) ( ) s s 4.4 Q : OFF, : ON (i ()>) o a di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) i + ( ) d () i ( s) ( u ( s)) + s s u ( s) () u s i + ( ) ( ( ) ) s s 4.43 Q : OFF, : OFF (i ()) o a u () i ( ) di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) + d i ( s) u ( s) u ( s) () u ( s) ( ) + s s 4.44 esio d'eree (s) oura iiial das l'iducace i i() iode esio iiiale aux bores du codesaeur u u() d d(s) d\ Geeraeur PWM u'(s)(s)-u(s)*d\(s) if (i> or u'>) ON else OFF u(s) s i(s) i(s) i(s) s u(s) iode Figure 4.6 : iagramme srucurel SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

82 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page AMENAON À ÉOPAGE NON ÉVESBE A ASON NEE 4.6. Gééraliés es alimeaios à découpage idirec e so guères uilisées e moyee e e fore puissace. eur domaie d'applicaio quasi exclusif es celui des alimeaios à découpage de faible puissace focioa à des fréqueces ulrasoores. Par coséque, ous ous limieros à l'éude de l alimeaio à découpage à sockage iducif Hacheur à sockage iducif a srucure du hacheur à sockage iducif exige que les circuis coecés à ses accès soie des sources de esio, o peu direceme relier à so erée, la source d'alimeaio, à sa sorie, l'esemble filre capaciif-récepeur. a pricipale imperfecio à cosidérer es liée à l'odulaio du coura das l'iducace de sockage. ee alimeaio (Buck-Boos coverer ou sep-dow/up coverer) peu êre obeue par ue coexio e cascade d'ue alimeaio abaisseuse de esio suivie d'ue alimeaio élévarice de esio. E régime permae, le rappor de coversio de esio ere la sorie e l'erée es le produi des rappors de coversio de esio des deux alimeaios e cascade, ceci e supposa que le rappor cyclique de commuaio des rasisors es ideique pour les deux alimeaios el rappor de coversio perme à la esio de sorie d'êre supérieure ou iférieure à la esio d'erée, ceci e focio de la valeur du rappor cyclique a mise e cascade de ces deux alimeaios (abaisseuse e élévarice) peu êre remplacée par ue alimeaio die à sockage iducif Figure 4.7 : ombiaiso des alimeaios abaisseuse e élévarice de esio SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

83 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-5 e la combiaiso meioée au-dessus, o obie le schéma de la Figure 4.8 Source de esio écepeur de esio i i i i i Q u u Figure 4.8 : epréseaio schémaique d'ue alimeaio à sockage iducif oducio coiue elaios géérales e coducio coiue < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui i i i i i i i i i i u u u u Hypohèse : u c Δuc, l'odulaio de la esio aux bores du codesaeur es ulle esio aux bores de l'iducace [ e [ d [ i e Δ [ i d Δ e d oura moye das le codesaeur [ e [ e [ d [ d [ d oura moye fouri par l'alimeaio (coura moye das le rasisor Q) [ e [ e oura moye das la diode [ e [ d [ d [ d SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

84 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-6 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Valeurs moyees podérées - ) ( ) ( ) ( [ [ + + d e ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ + + d e ) ( d e + [ [ ) ( d e + ) ( ) ( [ [ ) ( Odulaio de coura das le domaie de la coducio coiue e coura circula das l'iducace présee l'odulaio suivae : < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui u u i i i i i u u i i i i i Odulaio de coura aux bores de l'iducace e e i e e Δ [ [ d d i d d Δ [ [ [ [ d e i i Δ Δ Δ ) ( i i p p MN MAX Δ a Figure 4.9 doe les formes d'odes des pricipales gradeurs das les codiios ormales de focioeme, c'es-à-dire quad le coura i diffère de zéro ou au log de la période de hachage ou quad o es e coducio coiue.

85 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-7 u Q - u,i i c i Q i i i e p Figure 4.9 : oducio coiue E coducio coiue, l'alimeaio à sockage iducif es équivalee à u rasformaeur ou le rappor du ombre de spires de ce rasformaeur peu êre coiuelleme corôlé élecroiqueme ere e " " par variaio du rappor cyclique. Pour u rappor cyclique doé, la esio de sorie es idépedae de la charge. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

86 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page Odulaio du coura i e de la esio u. hoix de e de Odulaio du coura i e choix de Grâce à la relaio p Δ i i MAX MN 4.46 doa l'odulaio de coura das l'iducace e coducio coiue e du rappor cyclique, e sacha que l'odulaio de coura es maximale pour o peu écrire pour u coura d'odulaio maximum désiré p Δ max 4.47 e résula es ideique à celui de l'alimeaio élévarice de esio a valeur maximum admissible pour Δ résule d'u compromis ideique à celui des alimeaios série e parallèle (voir 4.4.., 4.5..) Odulaio de la esio u. hoix de 'odulaio de la esio de sorie (esio aux bores du codesaeur) peu êre calculée e cosidéra que le coura das la charge es cosa e égal au coura moye das la diode. l es doc possible de racer la forme du coura i circula das le codesaeur. a forme du coura circula das le codesaeur e de la esio à ses bores so illusrés à la Figure 4.. i ΔQ ΔQ e p u Δ e p Figure 4. : Odulaio de la esio de sorie SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

87 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-9 E régime permae, l'odulaio de esio aux bores du codesaeur vau ΔQ e c p Δ c 4.48 'odulaio relaive découle direceme de la relaio précédee Δ c c p 4.49 a siuaio es ideique à celle de l'alimeaio élévarice de esio Froière ere le mode coiu e iermie orsque le coura moye das l'iducace es égal à la moiié de l'odulaio Δ, o aei la limie de la coducio coiue. e coura moye limie das l'iducace vau M p Δ ( ) 4.5 e l'expressio doa la relaio ere le coura moye das l'iducace e le coura de sorie (das la charge), il es possible de calculer la valeur du coura moye de sorie à la limie de la coducio coiue, soi M p ( ) ( ) M oducio iermiee a coducio es die iermiee lorsque le coura s'aule das l'iducace peda le laps de emps où le rasisor Q es ouver. omme pour le cas de la coducio coiue, e régime permae la esio moyee aux bores de l'iducace es ulle ' e d p e doc o obie pour le emps d'exicio p ' d e 4.53 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

88 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 u Q - u,i i c i Q i i i e ' d p Figure 4. : oducio iermiee e coura moye das la charge peu êre exprimé à l'aide de la relaio suivae p p ' d i ( ) d i MAX 4.54 e p avec i MAX e 4.55 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

89 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 e fialeme ' d e p 4.56 p aracérisique saique avec esio de sorie cosae e coura moye maximum das l'iducace e à la sorie e focio de es obeu lorsque M p MAX ( ) M ( MAX ) 4.57 E erme de leur maximum, les couras à la limie de la coducio coiue s'exprime par les relaios suivaes M ( ) 4.58 M ( MAX ) M ( ) 4.59 M ( MAX ) as la plupar des applicaios uilisa des alimeaios élévarices de esio, la esio de sorie es maieue cosae. Par coséque, avec cosae, o peu racer les couras M e M e focio du rappor cyclique. a variaio du rappor cyclique es e relaio direce avec les variaios de la esio d'erée. a Figure 4. more doc les couras moyes correspoda à la limie de la coducio coiue. es couras moyes supérieurs aux courbes respecives de M e M pour e eraîe u focioeme e coducio coiue alors que des valeurs iférieures correspode à ue coducio discoiue. e la relaio 4.56 o peu écrire M ( MAX ) 4.6 puis 4.6 M ( MAX ) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

90 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page 4-3 M (MAX ) M (MAX )..8.6 M M (MAX ).4. M M (MAX ) Figure 4. : ouras moyes das l'iducace e das la charge correspoda à la limie de la coducio coiue pour ce oducio coiue M M (MAX ) 3.. / 3. oducio iermiee M (MAX ) Figure 4.3 : aracérisique saique à esio d'erée cosae ce omme pour les alimeaios abaisseuse e élévarice de esio, la esio de sorie es foreme dépedae de la charge pour u rappor cyclique cosa. as ce cas, c'es la boucle de réglage qui doi ierveir de maière efficace pour corriger le rappor cyclique. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

91 HAPE 4 : AMENAONS À ÉOPAGE À NANE SMPE Page iagramme srucurel as u premier emps écrivos les équaios du sysème das les deux opologies défiies par l'éa des coaceurs saiques Q : ON, : OFF di ( ) d du ( ) u ( ) + d () i ( s) + s s u ( s) () u s + ( ) ( ) s s 4.6 Q : OFF, : ON (i ()>) o a di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) i ( ) d () i ( s) u ( s) + s s u ( s) () u s i + ( ) ( ( ) ) s s 4.63 Q : OFF, : OFF (i ()) o a u () i ( ) di ( ) u ( ) d du ( ) u ( ) + d i ( s) u ( s) u ( s) () u ( s) ( ) + s s 4.64 esio d'eree (s) d d(s) d\ Geeraeur PWM u'(s)(s)*d(s)-u(s)*d\(s) if (i> or u'>) ON else OFF oura iiial das l'iducace u(s) i i() s i(s) iode esio iiiale aux bores du codesaeur u u() i(s) i(s) s u(s) iode Figure 4.4 : iagramme srucurel SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

92 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

93 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-5. rasformaeurs pour alimeaios à découpage 5. NOON ee secio, es cosacrée à ue revue des bases écessaires à la modélisaio des rasformaeurs d'impulsios uilisés das le domaie des alimeaios à découpage 5.. elaios de base a force magéomorice ere deux pois x e x es doée par l'iégrale du produi scalaire du champ magéique H sur u chemi quelcoque lia les deux pois. x F H dl 5. x où dl es u veceur de logueur élémeaire age au chemi alla de x à x e u poi doé x. Si le champ magéique H es uiforme e parallèle au chemi de logueur l, la relaio devie F H l 5. e flux magéique oalisé passa au ravers d'ue surface S d'aire A c es égal à l'iégrale du produi scalaire du champ d'iducio magéique B par uié de surface élémeaire représeée par u veceur ormal à cee derière. Φ SurfaceS B da 5.3 Si le champ d'iducio magéique es uiforme e perpediculaire à la surface, o peu écrire Φ B 5.4 A c a loi de Faraday perme d'exprimer la esio iduie das ue spire e focio du flux Φ() raversa l'aire A c délimiée par la spire dφ( ) u( ) 5.5 d où les polariés de u() e Φ() so défiies à la Figure 5-. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

