Sélection d'une alimentation intégrée

Un besoin très courant est de sélectionner une alimentation interne AC-DC pour un produit final dans la gamme de quelques à plusieurs centaines de watts. Au bas de l'échelle, une alternative pourrait être une alimentation externe ou un « adaptateur », mais au-dessus d'environ 100 W, il est normal d'opter pour un produit intégré en tant que module acheté, peut-être monté sur châssis ou sur PCB. Les plus courageux pourraient même envisager une conception interne, surtout si les performances requises ne sont pas standard.

Pourquoi interne ?

Voyons d'abord pourquoi une alimentation interne peut être choisie. Pour les produits commerciaux, les consommateurs n'aiment pas les « adaptateurs » en ligne encombrants, mais à faible puissance, une « verrue murale » n'est pas une grande imposition et à mesure que la technologie progresse, plus de puissance est extraite des boîtiers plus petits, dans la mesure où le l'adaptateur est à peine plus gros que la prise murale elle-même. L'utilisation d'une alimentation externe plaît également au concepteur du produit :les tensions dangereuses sont maintenues à l'extérieur, ce qui facilite grandement la certification de la sécurité du produit final.

Les inconvénients sont que la longueur du câble entre un adaptateur et le produit chute de tension, ce qui nécessite peut-être des régulateurs supplémentaires dans le produit et il n'y a généralement aucune possibilité de contrôle « intelligent » de l'alimentation, comme l'arrêt en mode « veille » ou un réglage dynamique de la tension de sortie. Un autre problème est que la conformité globale aux normes EMI relève toujours de la responsabilité du fabricant du produit final, de sorte qu'un adaptateur avec sa variabilité de production et son parcours de câble indéterminé doit être inclus dans les tests CEM et peut produire des résultats incohérents. Pour cette raison, il n'est pas rare que des adaptateurs en ligne soient installés à l'intérieur des produits finaux pour une sécurité et une conformité EMI plus faciles.

À des puissances plus élevées, ou lorsque le contrôle et la fonctionnalité sont importants, une alimentation électrique interne ou « équipement » est préférable. La décision doit être prise le plus tôt possible dans le processus de développement du produit, car il s'agit d'une plainte courante (et souvent justifiée) des ingénieurs en électricité du système selon laquelle ils doivent se procurer une alimentation électrique intégrée qui s'adapte « à tout l'espace restant ». Cela peut entraîner des compromis sur les coûts et les performances et, au pire, la nécessité d'une solution personnalisée avec des retards et des risques associés.

La sécurité, la compatibilité électromagnétique et la conformité environnementale sont primordiales

Une alimentation intégrée doit fournir les volts et les ampères nécessaires, mais il existe de nombreuses autres considérations. Les plus importants sont peut-être la sécurité, la CEM et la conformité environnementale - l'utilisation finale du produit est le guide ici ; différentes normes s'appliquent pour une gamme d'applications :industrielle, domestique, test et mesure, médicale et automatisation du bâtiment par exemple. Si le produit doit être utilisé dans des domaines spécialisés tels que le rail ou l'armée, les normes sont à nouveau différentes. Même au sein des domaines d'application, il existe des variations - les environnements des patients ou des opérateurs dans le domaine médical, par exemple.

Une tendance est que les nouvelles normes de sécurité soient « basées sur les risques », ce qui oblige un fabricant à examiner en outre comment son produit pourrait être utilisé à mauvais escient ; la sélection d'une alimentation interne garantit au moins qu'un adaptateur inapproprié n'est pas remplacé. La sélection des bonnes certifications est extrêmement importante et complexe, mais des fournisseurs d'alimentation réputés peuvent souvent vous aider si un ingénieur de conformité expérimenté n'est pas disponible.

La mécanique est peut-être la prochaine considération, non seulement la forme et la taille, mais aussi les connecteurs et les dispositifs de refroidissement. Les alimentations « open-frame » sont populaires et peu coûteuses, souvent avec des couvercles en option qui sont nécessaires si un technicien peut s'attendre à avoir un accès interne au produit pendant qu'il est sous tension. Une autre alternative est le format rail DIN qui est courant dans les panneaux de câblage (Figure 1).

Figure 1 :Options d'alimentation interne AC-DC typiques. (Source CUI)

Les produits d'alimentation interne ont généralement des bornes à vis ou des connecteurs enfichables pour l'entrée et les sorties CA, généralement de style « Molex™ ». Dans ce cas, les câbles, les bornes, les fusibles, les commutateurs et tout connecteur de châssis doivent être correctement évalués et certifiés pour l'application. Des interférences peuvent très bien être détectées sur des câbles d'entrée CA externes à l'alimentation mais internes au produit, les tests EMI peuvent donc montrer qu'un filtre certifié supplémentaire monté sur châssis est nécessaire à proximité de l'entrée d'alimentation.

La mise à la terre nécessite une attention particulière ; si le connecteur du module d'alimentation est débranché à l'intérieur du produit, il doit toujours y avoir une mise à la terre séparée du châssis de l'équipement à l'entrée au cas où un fil sous tension se détacherait. En règle générale, toutes les connexions à la terre ne doivent pas être « enfichables » à moins que le débranchement du connecteur ne supprime simultanément et complètement les connexions sous tension du produit. Si ce n'est pas le cas, la mise à la terre doit se faire par une fixation « permanente » qui ne peut être desserrée qu'avec un outil et comporter une rondelle frein ou autre technique anti-vibration. Le codage couleur et le calibre du câblage doivent bien entendu être respectés conformément à la norme de sécurité appliquée, avec une décharge de traction des câbles si nécessaire.

