[Methodologie] Tests d'alimentations
Fonctionnement Global

Dès le début de l’électronique, le problème de l’alimentation électrique s’est posé. En effet, la seule source d’énergie disponible au grand public, le secteur, n’était pas du tout adaptée aux composants électroniques ; alors que ceux-ci nécessitaient une basse tension continue (12 Volts ou moins), la tension du secteur délivrait du 230 Volts alternatif. Il a donc fallu l’adapter.

• L’alimentation linéaire

Dans un premier temps, on a donc utilisé un montage simple à base de transformateur. Grâce à lui, on pouvait abaisser la tension du secteur jusqu'à 12 Volts, voir moins. Problème : la tension obtenue restait toujours alternative. Du 230 Volts alternatif 50 Hz du secteur, on se retrouvait donc avec du 12 Volts alternatif 50 Hz. Avec quelques diodes pour supprimer la composante négative et une poignée de condensateurs pour lisser le signal, on arrivait à obtenir du 12 volts presque continu. Enfin, pour stabiliser cette tension et supprimer les variations liées au courant utilisé par la charge connectée, on complétait le montage avec un régulateur de tension.

Tout cela était la norme dans les années 70 et l’est encore maintenant lorsqu’il s’agit de fournir une faible puissance à un appareil électronique. Toutefois, dès le début des années 80, l’informatique changea radicalement les besoins en énergie : ceux-ci devinrent soudain nettement plus importants et les alimentations dites « linéaires » montrèrent rapidement leurs limites à cause de leur faible rendement. En effet, la puissance consommée sur le secteur était entre 2 et 3 fois plus importante que celle qui était restituée sous forme de courant continu régulé. Dans ces circonstances, pour fournir plusieurs centaines de Watts, il aurait fallu un transformateur énorme dont la puissance aurait été majoritairement gaspillée en chaleur par le régulateur. Pour cette raison, un nouveau schéma d’alimentation est apparu : l’alimentation à découpage.

 

• L’alimentation à découpage

Cette fois, le procédé est radicalement différent et nettement plus complexe. Tentons d’expliquer ça simplement. Le principale problème du montage linéaire expliqué ci-dessus ne tenait pas tant au transformateur en lui-même, mais plus au régulateur qui était après lui. L’idée de base de l’alimentation à découpage est donc de proposer une nouvelle façon de réguler la tension. Cette fois, on n’utilise plus le simple régulateur qui faisait office de résistance variable dans le montage linéaire, mais un « hacheur » de tension. En bref, la tension alternative du secteur est convertie en une haute tension continue (de l'ordre de 300 Volts), qui est elle même hachée en courtes impulsions electriques avant de passer dans le transformateur.

Pour tenter de comprendre, prenons un PCB standard d’une alimentation à découpage et voyons de quelle façon la tension est convertie :

 

 

Procédons par étapes :

1. La tension alternative 230V du secteur arrive ici. Elle passe par un fusible classique pour éviter qu'un court-circuit dans l'alimentation ne vienne perturber l'installation electrique et ensuite dans un filtre anti-parasitage constitué d'une self et d'un condensateur. On y trouve aussi généralement une protection minimaliste contre la foudre comme une varistance ou une diode transil.

2. Juste après, la tension du secteur est redressée par un pont de diode qui "inverse" les fronts négatifs du secteur. Celui-ci dissipe un peu de chaleur et est généralement doté d'un petit radiateur.

3. Element crucial d'une alimentation à découpage : les condensateurs d'entrée. A ce niveau, la haute tension issue du pont de diode se lisse et devient quasi-continue. La tension est alors d'environ 1.414 * 230 - 1.2 soit 324 Volts ! Cette énergie est stockée soit dans un condensateur de grosse capacité de 400 V, soit dans deux de 200 V, selon le type de fonctionnement. Ces condensateurs constituent une réserve d'energie. Ils ne cesseront de se charger (depuis le pont de diode) et de se décharger (vers les transistors de puissances).

4. Refroidi par un imposant dissipateur, voici le fameux étage de commutations qui "découpe" le courant. Celui-ci est constitué de transistors de puissance chargé de "hacher" le courant continu en provenance des condensateurs (3) pour en obtenir un signal carré composé d'impulsions de durée variable. Un peu comme si vous commutiez un simple interrupteur marche/arrêt très rapidement. La fréquence de commutation de ses transistors est élevée (jusqu'à 1 MHz, mais plus généralement de l'ordre de 30 à 100 KHz) mais surtout, la fréquence qu'ils utilisent n'est pas fixe : elle varie en fonction de la charge qui est connectée, nous en reparlerons plus tard. Bref, le courant qui arrive au transformateur à maintenant cette forme :

La largeur et la fréquence des impulsions étant fonction de la charge.

5. Le transformateur reçoit les impulsions haute tension en provenance des condensateurs par le biais des transistors (vous suivez toujours ?). La tension est ensuite abaissée à 5V et 12V grâce aux enroulements secondaires du transformateur. Contrairement aux montages linéaires dont le transformateur convertit un signal à 50 Hz, celui des alimentations à découpage est nettement moins volumineux grâce à la haute fréquence qu’il utilise.