94 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5- A c Flux Φ() _ + u() Figure 5- : esio iduie das ue spire Pour ue disribuio uiforme du champ d'iducio magéique perpediculaire à la surface, o peu écrire db( ) u( ) Ac 5.6 d a loi de ez éabli que la esio u() iduie par la variaio de flux Φ() a ue polarié qui ed à iduire u coura das la spire cocerée de maière à s'opposer à la variaio du flux. a esio divisée par l'impédace de la spire coducrice idui u coura i(). e coura i() idui à so our u flux Φ'(), lequel ed à s'opposer à la variaio de Φ(). i() : coura idui Spire cour-circuiée Flux Φ() Flux idui Φ'() _ + u() Figure 5- : llusraio de la loi de ez a loi d'ampère relie le coura circula das ue spire à la force magéomorice F. a FMM sur u coour fermé de logueur l m es égale au coura oalisé passa au ravers du coour fermé. coourfermé H dl Surfacedélimiée parlecoour fermé i 5.7 Si le champ magéique es uiforme e d'ampliude H, l'iégrale précédee de vie F( ) H ( ) lm i( ) 5.8 Aisi le champ magéique H() es ue focio du coura de circulaio i() SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

95 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-3 i() H() oour fermé l m Figure 5-3 : llusraio de la loi d'ampère a relaio lia le champ d'iducio B au champ magéique H es focio des caracérisiques magéiques du milieu cosidéré. as l'air o a B μ H 5.9 où μ es la perméabilié de l'air (4π -7 [Hery/m ). a Figure 5-4 illusre la caracérisique B-H ypique d'u maériau magéique uilisé pour la fabricaio des rasformaeurs HF. ee caracérisique es o liéaire puisqu'elle présee à la fois ue hysérèse e de la sauraio. B μ H Figure 5-4 : aracérisique B-H d'u maériau magéique classique Pour l'aalyse, la caracérisique du maériau es modélisée par sa parie liéaire seuleme. a caracérisique B H es doc doée par B μ H μr μ H 5. a perméabilié du maériau μ peu-êre exprimée comme le produi de la perméabilié relaive μ r par μ. es valeurs ypiques de μ r so comprises ere 3 e 5. a Figure 5-5 résume les relaios exisaes ere les gradeurs élecriques e magéiques d'u maériau. a esio iduie u() es reliée au flux Φ() e au champ d'iducio magéique B() par la SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

96 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-4 loi de Faraday. e coura circula das les spires du bobiage es relié au champ magéique du maériau relia B à H. u() aracérisiques élecriques oi de Faraday B(), Φ() aracérisiques du oyau magéique i() oi d'ampère H(), F() Figure 5-5 : Eapes pour la déermiaio des caracérisiques élecriques d'u oyau magéique l es possible maiea de déermier la caracérisique élecrique d'ue simple iducace. bobiage de spires es placé auour d'u oyau magéique de perméabilié μ, la loi de Faraday perme d'écrire la relaio lia le flux Φ() das le oyau magéique à la esio iduie sur chaque spires du bobiage u( ) spire dφ( ) 5. d a esio iduie oalisée sur l'esemble du bobiage vau dφ( ) u( ) u( ) spire 5. d que l'o peu écrire e focio du champ d'iducio magéique db( ) u( ) Ac 5.3 d où B() es la valeur moyee du champ d'iducio magéique sur la secio rasversale du oyau magéique Φ( ) B( ) 5.4 A c a loi d'ampère es illusrée à la Figure 5-6. chemi fermé es choisi de maière à suivre le parcours moye d'ue lige de champ magéique à l'iérieur du oyau magéique. e chemi à ue logueur ommée l m. Si le champ H() es uiforme, e se référa à la relaio 5.8, o peu écrire H( ) lm i( ) 5.5 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

97 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-5 u() i() spires φ() Secio A du oyau Noyau Noyau de perméabilié μ H() i() u() spires oour fermé l m Figure 5-6 : Srucure d'ue iducace E égligea l'hysérèse, mais e ea compe de la sauraio du oyau magéique choisi, o a B B sa μh pour pour H H B < B sa sa / μ / μ 5.6 B sa pour H B sa / μ a pee de la caracérisique B H das le cas de la sauraio es égale à μ. a pee éa beaucoup plus peie que μ, o peu l'igorer. B sa B μ H -B sa Figure 5-7 : Approximaio de la caracérisique B - H SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

98 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-6 a valeur du coura de sauraio sa peu êre rouvée par subsiuio de HB sa /μ. Soi sa Bsa lm 5.7 μ Pour < sa, BμH e o peu écrire dh ( ) u( ) μ Ac 5.8 d e e remplaça H() par i( ) l m o obie Ac di( ) u( ) μ 5.9 l d m ou ecore sous la forme di( ) u( ) 5. d avec μ l m A c 5. Aisi le maériau magéique eouré de spires se compore comme ue iducace pour < sa. orsque > sa, le champ d'iducio B()B sa es cosa e la esio iduie aux bores du bobiage vaudra dbsa u( ) Ac 5. d orsque le oyau magéique es sauré, le comporeme de l'iducace approche u cour-circui. E praique la sauraio provoque ue fore dimiuio de l'impédace de l'iducace, provoqua du même coup u accroisseme impora du coura. 5.. ircuis magéiques a Figure 5-8 more u circui magéique de perméabilié μ, de logueur fiie l e de secio A parcouru par u flux Φ e u champ magéique H, ous deux uiformes. a force magéomorice ere les deux exrémiés de ce maériau vau puisque F H l 5.3 B H e μ Φ B, o peu exprimer F par A c SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

99 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-7 l F Φ 5.4 μ A c ee relaio es de la forme avec F Φ 5.5 l 5.6 μ A c FMM : F l Secio rasversale A c Flux Φ() oyau de perméabilié μ H() F Φ() l μa c Figure 5-8 : Eléme de circui magéique a relaio 5.5 es similaire à la loi d'ohm. ee relaio more que le flux magéique raversa u maériau magéique es proporioel à la FMM aux bores de l'éléme. a cosae de proporioalié, appelée rélucace es aalogue à la résisace d'u coduceur élecrique. as u circui magéique, esio e coura so remplacés par FMM e flux. es équaios de Maxwell e plus pariculièreme divb more que les liges de champ magéique so coiues e 'o pas de ermiaiso. Par coséque, la somme des flux era e u œud es ulle. Pour u circui magéique complexe, o peu doc appliquer les mêmes lois de Kirchoff que pour u circui élecrique. osidéros ue iducace avec u erefer, illusrée à la Figure 5-9. e chemi moye au ravers du oyau magéique e de l'erefer es cosiué d'u maériau de perméabilié μ e de logueur m e d'u erefer de perméabilié μ e de logueur δ. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

100 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-8 Noyau de perméabilié μ Φ() i() Secio A du oyau u() spires Erefer δ oour fermé l m Figure 5-9 : ducace avec erefer das so circui magéique E faisa l'hypohèse que la secio ormale au champ magéique es ideique pour le maériau e pour l'erefer, l'applicaio de la loi d'ampère sur le chemi fermé codui à la relaio F c + F δ i 5.7 avec F c e F δ les FMM aux bores respeciveme du oyau e de l'erefer. Φ() c i() F c δ F δ Figure 5- : Modèle élecrique e oyau e l'erefer peuve êre représeés par les rélucaces respecives l c c 5.8 μ Ac δ δ 5.9 μ Aδ es rélucaces du oyau c e de l'erefer δ so e série. O peu doc écrire SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

101 / c /(c+g) HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-9 i Φ + ) 5.3 ( c δ Pour le flux au ravers du bobiage, o peu grâce à la loi de Faraday, écrire dφ( ) u( ) 5.3 d e élimia Φ() u( ) c + δ di( ) d 5.3 par coséque l'iducace vau c + δ 5.33 'erefer accroî la rélucace oale du circui magéique e dimiue l'iducace résulae. 'erefer es uilisé e praique pour deux raisos. Sas erefer, l'iducace es direceme proporioelle à la perméabilié μ du maériau, laquelle es foreme dépedae de la empéraure e du poi de focioeme e par coséque es difficile à corôler. adjocio d'u erefer de rélucace δ supérieure à c red la valeur de l'iducace mois sesible aux variaios de μ. e plus l'erefer perme de ravailler avec des couras i() plus élevés sas aeidre la sauraio. a Figure 5- illusre ces propos. B sa A c Φ BA c sa sa i -B sa A c Figure 5- : Effe d'u erefer sur la caracérisique Φ (i) E effe lorsque le oyau es sauré, le flux Φ es égal à Φ B A 5.34 sa sa e le coura de sauraio sa pred la forme SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE c

102 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5- Bsa Ac sa ( c + δ ) 5.35 O peu doc voir que sa a éé augmeé grâce à l'erefer. 5. MOÈE ANSFOMAE 5.. Gééraliés osidéros le rasformaeur de la Figure 5-. i () i () u () spires spires u () oyau Figure 5- : rasformaeur à deux bobiages e oyau magéique à ue secio rasversale A c, ue logueur moyee des liges de champ l m e ue perméabilié μ. Φ c F c i i Figure 5-3 : Modèle du rasformaeur omme le more la Figure 5-3 le circui équivale du rasformaeur, la rélucace du oyau magéique vau es FMM so sommées car les couras i e i passe la surface de la feêre das le même ses. a Figure 5-3 codui à la relaio Φ 5.36 i + i SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

103 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page rasformaeur idéal as u rasformaeur idéal, la rélucace du oyau magéique es proche de zéro. a FMM, F Φ es doc ulle e première approximaio c i + i 5.37 Par la loi de Faraday, o a dφ u( ) d dφ u ( ) d 5.38 l es à oer que le flux es ideique pour les deux bobiages, l'élimiaio du flux codui à dφ d u ( ) u ( ) 5.39 E résumé, o a les deux relaios pricipales d'u rasformaeur idéal u ( ) u ( ) e i + i 5.4 e rasformaeur idéal peu êre illusré par la Figure 5-4 e la relaio 5.4 : i i u u déal Figure 5-4 : rasformaeur idéal 5..3 Modélisaio du rasformaeur idéal e rasformaeur idéal peu êre représeé par u modèle (uile pour la simulaio) do la srucure es celle de la figure suivae SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

104 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5- Source de esio corôlée e esio u u i i : i i u u i i V u u i u A Figure 5-5 : rasformaeur idéal : modèle de simulaio Source de coura corôlée e coura 5..4 rasformaeur avec iducace magéisae as le cas réel, la rélucace du oyau magéique es o ulle. O peu écrire les relaios dφ( ) Φ( ) i ( ) + i ( ) e u( ) 5.4 d élimiaio du flux Φ codui à d u ( ) i ( ) + i ( ) 5.4 d ee équaio es de la forme dih ( ) u( ) h 5.43 d où h ih i + i 5.44 so l'iducace magéisae e le coura magéisa rapporés au primaire du rasformaeur. e circui équivale es illusré à la Figure 5-6. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