Les fusibles d'entrée pour les alimentations internes doivent être dimensionnés avec soin

Les alimentations électriques internes avec des connexions CA câblées à un connecteur de châssis doivent inclure un fusible simple ou double approprié à l'entrée, selon le cas. N'oubliez pas qu'un fusible CA produit final protège les câbles et les connexions en amont, et non l'alimentation interne, des courts-circuits et des surcharges. Certes, il doit laisser passer le courant de fonctionnement normal avec une certaine marge d'appel, mais il doit également être évalué de manière à ce que le câblage CA externe vers le produit final ne soit pas surchargé avant que le fusible ne s'ouvre après un court-circuit à la terre entre le connecteur du châssis et l'alimentation fournir. Même si le câble externe est conçu pour des courants très élevés, le fusible doit avoir une valeur de coupure inférieure à celle de tout fusible ou disjoncteur en amont, afin d'éviter un défaut provoquant la déconnexion de plusieurs circuits, c'est-à-dire une « coordination » correcte du fusible - une préoccupation critique en milieu professionnel (Figure 2).

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Figure 2 :Les valeurs des fusibles dans un système doivent être « coordonnées » :valeur Fusible 1 > Fusible 2 > Fusible 3. (Source CUI)

Lorsqu'elles sont prises ensemble, les considérations de connexion CA discutées influencent le choix de l'alimentation interne, avec le type de cadre ouvert le moins cher ne donnant pas nécessairement le coût global du système le moins cher s'il n'a qu'une conformité CEM marginale et qu'un filtrage supplémentaire est requis.

La méthode de refroidissement dicte le type d'alimentation

Les considérations de refroidissement sont importantes; les alimentations internes peuvent être par ventilateur, par convection naturelle ou refroidies par plaque de base avec le choix en fonction du produit final et de son application. Les ventilateurs peuvent être exclus dans certains environnements tels que le médical, pour des raisons de bruit ou dans des applications où le remplacement serait difficile, mais les alimentations refroidies par ventilateur seront généralement plus petites que les autres types. Si une alimentation refroidie par ventilateur est choisie, les chemins d'admission et d'évacuation d'air doivent être soigneusement identifiés pour éviter les « points morts » de l'air, en particulier si d'autres ventilateurs du système fonctionnent. Des fabricants comme CUI fournissent des directions de flux d'air et des tailles de ventilateur recommandées dans les fiches techniques de leurs produits; ceux-ci doivent être pris en compte lors de la conception de l'alimentation dans un système (Figure 3).

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Figure 3 :Les recommandations concernant la taille, la direction et la distance du ventilateur doivent être prises en compte pour éviter les « points morts » de l'air. (Source CUI)

Les alimentations refroidies par convection sont sensibles à l'orientation et doivent être situées en tenant compte des autres composants générant de la chaleur pour éviter une surchauffe mutuelle. Les fabricants ne peuvent pas prédire les dispositions du produit final, ils évalueront donc les alimentations pour une température ambiante de « fonctionnement ». Il s'agit de la température ambiante « locale » dans l'enceinte du produit final qui peut être considérablement plus élevée que la température extérieure et ne sera connue avec précision que par simulation et/ou mesure dans un système complet dans des conditions de charge définies.

Des alimentations refroidies par plaque de base sont également disponibles pour les boîtiers scellés et éliminent l'incertitude du chemin du flux de chaleur. Un « mur froid » plat doit cependant être disponible, avec plusieurs fixations à l'alimentation. Il peut être nécessaire d'utiliser un composé thermique à l'interface avec une feuille de transfert thermique en silicone, une autre possibilité.

Lors du dimensionnement des alimentations et de leurs besoins en refroidissement, il convient de vérifier quelle puissance continue et de pointe est requise. Parfois, une alimentation électrique plus petite et moins chère peut être utilisée si elle a une puissance nominale élevée et que la charge est intermittente.

Les experts peuvent guider votre choix

Il existe un large choix d'alimentations internes disponibles et celle qui convient le mieux dépend de nombreuses considérations. Pour un coût et un risque minimum, le type d'alimentation doit être identifié le plus tôt possible en tenant dûment compte de la conformité aux normes, de l'application, de l'environnement de refroidissement et de la facilité d'intégration dans le câblage et la mécanique du produit final.

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Ron Stull est ingénieur en systèmes d'alimentation chez CUI Inc. Ron a accumulé une gamme de connaissances et d'expérience dans les domaines de l'alimentation analogique et numérique ainsi que de la conversion de puissance ca-cc et cc-cc depuis qu'il a rejoint CUI en 2009. Il a joué un rôle clé sur l'équipe d'ingénierie de CUI avec des responsabilités comprenant le support des applications, les tests et la validation, et la conception. En dehors de l'ingénierie électrique, Ron joue de la guitare, court et fait des tournées en plein air avec sa femme, où leur objectif est de visiter tous les parcs nationaux des États-Unis.

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