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RÉSUMÉ
L’objectif de cet article est d’introduire la rubrique Electronique de puissance pour les lecteurs de la ressource documentaire Electronique. La conversion statique à découpage de l’énergie électrique a largement envahi le domaine de l’électronique bas-niveau, analogique et/ou digitale ou encore radiofréquence. La rubrique s'adresse aux professionnels de ces domaines, qui font face à la nécessité d’implanter une fonction de conversion de tension à fort rendement énergétique ou bien plus récemment de gestion d’énergie électrique au sens large. Cet article décrit les motivations de la rubrique, ainsi qu’un guide de lecture, et enfin les perspectives de cette rubrique.
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Bruno ALLARD : Professeur des universités au Département de Génie Électrique, INSA Lyon - Chercheur au laboratoire AMPERE, Univ. Lyon, INSA Lyon, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
Cet article présente une courte introduction à l’électronique de puissance dans son acceptation pour les applications électroniques à faible puissance, c’est-à-dire une très grande gamme de produits où la régulation linéaire de tension est maintenant prohibée. Pour autant, il existe une étanchéité entre les mondes de l’électronique bas niveau et l’électronique de puissance. Il est rare qu’un enseignement sur la conception de circuits analogiques CMOS couvre les fondements de la conversion statique de l’énergie électrique. Le contraire est également vrai, mais n’est pas l’objet ici.
Aussi est née l’idée de proposer aux experts non familiers de ces fondements de l’électronique de puissance une collection dédiée à leur problématique. Il s’agit souvent de convertir une tension continue ou de l’asservir à une référence variable dans le temps, ou encore de produire une image négative d’une tension, mais avec un rendement énergétique élevé. La conversion statique couvre ces fonctions et bien d’autres, mais le propos sera volontairement réduit à quelques concepts choisis, comme par exemple la conversion sans isolation galvanique.
Le mécanisme de découpage, c’est-à-dire d’interruption brutale d’un chemin de courant pour en gérer la quantité, n’a pas les faveurs des ingénieurs en charge de la conception de fonctions électroniques délicates, car ils sont confrontés à du bruit, plus généralement reconnu sous le terme de Compatibilité ElectroMagnétique ou CEM. Enfin, contrairement au régulateur linéaire sous la forme d’un circuit intégré, un convertisseur de tension à découpage (à composants discrets) nécessite une boucle de contrôle dont il faut maîtriser la bande passante, la stabilité et les performances dynamiques. Une très grande complexité existe dans ce domaine et la collection a pour but d’aborder quelques principes fondateurs sans excès de détails.
Cet article a pour but de brosser un guide de lecture, de rappeler les motivations et les choix actés pour proposer une palette d’articles, ni trop simplistes, ni trop compliqués, et introduire la richesse des concepts en électronique de puissance. La rubrique est appelée à s’étoffer et les perspectives sont évoquées également. Elle ambitionne de donner aux experts non familiers de l’électronique de puissance l’envie de parcourir les sous-rubriques qui y sont dédiées.
Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des sigles utilisés.
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MOTS-CLÉS
Electronique de puissance DC-DC conversion hacheur série hacheur parallèle boucle d'asservissement en tension boucle d'asservissement en courant
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Guide de lecture
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1. Électronique et électronique de puissance
Les produits électroniques, en particulier fortement intégrés, embarquent des fonctions très sensibles au bruit et aux perturbations de tension. Aussi, le régulateur linéaire, particulièrement à faible chute de tension (Low Drop-Out, LDO) reste le convertisseur préférable ou préféré . Avec l’émergence de techniques de réduction de la consommation électrique par l’adaptation dynamique de la tension d’alimentation, le nombre de niveaux de tension continue à l’intérieur des systèmes a très largement augmenté. Cette technique d’adaptation dynamique de la tension de service des fonctions, souvent digitales, s’accompagne d’une adaptation de la fréquence (dynamic voltage and frequency scaling) . Or, le rendement d’un régulateur linéaire décroît proportionnellement au rapport entre la tension de sortie (régulée) et la tension d’entrée. Il est donc nécessaire d’adapter cette tension d’entrée pour limiter l’écart (ou drop) avec la tension de sortie.
La figure 1 présente un exemple d’un tel contexte, mais où un simple LDO rejette l’ondulation de tension issue du convertisseur à découpage, porteuse d’un spectre avec des harmoniques impairs de la fréquence de découpage, et dont les amplitudes dépendent de la complexité du convertisseur à découpage. Le bruit généré par le découpage ne perturberait pas les blocs fonctionnels sensibles, s’il était complètement filtré ou bien si les harmoniques nocifs se trouvaient en dehors de la bande passante des blocs fonctionnels.
Il existe plusieurs approches pour rejeter le bruit de découpage, les solutions technologiques...
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Électronique et électronique de puissance
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COULOT (T.) - Stratégie d’alimentation pour les SoCs RF très faible consommation. - Thèse de doctorat, Université Grenoble-Alpes (2013).
-
(2) - BURD (T.D.), BRODERSEN (R.W.) - Design Issues for Dynamic Voltage Scaling. - In Proceedings of the International Symposium on Low Power Electronics and Design, ISLPED’00, pp. 9-14 (2000).
-
(3) - TSE (K.K.), CHUNG (H.S.-H.), RON HUI (S.Y.), SO (H.C.) - A Comparative Study of Carrier-Frequency Modulation Techniques for Conducted EMI Suppression in PWM Converters. - IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 49, n° 3, pp. 618-627 (2002).
-
(4) - NEVEU (F.) - Design and implementation of high-frequency 3D DC-DC converter. - Thèse de doctorat, INSA Lyon (2016).
-
(5) - BATHILY (M.) - Design of DC/DC converters for RF Systems-on-Chip. - Thèse de doctorat, INSA Lyon (2010).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
IEEE PwrSoC workshop, manifestation bisannuelle internationale sur l’intégration de la gestion d’énergie électrique, http://pwrsocevents.com
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