105 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-3 i i : i i + i u h u déal Figure 5-6 : Modèle du rasformaeur avec iducace magéisae 'exisece du coura magéisa eraîe u rappor des couras primaire e secodaire différe du rappor du ombre de spires. a sauraio du rasformaeur apparaî lorsque le champ d'iducio magéique B() excède le iveau de sauraio B sa défii pour le oyau doé. as ce cas le coura magéisa i h () augmee car l'impédace de l'iducace magéisae dimiue. es bobiages du rasformaeur deviee des cours-circuis. l covie de oer qu'ue grade augmeaio des couras i () e i () 'eraîe pas écessaireme l'appariio d'ue sauraio. a sauraio d'u rasformaeur es pluô ue focio du produi vol-secodes appliqué aux bobiages. E effe le coura magéisa es doé par ih ( ) u ( ) d 5.45 h ou ecore, e erme de champ d'iducio B( ) u( ) d A c 5.46 e champ d'iducio e le coura magéisa deviee suffisamme grads pour saurer le oyau magéique lorsque l'iégrale vol-secodes λ devie rop grade. λ u( ) d 5.47 Pour u iveau de sauraio doé, le champ d'iducio devrai dimiuer e accroissa le ombre de spires, ou la secio rasversale du oyau magéique. Ajouer u erefer 'a aucu effe sur la sauraio puisqu'il y a pas modificaio de la relaio erefer redra simpleme le rasformaeur mois idéal car l'iducace de magéisaio h va décroîre, eraîa u accroisseme du coura magéisa i h () sas chageme de B(). e mécaisme de sauraio d'u rasformaeur diffère de celui d'ue iducace car pour le rasformaeur la sauraio es déermiée par la forme de la esio appliquée aux bobiages pluô que le coura comme c'es le cas pour ue iducace. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

106 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page ducaces de fuies E praique la oalié du flux couplé a chaque bobiage e passe pas eièreme au ravers des aures bobiages. haque bobiage es doc eouré de flux de fuie coduisa à ue iducace de fuie, laquelle es e série avec le bobiage. a Figure 5-7 illusre ce comporeme. i () Φ Μ i () u () Φ σ Φ σ u () Figure 5-7 : rasformaeur avec flux de fuie e couplage pariel a Figure 5-8 more le modèle élecrique équivale du rasformaeur iégra les iducaces de fuie σ e σ. es iducaces de fuies fo que le rappor u ()/u () diffère du rappor du ombre de spires ere les deux bobiages /. ese à ajouer les résisaces des bobiages primaire e secodaire. i i σ σ : i u h u i + i déal Figure 5-8 : Modèle du rasformaeur avec iducace magéisae e iducaces de fuies () Ou après rasformaio, c'es à dire e ramea l'iducace de fuie σ e la résisace de bobiage du secodaire au primaire, o obie le schéma équivale de la Figure 5-9. avec : ' ' 5.48 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

107 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page 5-5 i i σ ' σ ' : i u h u i + i déal Figure 5-9 : Modèle du rasformaeur avec iducace magéisae e iducace de fuie () es élémes so appelés iducaces muuelles e so doées par la relaio h 5.49 es élémes e so appelés iducaces propres du primaire respeciveme du secodaire e obéisse à la relaio σ σ es relaios e doe pas explicieme le rappor de rasformaio /. e rappor de rasformaio effecif es doé par la relaio e 5.5 e le coefficie de couplage par k 5.5 e coefficie de couplage k se rouve das l'iervalle k e représee le degré de couplage magéique ere le primaire e le secodaire du rasformaeur. as u rasformaeur à couplage parfai, les iducaces de fuie σ e σ so ulles, le coefficie de couplage k es égal à. a cosrucio de rasformaeurs basse esio aya u coefficie de couplage k jusqu'à.99 so parfaieme réalisables. orsque le coefficie de couplage es proche de, le rappor de rasformaio effecif e es approximaiveme égal au rappor du ombre de spires /. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

108 HAPE 5 : ANSFOMAES PO AMENAONS À ÉOPAGE Page PEES ANS ES S MAGNÉQES 5.3. Gééraliés 'appor d'éergie es écessaire pour effecuer ue modificaio de la magéisaio d'u oyau magéique. a oalié de cee éergie 'es pas coverie e éergie élecrique, ue fracio de cee derière cosiue des peres par effe joule. a puissace correspoda à ue parie de cee éergie es dissipée das le parcours du cycle d'hysérèse de la caracérisique B-H. osidéros ue iducace cosiuée de spires parcourues par u coura présea ue périodicié de fréquece f. 'éergie rasia das le oyau magéique sur u cycle es W u( ) i( ) d cycle 5.53 E uilisa les caracérisiques B-H du oyau magéique e e subsiua B() à u() e H() à i(), o peu écrire W cycle db( ) H ( ) l Ac d ( Ac lm ) cycle H db m d 5.54 e erme A c l m représee le volume du oyau magéique, alors que l'iégrale 'es rie d'aure que la surface du cycle d'hysérèse parcouru. ( Eergie perdue par cycle) ( volume du oyau magéique) ( surfacedu cycle B H ) 5.55 es peres par hysérèse B-H so égales à l'éergie perdue par cycle mulipliée par la fréquece de parcours du cycle P H ( f ) ( A l ) H c m cycle db 5.56 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

109 HAPE 6 : AMENAONS A EOPAGE A ANSFOMAE Page 6-6. Alimeaios à découpage à rasformaeur 6. ONVESSE À SOKAGE NF AVE SOAON GAVANQE 6.. Moage FYBAK 6... Gééraliés e moage Flyback es basé sur celui du hacheur à sockage iducif (Buck-Boos coverer ou sepdow/up coverer), comme l illusre la Figure 6. Q (a) Q : (b) Q h : (c) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

110 HAPE 6 : AMENAONS A EOPAGE A ANSFOMAE Page 6- : Q (d) Figure 6. : érivaio du hacheur Flyback a focio de base de l iducace es ichagée e la mise e parallèle des bobiages (Figure 6. (b)) es équivalee à u bobiage uique. A la Figure 6. (c), la coexio ere les deux bobiages es rompue. des bobiages es uilisé lorsque le rasisor Q codui adis que le secod es acif lorsque la diode es coducrice. e coura oalisé es ichagé ere les Figure 6. (b) e (c), cepeda le coura es disribué de maière différee. e coura magéisa das le maériau magéique es e ou poi ideique das les deux cas. a Figure 6. (d) es focioelleme ideique à la Figure 6. (c). Pour des raisos de simplificaio praique, le rasisor Q es placé de maière à pouvoir uiliser le reour de l alimeaio comme référece. e plus, pour facilié la compréhesio, le bobiage secodaire es reouré aisi que la polarié de la diode. Pour l aalyse de ce moage, o uilisera le modèle défii das à la secio précédee, illusré à la Figure 6.. ii : i i i h i i i u h u u rasformaeur Q Figure 6. : Moage Flyback avec modèle du rasformaeur réel orsque le rasisor Q codui, l éergie délivrée par la source es sockée das l iducace magéisae h. orsque la diode codui, l éergie sockée es rasférée à la charge avec ue esio e u coura do le iveau es défii par le rappor de rasformaio /. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

111 HAPE 6 : AMENAONS A EOPAGE A ANSFOMAE Page oducio coiue 6... elaios géérales e coducio coiue < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui ii : i : OFF i ii : i : ON i i h i i i i h i i i u h u u u h u u rasformaeur rasformaeur Q : ON Q : OFF Hypohèse : u c Δuc, l odulaio de la esio aux bores du codesaeur es ulle esio aux bores de l iducace magéisae [ e [ e h Δi h [ e h e [ d [ d h Δi h [ d h d SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

112 HAPE 6 : AMENAONS A EOPAGE A ANSFOMAE Page 6-4 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE oura moye das le codesaeur e e [ [ [ [ d d h oura moye fouri par l alimeaio (coura moye das le rasisor Q) h oura moye das la diode [ e h d [ Valeurs moyees podérées - ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ + + h h d e ) ( ) ( ) ( ) ( [ [ h d e h ) ( h d e + [ [ ) ( h d e + ) ( ) ( [ [ h ) (

113 HAPE 6 : AMENAONS A EOPAGE A ANSFOMAE Page Odulaio de coura das le domaie de la coducio coiue < e P P e < p Q codui, ouver Q ouver, codui ii : i : OFF i ii : i : ON i i h i i i i h i i i u h u u u h u u i rasformaeur rasformaeur Q : ON Q : OFF Odulaio de coura aux bores de l iducace Δi [ e h [ e h h e h e Δi [ d h [ d h h d h d h [ e [ d Δih Δih Δih Δ i h i h MAX i h MN h p p ( ) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

114 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- a Figure 6.3 more les divers couras e esios apparaissa das le moage Flyback e coducio coiue. u () - i h () i hmax i hmn i Q () i hmax i hmn i () i hmax i hmn u Q () + u u () u - u MAX u MN u () Figure 6.3 : oducio coiue SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

115 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- Pour des raisos de choix de rasisor, il es égaleme impora de coaîre la esio maximum aux bores de ce derier. O peu dire que dura l iervalle e < p u Q imie de la coducio coiue es résulas peuve êre obeus par similiude avec le cas du hacheur à sockage iducif. Noos qu il exise u focioeme e régime d auo-oscillaio. as ce mode, le rasisor es ouver lorsque le coura magéisa du rasformaeur aei ue valeur déermiée. a prochaie fermeure du rasisor aura lieu lorsque le coura das la diode sera ul. e mode présee deux avaages e deux icovéies. a mise e coducio du rasisor e le blocage de la diode se fo à coura ul. ela rédui les peres de commuaio du rasisor e les perurbaios iduies par la charge de recouvreme de la diode. es valeurs du flux e, par-là, du coura magéisa so réduies. éergie sockée das l iducace de magéisaio es mois imporae, ce qui perme la réducio de la aille du rasformaeur. odulaio du coura magéisa es plus fore, ce qui augmee le faceur de dimesioeme du rasformaeur e focioeme à fréquece variable red plus difficile le filrage SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

