Batteries lithium-fer-phosphate ou lithium-ion pour systèmes embarqués
Pendant votre carrière de concepteur de PCB, vous devez évidemment respecter des exigences réglementaires. Que ce soit dans le domaine médical, automobile, militaire ou autre, votre projet sera certainement examiné de près et soumis à des normes très strictes. Souvent, lorsque ces règlements sont en vigueur, l'isolement de l’alimentation du circuit imprimé (ou son absence) est un thème particulièrement fréquent.
Qu'est-ce que l'isolation électrique et qu'est-ce qu'une alimentation électrique isolée ? L'isolation électrique est essentiellement ce à quoi elle ressemble : l'alimentation électrique est isolée du reste du circuit appliqué. Cette situation est courante parmi ces agences pour des raisons évidentes, notamment dans le domaine médical. Si une alimentation électrique non isolée est installée dans une PCB dans un dispositif médical, il y a un plus grand risque que des chocs dangereux se produisent dans l'alimentation et dans votre appareil, ce qui pourrait nuire à l'utilisateur (et peut-être même au patient !). Alors que ces risques sont faciles à éviter.
La compréhension des alimentations électriques isolées et non isolées est une question de sécurité pour le concepteur et l'utilisateur. Mais nous ne parlons pas des blocs d'alimentation CA ou CC que vous trouvez dans un laboratoire. Pour de nombreux systèmes électroniques d’alimentation et systèmes embarqués, l'alimentation électrique est intégrée dans la carte, et elle n'est pas un circuit intégré unique. L'isolation de l'alimentation électrique, même lorsqu'elle est intégrée dans la carte, est nécessaire pour protéger l'utilisateur final et l'équipement. Alors facilitons-nous la vie et réfléchissez à la différence entre une alimentation électrique isolée et non isolée avant de commencer votre conception.
Qu’est-ce qu’une alimentation électrique isolée ?
Une alimentation électrique isolée est électriquement isolée du reste du circuit qu'elle alimente, souvent par un transformateur d'isolation. Cela signifie que le courant et la tension sont transférés de l'entrée à la sortie sans connexion électrique directe entre ces deux sections. Ces alimentations peuvent accepter une tension d'entrée importante fournie par une source CA et la convertir en une tension inférieure. Les étages PFC et régulateurs ultérieurs limitent le courant de sortie à une valeur stable, ce qui garantit que les composants en aval sont protégés contre les grandes variations de tension et de courant à l'entrée de l'alimentation électrique.
Pour une alimentation du circuit imprimé en courant continu ou alternatif de qualité laboratoire, l'utilisateur devra interagir avec l'étage de sortie de l'alimentation isolée. En d'autres termes, ils peuvent avoir besoin de brancher ou de débrancher des fils, de régler certains paramètres sur le panneau avant ou de manipuler le bloc d'alimentation de toute autre manière. En isolant l'entrée de la sortie, l'utilisateur final de l'alimentation électrique est moins exposé aux risques de choc lorsqu'il travaille avec l'alimentation électrique. Une topologie typique pour convertir le CA en CC avec une alimentation électrique isolée est présentée ci-dessous.
Topologie simple pour l'étage de sortie d'une alimentation électrique isolée via un transformateur d'isolation.
Pour une conversion CC-CC, une alimentation isolée doit d'abord convertir un CC à haute puissance en un signal CA (comme avec un convertisseur LLC résonant), qui est ensuite réduit à une tension plus faible avec un transformateur. Les étages redresseurs/régulateurs indiqués ci-dessus convertissent ensuite la nouvelle tension d'alimentation en courant alternatif du côté de la sortie en courant continu. Des conceptions plus complexes, telles qu'un convertisseur à retour-ligne ou un autre convertisseur CC-CC à commutation isolée, utiliseront un MOSFET à commutation pour générer une forme d'onde variant dans le temps, qui est ensuite réduite du côté de la sortie et régulée.