116 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page Focioeme e coducio iermiee as ce cas égaleme, il exise ue similiude avec le hacheur à sockage iducif u () - i h () i hmax i Q () i hmax i () i hmax u Q () + u u () u - u u MAX u MN u () Figure 6.4 : oducio iermiee SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

117 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page osidéraio sur le rasfer d éergie e moage Flyback ravaille selo deux phases disices. a première correspod à u sockage d éergie sous forme de champs magéique das le rasformaeur, le secodaire de ce derier éa ouver. a secode correspod à ue resiuio de cee éergie au secodaire du rasformaeur. eux modes opéraoires so claireme ideifiables. rasfer comple d éergie (mode de coducio iermie), mode das lequel l éergie sockée lors de la fermeure du rasisor es complèeme resiuée (aux peres près) au secodaire lors de la phase d ouverure du rasisor. rasfer pariel d éergie (mode de coducio coiue), mode das lequel seule ue parie de l éergie sockée das le rasformaeur es resiuée au secodaire Phase de sockage de l éergie orsque le rasisor Q es fermé, le primaire du rasformaeur es alimeé par la source de esio. a diode placée à la sorie du secodaire es e polarisaio iverse e par coséque aucu coura e circule das le bobiage secodaire. ura cee phase de sockage, seul le bobiage primaire es acif e le rasformaeur peu êre raié comme ue simple iducace. e emps d eclecheme du rasisor éa beaucoup plus pei que la cosae de emps élecrique du bobiage primaire, o peu admere ue croissace liéaire duc coura das ce derier. e champ d iducio magéique B va doc croîre de B r (ducio rémaee) à B max (correspoda au coura maximum das le bobiage primaire). a Figure 6.5 illusre cee phase i h e B B sa B max B r H Figure 6.5 : Phase de sockage d éergie Phase de rasfer de l éergie orsque le rasisor es ouver, le coura das le bobiage primaire du rasformaeur es ul. e coura magéisa circule maiea das secodaire du rasformaeur, la diode placée sur la SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

118 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-5 sorie éa coducrice. e iveau de ce coura déped du rappor de rasformaio alors que so ses es celui défii par la loi de ez. ura la phase «Flyback», le coura magéisa va décroîre jusqu à la qu il aeige zéro das le cas du rasfer comple d éergie ou jusqu au mome de la fermeure du rasisor das le cas d u rasfer d éergie parielle. a Figure 6.6 illusre cee phase i h d B B sa B max B r H Figure 6.6 : Phase de rasfer d éergie rasfer comple d éergie Pour u mode de rasfer comple d éergie, le coura magéisa s aule, lors de la phase de rasfer, ava la fermeure du rasisor (origie de la période de commuaio suivae). e champ d iducio magéique B passe de sa valeur maximum B max à sa valeur rémaee B r (valeur correspoda à u coura magéisa ul) rasfer pariel d éergie E régime permae ( ce e ce), la croissace e la décroissace du coura magéisa e peuve pas varier. Par core, lors d ue phase rasioire correspoda par exemple à u accroisseme du coura de charge, le emps d eclecheme du rasisor Q augmee e par voie de coséquece, le emps de rasfer d éergie dimiue. e coura magéisa e s aule plus à la fi d ue période de pulsaio. e mode de coducio es coiu e lors du reour e régime permae, l éergie rasférée de l erée vers la sorie es augmeée. l es impora de e pas faire ue cofusio sur le erme de rasfer pariel d éergie. E mode de coducio coiue, l éergie fourie par la source es rasférée aux peres près à la sorie. Par core, le coura magéisa éa jamais ul o peu dire qu ue éergie magéique subsise das le rasformaeur. a valeur de cee éergie résiduelle es ideique à chaque fi de période de pulsaio. Elle sera resiuée lors du passage du mode de coducio coiue au mode de coducio iermie, par exemple lors d ue dimiuio du coura de charge. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

119 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page apacié de rasmissio d éergie d u rasformaeur e coura magéisa d u moage Flyback es uipolaire. e rasformaeur ravaille doc das le quadra uiqueme. O peu morer que pour u même rasformaeur, il es possible d augmeer le rasfer d éergie. a Figure 6.7 more qu e ajoua u erefer, il es possible pour u rasformaeur de rasmere plus de puissace e coducio coiue (rasfer pariel d éergie) que ce même rasformaeur sas erefer le ferai e coducio discoiue (rasfer comple d éergie). B B B max B max Eergie rasferée Eergie dissipée das le oyau magéique B mi B r H H Figure 6.7 : fluece d u erefer sur le rasfer d éergie 6..6 imesioeme du rasformaeur d u moage Flyback as ce paragraphe, ous allos uiliser ue approche iéraive praique pour le dimesioeme du rasformaeur uilisé das u moage Flyback. es pois pricipaux so la sélecio du oyau magéique (aille e maériau), dimesioeme de l iducace de champ pricipal, de l erefer, le ombre de spires au primaire Paramère du oyau e effe de l erefer a Figure 6.8 more l allure ypique du cycle d hysérèse B/H pour u oyau e ferrie, sas e avec erefer. l fau oer que la perméabilié (pee) du cycle d hysérèse varie avec la logueur de l erefer. Par core le iveau de sauraio du champ d iducio magéique B sa rese le même. e iveau du champ magéique H es beaucoup plus élevé e le champ d iducio magéique rémae es beaucoup plus pei das le cas d u erefer o ul. adjocio d u erefer es doc largeme profiable das le cas d u rasformaeur pour moage Flyback, lequel ravaille uiqueme das le premier quadra de la caracérisique B/H. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

120 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-7 B ΔΗ A ΔB A B ycle d'hyserese du oyau magéique sas erefer ycle d'hyserese du oyau magéique avec erefer H H H ΔΗ A Figure 6.8 : aracérisiques magéiques ypiques d u rasformaeur uilisé das u moage Flyback Effe d u erefer sur les codiios A a Figure 6.9 more claireme que l augmeaio de l erefer eraîe ue dimiuio de la pee de la caracérisique B/H mais e chage pas la valeur crêe-crêe du champ d iducio magéique ΔB A. E effe ΔB A es proporioel au produi de la esio appliquée au primaire par le emps d eclecheme du rasisor, e par coséque ΔB A es défii par les codiios A exérieures, e o pas par la aille de l erefer. Par core cee augmeaio de l erefer provoque ue augmeaio de la valeur crêe-crêe du champ magéique ΔH A. eci correspod à ue dimiuio effecive de la perméabilié du circui magéique e par coséque ue dimiuio de l iducace de champ pricipal.. O peu doc dire que les codiios A appliquées agisse sur l axe verical des caracérisiques B/H, provoqua ue modificaio du champ magéique ΔH A. as ce cas H doi êre cosidéré comme ue variable dépedae. e erreur classique es de croire qu u circui magéique sauré, suie à u ombre de spires primaire isuffisa ou u produi e excessif, peu êre corrigé par l adjocio d u erefer. eci es faux car l erefer e modifie pas le iveau du champ d iducio magéique de sauraio B sa. Par core l iroducio d u erefer rédui la valeur du champ d iducio magéique rémae B r e par coséque perme d augmeer la plage de ravail de ΔB A, ce qui peu êre iéressa das le cas de la coducio iermiee. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

121 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page Effe d u erefer sur les codiios coura coiu das le bobiage (coducio coiue) produi u champ magéique H proporioel. Pour u coura de charge doé, H es parfaieme défii. O voi doc que pour les codiios, B doi êre cosidérée comme ue variable dépedae. a Figure 6.8 more que l adjocio d u erefer perme au circui magéique de supporer u champ magéique H beaucoup plus impora sas appariio de sauraio. Par coséque, u erefer es rès efficace pour préveir la sauraio du circui magéique lorsque qu il y a ue composae de coura (amélioraio de la plage de coducio coiue) oclusios e produi de la esio appliquée au primaire par le emps d eclecheme du rasisor Q e la secio du circui magéique A e défiisse la valeur A crêe-crêe du champ d iducio magéique ΔB A. e coura coiu (charge), le ombre de spires e la logueur équivalee du circui magéique défiisse la valeur du champ magéique H. Ou e d aures mos, u ombre de spires e ue secio du circui magéique suffisae doive êre assurés pour supporer les codiios A alors qu u erefer suffisa perme d évier la sauraio du circui magéique e accord avec les codiios. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

122 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page ONVESSE E YPE SÉE AVE SOAON GAVANQE 6.. Moage FOWA e moage Forward es dérivé du moage Buck. a coiuié du coura de sorie, comme pour ous les moages dérivés du moage Buck, fai que le coverisseur Forward es rès bie adapé aux applicaios demada de for coura de sorie. i : : 3 i i i i u u 3 u 3 u 3 Q Figure 6.9 : Moage Forward 6.. Eude du focioeme a Figure 6. illusre le moage Forward avec le modèle équivale du rasformaeur i : : 3 i i i i h i i h u u 3 3 u 3 u i i 3 Q Figure 6. : Moage Forward avec modèle du rasformaeur réel SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

123 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page ervalle de coducio du rasisor ura le premier iervalle de la période de pulsaio p, le rasisor Q es coduceur. a diode es polarisée das le ses passa alors que les diodes e 3 so bloquées. a esio de la source es appliquée aux bores du bobiage primaire du rasformaeur e le coura magéisa i h croî liéaireme pour aeidre u maximum à la fi du emps d eclecheme i hmax p ih ( e ) e 6. h h la esio aux bores de 3 vau u i : : 3 i i : ON i i h u h u 3 3 : OFF i i 3 : OFF u 3 u i i Q : ON Figure 6. : Moage Forward avec Q e coduceurs 6... Exicio du coura magéisa e secod iervalle commece lorsque le rasisor Q es décleché. a Figure 6. illusre les paries acives das ce iervalle. e coura magéisa i h () es posiif e doi coiuer de circuler. Puisque le rasisor Q es ouver, le circui équivale more que le coura magéisa i h e cojocio avec le ses des bobiages primaire e auxiliaire eraîe la polarisaio de la diode das le ses direc e par coséque la circulaio d u coura das le bobiage auxiliaire. e coura das le bobiage auxiliaire vau i ( ) ih ( ) 6.4 a esio aux bores du bobiage auxiliaire es égale à SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

124 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- u ( 6.5 ) e par coséque, la esio aux bores de l iducace magéisae, référée au primaire du rasformaeur es exprimée par la relaio u ( ) u ( ) 6.6 ee esio égaive aux bores de l iducace magéisae eraîe ue décroissace de coura magéisa do la dérivée vau d d ih ( ) 6.7 h a esio aux bores du bobiage coecé au circui de sorie es égaleme égaive 3 3 u3 ( ) u ( ) 6.8 puisque la diode es bloquée, c es la diode 3 qui assure la coiuié du coura das l iducace. i : : 3 i : OFF i i h i i h u u 3 i 3 3 : ON u 3 u Q : OFF i : ON i h Figure 6. : Moage Forward avec e 3 coduceurs ervalle à coura magéisa ul orsque le coura magéisa s aule, la diode se rouve e polarisaio iverse. es semicoduceurs Q, e se rouve das l éa bloqué. e coura magéisa rese ul jusqu à la fi de la période de pulsaio. E appliqua le pricipe que la valeur moyee de la esio aux bores de l iducace magéisae es ulle e régime permae, o peu affirmer que la esio moyee aux bores du primaire du rasformaeur (c es à dire aux bores de l iducace magéisae) es ulle SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

125 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- + ( ) + 3 () 6.9 Avec, rappor cyclique d eclecheme,, emps d exicio du coura rapporé à la période de pulsaio p e 3 emps peda lequel le coura magéisa es ul, rapporé à la période de pulsaio p. e la relaio 6.9 o e dédui le rappor cyclique d exicio du coura 6. e coura magéisa doi impéraiveme es ul ava le prochai eclecheme du rasisor. E effe, afi d évier la sauraio du circui magéique du rasformaeur, l iducace de champ pricipal h, e cojocio avec la diode, doi ravailler das e mode de coducio discoiu. Par coséque, le rappor cyclique 3 e peu pas êre égaif. Sacha que o peu écrire ( + ) 6. e doc la codiio sur le rappor cyclique d eclecheme de Q devie iducace de sorie relaio avec la diode 3 peu focioer e mode coiu ou discoiu. i : : 3 i : OFF i i h i i u h u 3 i 3 i 3 : ON u 3 u Q : OFF : OFF Figure 6.3 : Moage Forward avec Q,,, 3 bloqués SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

126 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page Allures emporelles des esios e couras a Figure 6.4 illusre les allures des pricipales gradeurs élecriques du moage FOWA. es gradeurs de sorie, c es-à-dire les couras das la charge, das le codesaeur i c, das l iducace i aisi que les esios correspodaes se calcule de la même maière que pour le moage BK. u i h h h u 3 3 p p 3 p p Figure 6.4 : Moage Forward : allures des gradeurs élecriques pricipales appor de rasformaio global Pour obeir la esio de sorie du moage Forward, il suffi d appliquer le pricipe de la esio moyee ulle aux bores de l iducace du filre de sorie e régime permae u ee relaio es valable pour le mode de coducio coiue Faceur dimesioa du rasisor Q SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE a relaio 6.4 more que le rappor cyclique maximum pourrai êre augmeé e dimiua le rappor du ombre de spires /. E effe das ce cas la décroissace du coura magéisa dura la phase d exicio se rouve augmeée. Malheureuseme, ue dimiuio de / eraîe ue augmeaio de la esio aux bores du rasisor Q. a esio maximum appliquée aux bores du rasisor dura l iervalle d exicio du coura magéisa es exprimée par la relaio

127 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-4 u Q ( + ), 6.5 ce qui corrobore l affirmaio qui précède. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

128 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page ONVESSE E YPE SYMÉQE AVE SOAON GAVANQE 6.3. Moage PSH-P (po comple) omme pour le moage Forward, le moage Push-Pull es dérivé du moage Buck. e ype de coverisseur es pariculièreme bie adapé pour les basses esios de sorie avec fors couras. e bobiage secodaire avec poi milieu peu êre vu comme deux bobiages séparés e doc êre raié comme u rasformaeur à rois bobiages do le rappor du ombre de spires es défii comme : :. Q Q 3 3 i : : 5 i 5 i u u s i i u u u i 6 Q Q Figure 6.5 : Moage Push-Pull 6.3. Eude de focioeme orsque le rasformaeur es remplacé par so modèle équivale réel, o obie le schéma illusré à la Figure 6.6. Q Q 3 3 i i : :' i 5 i 5 i i h u u s i i u u h u' i 6 déal i' Q Q 4 4 rasformaeur 6 Figure 6.6 : Moage Push-Pull avec modèle du rasformaeur réel allure des gradeurs élecriques pricipales so morées à la Figure 6.7. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

129 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-6 i h () u () i () Δi u s () i 5 () i().5 i() i 6 ().5 i() i() P P Q Q Q Q SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Figure 6.7 : Moage Push-Pull : allures des gradeurs élecriques pricipales a sorie du coverisseur es similaire à u moage Buck si l o compare la esio u s () e i() à u () e i ().

130 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-7 ura le premier iervalle < p, Q e Q 4 so coduceurs e la esio se rouve aux bores du primaire du rasformaeur, soi u ( ) 6.6 e coura magéisa i h va doc croîre selo la relaio ih ( ) 6.7 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE h a esio apparaissa au secodaire ere le poi milieu e chaque sorie vau u ( ) u( ) 6.8 ceci avec le sige défii par les pois de polarié. a diode 5 es doc coducrice, alors que 6, polarisée das le ses iverse, es bloquée. a esio de sorie vau doc u ( ) u ( ). 6.9 e coura i circula das l iducace du filre de sorie passe par 5. Plusieurs scéarios so possibles pour le secod iervalle p < p. as la plupar des cas, les quare rasisors so ouvers fixa la esio aux bores de l iducace magéisae h à u ( ). 6. ura ce secod iervalle, le coura das les diodes 5 e 6 es focio du coura circula das l iducace du filre de sorie e su coura magéisa i h. as le cas idéal (sas coura magéisa), les couras i 5 e i 6 so égaux (i ()). ls assure la coiuié du coura das l iducace i ) + i ( ) i ( ) 6. 5( 6 E praique, les couras circula das les diodes 5 e 6 so légèreme différes si l o ie compe du coura magéisa. a parie idéale du rasformaeur obéi à la loi i ( ) i 5( ) + i6( ) 6. a somme des couras au œud d erée du rasformaeur vau i ( ) i ( ) i ( h + ) 6.3 E élimia i () des deux équaios précédees, o obie i ) i ( ) + i ( ) i ( ) 6.4 ( 5 6 h ee relaio décri, das le cas gééral, la liaiso ere les couras circula de par e d aure du rasformaeur dura le secod iervalle. a répariio du coura magéisa das les rois

131 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-8 bobiages du rasformaeur déped des caracérisiques i,v des rasisors coduceurs e des diodes. as le cas ou i(), o peu écrire e admea que les caracérisiques des diodes 5 e 6 so ideiques i 5 i 6 ( ) ( ) i i ( ) ( ) + i ( ) h i ( ) h 6.5 as u cas de charge omial, le coura das la charge e par coséque das l iducace du filre de sorie es beaucoup plus grad que le coura magéisa. a prochaie période de pulsaio p es similaire à la précédee, excepio faie que la esio appliquée au primaire du rasformaeur es de polarié opposée. E effe dura l iervalle p < ( p + p ), ce so les rasisors Q e Q 3 e la diode 6 qui so coduceurs. a esio appliquée au primaire vau u () -, laquelle provoque ue décroissace du coura magéisa i h selo la pee / h. es diodes 5 e 6 redeviee les deux coducrices dura l iervalle ( p + p ) < p. a fréquece de l odulaio de coura das l iducace es égale à f p alors que celle du coura magéisa es de ½ f p, réduisa du même coup les peres fer du rasformaeur. E appliqua le pricipe de la esio moyee ulle aux bores de l iducace magéisae du rasformaeur e régime permae, o peu écrire ( { Δ + Δ }) ( ) ( { Δ + Δ }) ( ) Q Q4 p Q Q3 p. 6.6 E praique, les asyméries du po (dispersio des caracérisiques des composas) fo qu il es difficile voir impossible d assurer ue esio moyee ulle aux bores du rasformaeur. l y a doc risque de voir le coura magéisa moye augmeer e doc provoquer la sauraio du oyau magéique du rasformaeur. moye d évier ce phéomèe es d ajouer u codesaeur e série avec le primaire du rasformaeur. Puisqu e régime permae, le coura moye aux bores du codesaeur es ul, ous avos la ceriude que derier aura à ces bores la esio résulae des asyméries du po.. l exise ue opologie de demi-po où ue brache du po du moage push-pull es remplacée par deux codesaeurs. e moage Push-Pull es e pricipe uilisé pour des puissaces supérieures à 75W. Pour des puissaces iférieures o lui préfère des moages mois gourmads e composas. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

132 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page ÉVAAON E MENSONNEMEN ES ONVESSES Gééraliés l exise pas de choix défiiif e absolu de opologie de coverisseurs - qui coviee à oues les applicaios. Pour chaque applicaio e ses spécificaios propres, ue éude comparaive devrai êre effecuée ava le choix d ue opologie. Plusieurs soluios do le résula es coforme aux spécificaios doive êre cosidérées, pour chaque approche, il es impora de défiir des crières els que la esio maximum apparaissa aux bores du rasisor, le coura efficace, la aille du rasformaeur, ec e ype de comparaiso quaiaif peu coduire à la sélecio de la meilleure opologie e évia l avis subjecif du cocepeur Sress e aux d uilisaio des semicoduceurs (rasisor) e so souve les semicoduceurs qui représee le coû le plus élevé des coverisseurs -. e plus, les peres associées à la coducio e à la commuaio des semicoduceurs so domiaes. es affirmaios suggère doc ue évaluaio du iveau de sress imposé aux semicoduceurs. a miimisaio du sress de ces deriers codui à ue réducio de la surface oale de silicium lors de la réalisaio. l es d usage de comparer la somme oale du sress imposé à chaque semicoduceur. as u bo desig, les esios e couras dédicacés à chaque semicodceur doive êre miimisés, alors que la puissace es maximisée. Si u coverisseur - coie k semicoduceurs, le sress global S peu êre défii par S k j j ( peak ) j( rms) 6.7 où j(peak) es la poie de esio appliquée aux bores du semicoduceur e j(rms) le coura efficace qui le raverse. Si la puissace cosommée par la charge es vau P charge, le aux d uilisaio du composa es défii comme Pcharge 6.8 S e aux d uilisaio es plus pei que das les coverisseurs - e sa valeur doi êre maximisée Poie de esio sur les rasisors pour les moages éudiés es poies de esio recorées pour chaque moage avec isolaio galvaique so rappelées cidessous Moage Flyback uq + + ( peak ) 6.9 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