Les transformateurs assurent l'isolation galvanique
Une alimentation électrique isolée utilise un transformateur d'isolation pour fournir l’isolation galvanique entre les sections d'entrée et de sortie. Les transformateurs transfèrent simplement l'énergie entre les bobines en utilisant le champ magnétique généré par un courant alternatif dans un solénoïde, et la tension est augmentée ou diminuée, selon les besoins d'énergie en aval. L'avantage de l'isolation avec un transformateur est qu'il n'y a pas de connexion électrique directe entre les bobines d'entrée et de sortie du transformateur ; les conducteurs de chaque côté ne se touchent pas. L’énergie est uniquement transférée entre les bobines par induction. Cela permet de protéger tout ce qui se trouve en aval du transformateur contre la haute tension/courant à l'entrée, ou, en d'autres termes, de l'"isoler".
Lorsqu'une boucle de rétroaction est nécessaire pour surveiller et contrôler la puissance de sortie, un opto-isolateur est normalement utilisé pour relier la sortie à un étage de régulation antérieur. Ce composant utilise une diode infrarouge pour assurer l'isolation entre les étages de régulation de forte puissance et de faible puissance. Pour les alimentations de circuits impirmés qui ont une faible tension/ courant, un opto-isolateur peut généralement être connecté directement à la sortie, bien qu'il existe certains circuits d'opto-isolateur intégrés qui peuvent recevoir des niveaux de tension/ courant plus élevés.
L’efficacité est un point essentiel à évaluer dans une alimentation électrique isolée. Tous les transformateurs présentent des pertes, à la fois sous forme de chaleur dissipée dans le bobinage et sous forme de magnétisation alternée dans le noyau. Le matériau magnétique du noyau (généralement du fer ou un alliage ferromagnétique à base de fer) est magnétisé en va-et-vient lorsque le courant alternatif d'entrée oscille. Lorsque le champ magnétique créé par l'entrée CA est très important, il peut provoquer une saturation de l'aimantation dans le noyau, ce qui limite la puissance de sortie (diminue le rendement) et crée des pertes plus importantes dans le noyau.
Ce type de transformateur peut être intégré dans un grand système d’alimentation électrique isolée.
Alimentation électrique isolée ou non-isolée
Maintenant que nous savons ce qui peut isoler l’alimentation et votre carte, il est assez évident que le fait de retirer le transformateur de la chaîne de conception en fait soudain une alimentation non isolée. La conception d'une carte sans isolation électrique est une pratique courante, en particulier en dehors des agences de régulation, mais je vous invite néanmoins à tenir compte de l'utilisateur final tout au long de votre processus de conception, car vous pourriez vous éviter un ou deux procès lorsque votre alimentation donnera à votre client préféré un choc qu'il n'oubliera pas de sitôt.
Les avantages de ces modèles d’alimentation non isolés sont nombreux, d’un point de vue de la conception. Tout d'abord, vous bénéficierez d'un plus grand espace sur la carte par rapport à une alimentation électrique isolée, car vous n'aurez pas besoin de mettre un gros transformateur dans votre dispositif. Vous bénéficierez également d'une efficacité accrue grâce à une alimentation électrique non isolée.
Les fournitures pour une alimentation non isolée présentent toujours un risque de choc électrique de par leur conception.
Il convient de noter qu'il est de pratique courante de placer les alimentations non isolées en aval d'une alimentation isolée (parfois physiquement séparées les unes des autres). Dans cette stratégie, l'alimentation électrique isolée est placée à la source CA ou CC à haute puissance, qui abaisse ensuite la tension à un niveau suffisamment sûr pour un circuit intégré ou un circuit régulateur CC standard. C'est un peu plus complexe, mais cela a l'avantage de vous donner une protection adéquate et conforme à vos exigences de sécurité. Vous en avez un exemple dans une alimentation électrique médicale autonome (isolée) qui alimente une poignée d'appareils (non isolés) en aval.
Quelle solution répond le mieux à vos besoins ?
Comme indiqué précédemment, ces alimentations électriques sont souvent nécessaires dans les industries réglementées. Citons par exemple la norme de sécurité IEC 60601-1 pour les dispositifs médicaux, IEC 62368-1 pour les équipements informatiques et audiovisuels (remplace IEC 60950-1 et IEC 60065), et IEC 61204-7:2016 pour les alimentations générales à commutation.
Après la présentation des faits, des avantages et des utilisations, savez-vous laquelle convient à votre scénario opérationnel ? N'oubliez pas que la création d'une alimentation électrique isolée sur votre carte prendra un peu de place et sera légèrement moins efficace, mais elle protège l'utilisateur final contre les chocs électriques et peut facilement alimenter une alimentation non isolée.
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