133 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page Moage Forward u ( ) 6.3 Q ( + peak ) Moage Push-Pull uq 6.3,,3,4 ( peak ) oura efficace sur les rasisors pour les moages éudiés Pour la déermiaio des couras efficaces o peu égliger l odulaio de coura das les iducaces. E effe o peu morer que pour u coura coiu avec odulaio superposée à croissace e décroissace liéaire i() Δi p p Figure 6.8 : oura coiu avec odulaio superposée Δi ( rms ) pour u coura pulsé avec croissace liéaire du coura i() Δi p p Figure 6.9 : oura pulsé avec odulaio superposée SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

134 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- Δi ( rms ) e ableau comparaif ci-dessous perme d esimer l erreur faie lorsque l o s affrachi de l odulaio superposée Odulaio de coura rapporée au coura oura coiu avec odulaio oura pulsé Δi Δi Δi Δi Δi Moage Flyback Q ( rms) p p p iq p d p p ( iq ( ) ) d d Moage Forward Q( rms) p 3 p p iq p d 3 p d p ( iq ( ) ) d 6.35 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

135 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6- SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Moage Push-Pull ( ) p p p Q p p Q p rms Q d d i d i ) ( ),,3,4 ( aux d uilisaio des rasisors pour les moages éudiés Moage Flyback e sress global s exprime par la relaio ) ( P S OA 6.37 e par coséque le aux d uilisaio peu êre défii comme ) ( S P OA Moage Forward e sress global s exprime par la relaio OA P S ) ( ) ( ) ( e par coséque le aux d uilisaio peu êre défii comme S P OA + 6.4

136 HAPE 6 : AMENAONS À ÉOPAGE À ANSFOMAE Page 6-3 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Moage Push-Pull e sress global s exprime par la relaio P S OA 6.4 e par coséque le aux d uilisaio peu êre défii comme S P OA 6.4

137 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

138 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-7. imesioeme des élémes des alimeaios à découpage 7. NOON es alimeaios à découpage so esseielleme cosiuées, e dehors des ierrupeurs saiques, de composas magéiques focioa e haue fréquece e de codesaeurs. e choix e le bo dimesioeme de ces composas es u éléme esseiel lors de l ava proje d ue alimeaio à découpage. 7. ES ONENSAES 7.. Pricipe de focioeme eux coduceurs séparés par u isola cosiue u codesaeur. dielecrique (εr) aode cahode S d Figure 7- : Srucure du codesaeur a valeur de ce codesaeur, ou sa capacié, s'exprime de faço géérale par : S ε ε 7. d r avec : εε r ε S d : permiivié diélecrique ou cosae diélecrique ε [As/Vm : surface des armaures : épaisseur de l isola (disace ere les plaques) a valeur de capacié éa direceme proporioelle à ε r, il es de première imporace de rechercher des isolas à fore cosae diélecrique. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

139 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page Paramères caracérisiques d u diélecrique es pricipaux paramères d u diélecrique so les suivas : la permiivié relaive du diélecrique: ε r ε ε, la rigidié diélecrique (k) a rigidié diélecrique aisi que l'épaisseur de l'isola vo limier la esio maximale d'uilisaio: max k d. e paramère es direceme lié au iveau d'humidié du milieu où focioe le composa. 'éergie maximale sockée das u diélecrique e déped que des caracérisiques du volume du diélecrique. W max { max ε r ε S d k 7. Volume les peres diélecriques : elles so représeaives des peres das le diélecrique lors de so uilisaio e régime aleraif, la résisace d'isoleme : le diélecrique 'a pas ue résisace saique ifiie (impureé, humidié...). e plus l'eveloppe du composa iflue sur ce paramère. la sabilié du diélecrique vis-à-vis : de la empéraure : elle déped de la aure du diélecrique, de l'humidié : elle déped de la aure du diélecrique, du emps : les propriéés du diélecrique varie das le emps Modèle équivale es remarques précédees ous amèe à modéliser le codesaeur de la faço suivae : es la valeur du codesaeur idéal, ES es l'iducace des armaures e des coecios. Elle es liée à la echologie de fabricaio, ES es la résisace des armaures e coecios. Elle red compe égaleme des peres diélecriques, isol es la résisace représea les défaus d'isoleme. Elle déped de la echologie de fabricaio. ES ES isol Figure 7- : Schéma équivale du codesaeur SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

140 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-3 Z s s ES + ES ES + s s + s + ES + isol s ES + s ES + s + isol ES isol + ES isol l es alors possible de racer la caracérisique de l impédace e focio de la fréquece, où f 7.4 π Z ES ES F r F [khz Figure 7-3 : épose harmoique d u codesaeur 7..4 es pricipales echologies Elles dépede de la aure du diélecrique uilisé. Figure 7-4 : Plage de capacié e focio de la echologie SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

141 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page iélecriques plasiques. es armaures so cosiuées par deux feuilles d'éai ou d'alumiium do l'épaisseur (de 5 à 4) es déermiée e focio du coura raversa. es diélecriques composies associe des films de aure différee do les caracérisiques spécifiques se complèe. es codesaeurs films possède d'excellees propriéés élecriques oamme ue boe eue e esio e e fréquece odesaeurs films méallisés es armaures so cosiuées par ue couche rès fie (. ) de zic ou d'alumiium déposée par évaporaio sous vide sur le diélecrique film syhéique ou papier (,5 à 5 ). 'auocicarisaio es ue propriéé esseielle de ces codesaeurs. orsqu'u amorçage se produi ere les armaures dû à u défau du diélecrique, l'arc élecrique vaporise localeme la méallisaio e forma u oxyde méallique isola. e codesaeur aisi régééré redevie opéraioel. a qualié des films plasiques perme de les uiliser e faible épaisseur ( e µm à µm). l es possible d'obeir des résisaces d'isoleme rès élevées e cosaes das la gamme d'uilisaio de empéraure. e plus les peres diélecriques à fréquece élevée so faibles. l exise quare ypes de films plasiques : polysyrèe, polyeser (méallisé ou o), polycarboae (méallisé ou o), polypropylèe (méallisé ou o). iélecrique Vol. facor Faceur de dissipaio 5 /khz [MΩ/μF@5 max [ Polyeser Polyeser méallisé Polycarboae Polycarboae méallisé Polypropylèe Polypropylèe méallisé Polysyrèe ableau 7- : Propriéés pricipales des diélecriques plasiques Propriéés ypiques Haue empéraure Peie aille Haue résisace d isolaio Haue sabilié Ape pour le haue fréquece Haue résisace d isolaio Faibles peres Haue sabilié Ape pour le haue fréquece Haue résisace d isolaio Haue résisace d isolaio Faible variaio de la capacié e focio de la empéraure SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

142 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page odesaeurs à diélecrique chimique. es deux armaures e alumiium pur à 99,99 % du codesaeur so placées das ue soluio élecrolyique. orsqu'o applique ue esio, ue couche d'alumie isola de rès faible épaisseur se forme (e, m), d'où la possibilié de fores capaciés. e codesaeur es polarisé, les élecrodes e joua pas le même rôle das l'élecrolyse (Aode, ahode). l exise deux ypes d'élecrolyes Elecrolye Alumiium es cosruceurs à l heure acuelle coçoive deux grades familles de codesaeurs, les codesaeurs dis classiques e ceux dis à faible résisace série. es deriers so oamme uilisés e élecroique de puissace de par leur meilleure eue e fréqueces e leurs peres joules beaucoup plus faibles Elecrolye aale e méal de base es ue poudre de aale de rès fie graulomérie. es aodes so obeues par compressio das des moules do la forme la plus usuelle es cylidrique. e corps poreux aisi réalisé prése ue grade surface par uié de volume. es codesaeurs o pour paricularié pricipale ue boe eue e fréquece es codesaeurs das les alimeaios à découpage. es codesaeurs que ous recoros das les alimeaios à découpage remplisse deux rôles disics : ils serve de réservoir d éergie lors des variaios de commade ou de charge, e ils serve égaleme de codesaeur de découplage ou de filrage vis à vis du focioeme haue fréquece de l alimeaio. es pourquoi cerais cosruceurs o développé ue gamme de codesaeurs spécifiques pour les alimeaios à découpage e aures sysèmes d élecroique de puissace. e so les codesaeurs chimiques dis à faible résisace série, qui présee des valeurs de capacié imporaes, ou e aya ue excellee eue e fréquece. Si ouefois les performaces de ces codesaeurs se rouvaie isuffisaes, il es possible d associer deux codesaeurs de echologies différees, par exemple u codesaeur alumiium e parallèle avec u codesaeur polypropylèe. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

143 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page ES MAEAX MAGNEQES 7.3. es maériaux es maériaux uilisés e élecroechique e e élecroique de puissace so pricipaleme : l'air, réservé au domaie des rès haues fréqueces e des faibles puissaces, les ôles de fer magéique lamiées e assemblées pour cosiuer des circuis magéiques, uilisés aux fréqueces dies idusrielles (6.66, 5, 6 e 4 Hz), les ferries : éramiques magéiques, moulées selo la forme désirée du circui magéique, uilisées e élecroique de puissace à haue fréquece Gradeurs caracérisiques des maériaux magéiques a caracérisique magéique (BH) maériau magéique es défii par sa caracérisique Bf(H) d iducio magéique e focio du champ magéique, sa courbe de ère aimaaio, ses différes cycles d'hysérésis (e focio de la fréquece). a caracérisique ypique d u maériau es la suivae : B [ B [ B sa A B r Zoe de focioeme sauré H c +H c H [A/m H [A/m Zoe de focioeme sauré B r B sa Zoe de focioeme o sauré Figure 7-5 : aracérisique BH avec : B r H OA : iducio rémaee : champ coerciif : courbe de première aimaaio ee caracérisique es fréquemme idéalisée. O sépare la zoe de focioeme die o saurée de la zoe de focioeme saurée. as la zoe de focioeme o saurée, o défii alors la perméabilié relaive du maériau r el que : B μrμh 7.5 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

144 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page es peres magéiques maériau ferromagéique soumis à u champ magéique variable es source de peres aya deux origies : es peres par coura de Foucaul e maériau es soumis à u champ magéique variable, il apparaî alors das ce maériau des esios iduies, doc des couras iduis, e doc des peres joules. es peres so proporioelles à : ( B S f ) max P f 7.6 ρ avec : B max S f : iducio maximale : secio du circui magéique : fréquece de focioeme : résisivié du maériau Peres hyséréiques. Elles so dues à l'éergie mise e jeu pour parcourir le cycle d'hysérésis. eur expressio es doée par PH VAH f 7.7 avec : V AH f : volume de circui magéique : surface du cycle d hysérésis du maériau : fréquece de focioeme es maériaux magéiques e les corps de bobies es alimeaios à découpage focioa à des fréqueces élevées, il es impossible d uiliser des ôles pour la réalisaio des composas magéiques, les peres devea rop imporaes. es fabricas uilise doc des ferries, mieux adapées au focioeme «haue» fréquece. e so des céramiques magéiques à haue résisivié (de à 8 cm), doc présea des peres par coura Foucaul pariculièreme faible, e à haue perméabilié (de à eviro). eur fabricaio par moulage perme de réaliser oues formes de géomérie, permea de réaliser ue grade variéé de circuis magéiques. 'iducio de sauraio des ferries es de l'ordre de.4 à.5. O les emploie gééraleme hors sauraio e l o reie B max.3. es eroulemes so bobiés sur des corps moulés do les ailles so direceme e relaio avec les circuis magéiques SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

145 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-8 Figure 7-6 : Eléme de base pour la créaio d ue iducace ou d u rasformaeur Paramères dimesioels pour les eroulemes Si le coura raversa les eroulemes cosiuas des iducaces ou des rasformaeurs «haue» fréquece es aleraif, le coura a edace à circuler à la périphérie du coduceur, das ue zoe caracérisée par so épaisseur, appelée épaisseur de peau. e valeur couramme admise pour l épaisseur de peau es doée par : ρ 7.8 πμ f e p Pour u fil de cuivre e p 7 f [ mm, si l o souhaie uiliser de faço correce le coduceur, il e fau pas que so rayo excède l épaisseur de peau. O peu alors calculer pour différees fréqueces l iesié maximale admissible das u fil, e effe la secio du fil éa doé par S MS π r 7.9 J fil e qui sigifie que MS[ MAX p Jπ e 7. J représee la desié de coura (gééraleme fixée auour de 5 A/mm²) F [khz e p [mm MS[MAX [A ableau 7- : elaio ere fréquece, épaisseur de peau e couras efficaces SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

146 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-9 Si le coura efficace circula das le bobiage es supérieur à ces valeurs limies, il es écessaire de prévoir l uilisaio de fils divisés (ou fils de liz, fils muli bris do chaque bri es isolé), de fils méplas ou ecore de feuillard. haque erouleme occupe ue parie de la surface oale de la feêre. Emplaceme de l erouleme Emplaceme de l erouleme α S w α ec. { S w{ Surface oale de la feêre S w l exise doc ue coraie sur ces surfaces k j Figure 7-7 : Erouleme e remplissage α j < α j < 7. l es impossible de remplir oaleme la feêre, oamme lorsque le ombre de spires es peu élevé. O défii u coefficie di de bobiage ou de remplissage (K bj ) pour chaque erouleme j K bj S S cuj wj Scuj α S j w j α S j j MS J j w 7. avec : S w S wj α j j jms J j S uj : surface de la feêre pour l esemble des eroulemes, : surface de la feêre de l erouleme j, : coefficie de coraie sur la surface de l erouleme j, : ombre de spires du l erouleme j (il peu y e avoir plusieurs das le cas de rasformaeur ou d iducaces couplées), : coura efficace de l erouleme j cosidéré, : desié de coura das l erouleme j, : secio du fil de l erouleme j. e faceur de remplissage K bj es dépeda de plusieurs paramères. O ciera oamme : Pour des coduceurs rods, le coefficie de remplissage K bj varie ere.7 e.55. a valeur déped de la echique de bobiage uilisée. épaisseur de l isola auour du coduceur provoque ue dimiuio de K bj de 65% à 95% selo le diamère e le ype d isola. e corps de la bobie suppore les eroulemes. es dimesios doées permea de défiir la secio de la feêre (S w ) e par coséque la surface oale prévue pour l esemble des eroulemes. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

147 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page max mi. 7.9 max max mi. 7.6 BW6 S W Surface de bobiage (mm ) argeur de bobiage (mm) l m ogueur moyee d ue spire (mm) Figure 7-8 : aracérisique du corps de bobie Paramères dimesioels pour le circui magéique circui magéique quelcoque es défii à parir des gradeurs suivaes : S w S f B H δ N : surface prévue pour loger les eroulemes, : secios du circui magéique, : champ d iducio magéique, : champ d exciaio magéique, : épaisseur de l erefer das le cas d ue iducace, : ombre de spires. S w δ S f S f S δ SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE Figure 7-9 : épose e fréquece d u codesaeur a géomérie du circui magéique es réalisée de maière à avoir ue ampliude du champ d iducio B cosae das ou le maériau. es gradeurs équivalees doées par les fabricas so les suivaes : A e : surface équivalee du circui magéique, l e : logueur équivalee du circui magéique, V e : volume équivale du circui magéique, S f3

148 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7- μ e : perméabilié équivalee du circui magéique. a relucace équivalee du circui magéique es doée par la relaio l e e 7.3 μ μe Ae Plus formelleme, pour u circui magéique o uiforme e μ μ e l A 7.4 iducace propre à u erouleme j es alors êre déermiée selo la relaio j j e μ μ e j l A 7.5 a surface équivalee es uilisée pour déermier le flux das le circui magéique provoqué par u coura i j circula das l erouleme j. B j i φ j ψ j j j μ j μ i j A A e j Ae j e l μ e A μ l e e j i j 7.6 e derier erme de la relaio 7.6 e représee rie d aure que la loi d Ampère i j B j H jle le 7.7 μ μe Si la secio du circui magéique es o uiforme il fau défiir l edroi ou la secio es miimum. ee secio es défiie comme A mi e es uilisée pour le calcul du champ d iducio magéique maximum B max e par coséque pour s assurer que la sauraio es pas aeie. es aussi aux edrois où la secio es miimum que les peres par hysérésis so maximums. Pour redre le calcul de l iducace ecore plus simple, les fabricas doe u faceur d'iducace du circui magéique A A μ 6 [ l H μ A e 7.8 iducace es doc défiie comme j j A [ H 7.9 O peu morer que l esseiel de l éergie es sockée das l erefer. Par défiiio, l expressio de l éergie élecromagéique volumique sockée das u volume V es doée par la relaio : SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

149 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7- W mag BHV 7. es fabricas de ferrie réalise, sauf cas spéciaux, leurs circuis magéiques de elle sore que le champ d iducio soi cosa das ou le circui. O peu alors e déduire l éergie sockée das la ferrie e l éergie sockée das l erefer : das la ferrie : W f mag B B V f BHV f V f 7. μrμ μ μr das l erefer : B δ μ V 7. W δ BHV mag δ éergie magéique oale s exprime doc par la relaio suivae : W mag B V f W f + W V V mag δ + mag δ e 7.3 μ μr μμe B E praique V f /μ r <<V δ, ce qui sigifie que la majorié de l éergie magéique se rouve das l erefer. es caracérisiques des circuis magéiques so doées par les fabricas. exemple es illusré à la Figure 7-. a perméabilié équivalee es défiie e focio de l erefer sur la parie cerale du circui magéique. Symbole Paramère Valeur ié Σ(/A) Faceur géomèrique.37 mm - Volume équivale 559 mm e ogueur équivalee 7.7 mm V e 3 A e Surface équivalee. mm A mi Surface miimum. mm m Masse d u demi circui.4 g.7 ± ±.5 3. ±.3 4. ± ±.3 A (H) μ e Erefer (μm) 63 ±5% 7 56 ±8% 3 6 ±8% ±% ±% ±5% ±.3 Figure 7- : aracérisiques du circui magéique SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

150 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page imesioeme d ue iducace Eergie maximale sockable das u circui magéique Par défiiio, l éergie magéique, pour u sysème liéaire, es défiie comme W mag MAX MAX ψ MAX imax NφMAX MAX 7.4 E se repora à la Figure 7-9, o peu déermier le flux das l erefer φ MAX BMAX S f 7.5 e coura das l erouleme es focio de la surface oale de cuivre K b S w, du ombre N de spires de l erouleme e de la desié de coura J MAX KbSwJ K { N f Faceur de forme MS K f MAX 7.6 Par coséque W mag MAX MAX BMAX K b S f S w J 7.7 K f e erme S f S w es représeaif du volume du circui magéique. K f S f Sw MAX BMAX KbJ B MAX MS K b J MAX 7.8 Pour êre sûr de choisir le bo circui magéique, il suffi de sélecioer u po das le produi S f S w es légèreme supérieur à celui écessaire Procédure de recherche d u circui magéique Pour le dimesioeme d u circui magéique, les gradeurs spécifiées so les suivaes : ρ [Ωm : résisivié du coduceur, MAX [A : coura maximum das l erouleme, [H : iducace, J [A/m : desié de coura, K b [ : coefficie de remplissage pour l erouleme, B MAX [ : champ d iducio de sauraio. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

151 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-4 Nombre de spires de l erouleme S J K S N S u b w 7.9 fil MS Secio du circui magéique (relaio 7.8) A e MS MAX S f MAX { 7.3 B K S J N B MAX b w KbSwJ NMS MAX Perméabilié équivalee du circui magéique μ e, doi êre doé e [H, l e [mm e A e [mm 6 l μ e 7.3 N μ A a résisace de l erouleme es doée par la relaio suivae : Nl J Nl J J ρ Vu 7.3 MS m m ρ ρ KbSwlm Su MS ρ MS imesioeme d u rasformaeur Alimeaio Forward ou Push-pull Pour u rasformaeur, la coraie première es direceme liée à la esio aux bores de l erouleme primaire e au emps peda lequel la esio es appliquée. ee iégrale doe la variaio oale de flux das le circui magéique (de la valeur miimum à la valeur maximum). e champ d iducio magéique variera de B max à +B max ou de à B max. Plus gééraleme o écri ΔB max. λ Δ h h u( ) d ΔBmax A max e 7.33 es gradeurs coues lors du dimesioeme du rasformaeur so : [V : esio aux bores de l erouleme primaire ΔB MAX [ : variaio maximum du champ d iducio magéique jms [V : esio efficace aux bores de chaque erouleme jms [A : coura efficace das chaque erouleme P j [W : Puissace moyee de chaque secodaire λ [Vs : Produi esio emps appliqué à l erouleme primaire SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

152 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-5 v () λ v () d Figure 7- : égrale de la esio pour la sélecio ou le dimesioeme d u rasformaeur e la relaio 7.33 o e dédui la secio équivalee du fer A e λ ΔB max 7.34 es ombres de spires des aures eroulemes so doés par les iveaux des esios secodaires 3 k k a secio du fils de chaque erouleme déped du coura efficace e de la desié de coura. E supposa que la desié de coura es la même pour chaque erouleme (JJ j ), o peu écrire j MS Suj 7.36 J a secio oale du cuivre, pred doc la forme suivae : S u k j j S uj k j j j MS J MS k j j MS J j MS MS k j P J j 7.37 oaissa la surface oale de cuivre, il es possible de déermier, à l aide du coefficie de remplissage, la surface de la feêre pour l esemble des eroulemes. E supposa u coefficie de remplissage ideique pour ous les eroulemes S W K S b u K b k P j 7.38 J MS j e choix d u circui magéique e le corps de bobie adapé es obeu par le produi des surfaces de la feêre S W e du fer S f. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

153 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-6 S f S W A S e W K b λ MS ΔB max k j P J j 7.39 e fois le circui magéique sélecioé, O peu déermier le ombre de spires de l erouleme primaire puis le ombre de spires, 3, de chaque secodaires. λ ΔB max A e 7.4 iducace magéisae au primaire h es direceme dépedae du ombre de spires de l erouleme e de j j A [ H 7.4 Pour ue alimeaio Flyback, le circui magéique sélecioé présee u erefer das lequel es socké la majeure parie de l éergie magéique. iducace es doc la plus peie possible (voir relaio 7.4). Pour l alimeaio Forward, le rasfer d éergie es direc. as ce cas il fau miimiser l éergie magéique e supprima ou erefer e par coséque e choisissa l iducace magéisae maximale. a répariio des surfaces de cuivre pour chaque erouleme es défiie par α m m m MS k j j MS j j k m MS j MS m MS j MS P P m o 7.4 e fialeme, la résisace de l erouleme j es doée par la relaio suivae : j l J l J j e j j ej ρ ρ ρ Kbα jswlej ρ α jvu 7.43 Suj j MS j MS j MS J Alimeaio Flyback a Figure 7- illusre le cas d ue alimeaio flyback géérale. erouleme primaire (idice ) es coecé à ue source de esio e à u rasisor permea la mise sous esio de l erouleme. es eroulemes secodaires (idices à k) permee la créaio de esios coiues () séparées galvaiqueme les ue des aures. erouleme (idice ) ser d orgae de mesure des esios de sories. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

154 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-7 GN(PW) V (P) (mesure mw) V 3 Vm V3 (P3) (P) V k GN(PW) Vk (Pk) GN(PW) Figure 7- : Alimeaio flyback Pour ue alimeaio flyback, deux modes de focioeme exise. E rasfer oal d éergie (mode iermie) il y a exicio du coura magéisa à chaque période de commuaio. as ce cas le calcul es ideique à celui des alimeaios Forward e Push-pull. Par core e rasfer d éergie pariel (coducio coiue) le coura magéisa i h () e s aule pas. O se rouve das ue siuaio ideique à celle du calcul d ue iducace. a Figure 7-3 doe la forme du coura au primaire e le coura magéisa lors du rasfer pariel d éergie. Q : ON i ( ) i N h( ) k 7.44 Q : OFF ik ( ) k N k ik k ( ) oura (magéisa) au primaire (Q : ON) SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE oura magéisa (QOFF) Figure 7-3 : oura magéisa das le rasformaeur E gééral, les paramères d erée d ue alimeaio flyback so les suivas : V MAX [V : esio coiue miimum au primaire V NOM [V : esio coiue omiale au primaire V MN [V : esio coiue maximum au primaire V k [V : esio coiue omiale sur chaque secodaire

155 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-8 P k [W : puissace maximum sur chaque secodaire η [% : redeme du rasformaeur J [A/m : desié de coura das les coduceurs primaires e secodaires K b [ : coefficie de remplissage pour les eroulemes, B [ : champ d iducio coiu (valeur moyee) B A [ : champ d iducio aleraif (valeur moyee ulle) F [Hz : Fréquece de commuaio a focio de coversio e rasfer pariel d éergie (coducio coiue) es doée par la relaio ci-dessous : Vk V k 7.45 où k représee le k ème erouleme secodaire. e coura moye au primaire lorsque le rasisor es ecleché (Q : ON) déped du rappor cyclique. h 7.46 es couras das les eroulemes secodaires e circule que lorsque le rasisor es décleché (Q : OFF). N k k k h 7.47 ou ecore k k Pk V k 7.48 es couras efficaces circula das les k eroulemes peuve êre calculés e focio des paramères d erée de l alimeaio flyback. MS Pk Δ h P k h + h 7.49 h V ηv Pour les eroulemes secodaires N MS k k + Δ k k k k V k P k 7.5 e champ d iducio magéique das le maériau magéique peu êre décomposé e deux paries, soi ue gradeur coiue B e ue parie aleraive (valeur moyee ulle) B A. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

156 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7-9 Figure 7-4 : hamp d iducio magéique das le rasformaeur B A + p v ( ) A e d V A e P VP B A A e 7.5 a parie A du champ d iducio magéique va permere de défiir le ombre de spires au primaire. E effe B A, pour u maériau magéique e ferrie, es gééraleme compris ere 5m e m. ViP 7.5 B A A e a parie du champ d iducio magéique va permere de défiir, pour u circui magéique doé, la valeur de l erefer doé sous la forme d ue perméabilié équivalee μ e. Pour de la ferrie, la valeur usuelle du champ d iducio magéique es de l ordre de m. B μ μ N N e e e h k k k le le k le k μ Pk V k 7.53 O a doc pour μ e μ e B h l e N B Pk V k k k l e 7.54 a surface oale de cuivre (primaire + secodaire) es doée par la relaio S u N P N N k + + N MS MS k k Su k k k J k J J ηv k k Vk Pk 7.55 e ombre de spires au primaire es pas cou. E uilisa la relaio 7.5 SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

157 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page 7- S u N Pk N VP k k + JBA Ae ηv k V k Pk 7.56 a surface de la feêre écessaire pour les eroulemes es proporioelle à la surface acive oale de cuivre e iverseme proporioelle au faceur de remplissage. O peur doc écrire S u A w 7.57 Kb e fialeme o peu déermier le produi A w A e A w A e N Pk N N V P k k Pk P + Pk K JB V b A η k V KbJB k A k η E fixa l ampliude A du champ d iducio magéique B A, de la relaio 7.58 il es possible d exraire le produi A w A e. Efi, le produi A w A e perme de déermier le ype de circui magéique. e fois le ype de circui magéique choisi e par coséque A e e le cou, le ombre de spires au primaire peu êre déermié à l aide de la relaio 7.5. l es à défiir la perméabilié équivalee, e d aure erme la valeur de l erefer à parir de la relaio esemble des aures paramères dimesioels so esuie faciles à calculer. SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

158 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page ES SEMONES E PSSANE es alimeaios à découpage so cosiuées, pour la parie puissace, de u ou plusieurs semicoduceurs. es us so commadés (rasisors) les aures so à ouverure spoaée (diode) 7.4. es MOFSE Gradeurs omiales de sélecio. as le bu de facilié la sélecio d'u composa, rois paramères e ue brève descripio du composa so mises e évidece. Figure 7-5 : escripio géérale esio rai-source : S. a valeur Jmax es doée pour ue esio GS ulle (cour-circui). ee valeur es idicaive car cee esio dimiue foreme avec la empéraure de jocio J ésisace rai-source à l'éa passa: SON. SON es ue valeur ypique, les codiios de mesure e so pas doées oura de rai e :. e coura de rai es égaleme ue idicaio. E pricipe cee valeur es doée pour ue empéraure de boîier de éférece sur les caracérisiques des MOSFE Pour plus de reseigeme sur les caracérisiques des diodes de puissace voir cours d élecroique de puissaces : chapire 7 : E MOSFE hp:// hapire 7 - es semicoduceurs de puissace, le MOSFE.pdf SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

159 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page es GB Gradeurs omiales e caracérisiques imporaes de sélecio. as le bu de facilié la sélecio d'u composa, rois paramères e ue brève descripio du composa so mises e évidece. Figure 7-6 : escripio géérale de l'gb esio olleceur-emeeur : V E. a valeur V Jmax es doée pour ue esio V GE ulle (cour-circui). oraireme au MOSFE, la esio de claquage es peu dépedae de la empéraure de jocio J oura de olleceur e :. e coura de olleceur es égaleme ue idicaio. ee valeur es doée pour ue empéraure de jocio J 5, soi la empéraure maximum de ravail esio olleceur-emeeur e coducio V E(sa). Par la aure même de l'gb, cee esio V E(sa) es foreme dépedae du coura de olleceur. Sa dépedace e focio de la empéraure es faible éférece sur les caracérisiques des GB Pour plus de reseigeme sur les caracérisiques des diodes de puissace voir cours d élecroique de puissaces : chapire 8 : GB hp:// hapire 8 - es semicoduceurs de puissace, l'gb.pdf SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE

160 HAPE 7 : MENSONNEMEN ES ÉÉMENS NE AMENAON À ÉOPAGE Page es diodes A parir de la opologie de l alimeaio, il es relaiveme simple de déermier les couras moyes, efficaces e maximum circula das les diodes. l e es de même pour les esios aux bores de chacue des diodes. es diodes doive commués rès rapideme, il fau doc les choisir das la caégorie «ulrafas». a charge de recouvreme doi êre aussi faible que possible Gradeurs omiales e caracérisiques imporaes de sélecio. as le bu de facilié la sélecio d'u composa, les paramères pricipaux e ue brève descripio du composa so mises e évidece. Figure 7-7 : escripio géérale de la diode es doées so isuffisaes pour la sélecio défiiive d'u composa. a descripio s'apparee plus à du markeig qu'à de la echique, éamois il es possible avec u peu d'habiude de défiir à quelle caégorie apparie le composa e d'e faire ue rapide comparaiso avec les aures fabricas oura moye das le ses direc : F(AV). l s'agi ici du coura moye () admissible das la diode e relaio avec la puissace dissipée correspodae permea de reser, sous ceraies codiios, das l'aire de sécurié eue e esio iverse : V M. ee esio correspod à la limie de la eue e esio d'ue diode polarisée e iverse ava l'appariio du phéomèe d'avalache due à ue ioisaio par impac emps de recouvreme rr. a valeur doée par le emps de recouvreme perme ue rapide esimaio du comporeme de la diode face aux peres de commuaio esio das le ses direc : V F. a esio de passage das le ses direc es doée pour u coura correspoda au coura moye F(AV) éférece sur les caracérisiques des OES Pour plus de reseigeme sur les caracérisiques des diodes de puissace voir cours d élecroique de puissaces : chapire 6 : A OE hp:// hapire 6 - es semicoduceurs de puissace, la diode.pd SYSÈMES ÉEONQES, ÈE PAE