6. Une fois le transformateur passé, on revient dans le schéma classique puisqu'il s'agit de reconvertir ce signal alternatif en signal continu. Pour cela, la première étape est le redressement par ? par ?? par des diodes ! Oui, comme à l'étape 2. Si vous avez trouvé tout seul, vous avez tout compris, bravo. Ces diodes sont toutefois légèrement différentes puisqu'elles doivent être adaptées à de hautes fréquences. On utilise donc des diodes dites "Schottky", capables de commuter très rapidement. Celles-ci sont des modèles de puissances qui sont aptes à traiter un signal carré, nettement plus "brutal" qu'un signal sinusoïdal. C'est pourquoi elles sont généralement doublées et surmontées d'un dissipateur nettement plus imposant que celui qu'on retrouvait à l'étape 2.

7. Une fois le signal redressé, il faut le lisser et le filtrer afin qu'il soit parfaitement continu et qu'il y ait le moins de variations possible, car c'est l'étape finale avant qu'il ne se retrouve dans votre carte-mère et vos précieux périphériques. Pour cela, on utilise des condensateurs, qui lissent une tension (exprimées en Volts) et des inductances, qui lissent un courant (en Ampères cette fois). Certains hurleront au scandale pour cette explication simpliste, mais de toute façon, ce site web tout entier est un scandale.

Vous devriez maintenant avoir compris le secret d'une alimentation à découpage : les variations de la charge ne sont plus compensées par un régulateur inefficace, mais par la fréquence de découpage des transistors, ajustée en permanence par un microcontrôleur. Ceci permet d'augmenter très nettement l'efficacité de l'alimentation en minimisant les pertes dues à l'échauffement. Bien sûr, le procédé à quelques limites, comme les nombreuses perturbations et autres parasites qu'il génère. Mais vous avez déjà pris trop d'aspirine pour que je me lance dans l'explication du phénomène, et en plus, mon petit doigt me dit que vous n'en avez rien à cirer.

 

• Génération des tensions

Reste maintenant à expliquer comment sont générées toutes les tensions et faire un point sur les fameuses histoires de "rails" chers aux prospectus marketings destinés aux geeks hardwarophiles. Mais commençons par détailler les différentes tensions présentes dans un bloc d'alimentation

+12V : La tension de loin la plus utilisée. Celle-ci est générée directement par le transformateur de l'alimentation.

+5V : Même chose pour le +5V, issue elle-aussi directement du transformateur

+3.3V : Contrairement au +12V et +5V, le 3.3V n'existe pas en sortie du transformateur et est donc généré à partir de la sortie +5V. Pour cela, il existe trois solutions. La première consiste à rajouter un simple réducteur de tension aprés le filtrage sur le rail +5V afin de créer un +3.3V. C'est ce qui est généralement utilisé dans les alimentations bas de gamme. La seconde solution est plus efficace, mais aussi plus couteuse : on récupére la tension +5V directement en sortie du transformateur et on crée une ligne de filtrage entièrement dédié au +3.3V, qui dispose alors de ses propres diodes, inductances et condensateurs. Enfin, derniere solution rarissime, la présence de transistors de commutation, d'un transformateur dédié au +3.3V et d'une ligne de filtrage. Le Grand Luxe ! A part ce cas peu fréquent, les rails +5V et +3.3V sont donc issus du même endroit. C'est pour cette raison que les puissances de ces deux rails sont liées et généralement dites "combinées".

+5VSB : Cette tension est présente dés que l'alimentation est connectée au secteur, même lorsqu’elle est apparemment éteinte. Elle est utilisée pour alimenter la carte-mère de façon minimaliste (2.5A maximum) afin de gérer le Wake-On-Lan, le mode Suspend-to-RAM ou bien encore la mise en route du PC avec une touche du clavier. La particularité de ce rail est qu'il utilise une ligne complètement dédié, sorte de reproduction miniature de circuit d'alimentation principal. Sur la photo du PCB, on voit distinctement le second petit transformateur chargé du 5VSB.

-5V : Cette tension négative est maintenant obsolète et n'est plus présente dans la majorité des alimentations récentes. Elle était utilisée sur d'anciennes carte-mère ISA au temps des 486.

-12V : Toujours présente bien que très peu utilisée, le -12V sert généralement à de très rares cartes-mères pour alimenter des amplificateurs opérationnels ou des ports de communication externe. Elle est donc générée en marge du système d'alimentation principal grâce à un petit convertisseur/inverseur et ne peut délivrer qu'un très faible courant.

• Les Rails +12V

Parlons maintenant de ces fameux rails 12V. Comme nous l'avons vu, la source primaire du 12V provient d'un seul et unique endroit. Dans ce cas, comment peut-on parler de "rails" multiples ou pourquoi ceux-ci existent-ils ? Depuis la version 2.0, la norme ATX spécifie deux lignes 12 Volts (+12V1 et +12V2) afin de répondre à une contrainte physique simple : vu que ce rail devenait de plus en plus chargé, il fallait multiplier le nombre de câbles afin d'éviter leurs échauffements provoqués par les forts courants. Pour cette raison, un connecteur (et donc des câbles) supplémentaire, destiné à alimenter le processeur, gros consommateur de courant, ont été ajouté. C'est le "rail" +12V2.

Jusque là, tout allait bien, mais une légère modification des normes de sécurité présente dans la révision 2.2 du standard ATX a provoqué une multiplication des rails :

Ce chapitre 3.2.4 stipule qu'aucune sortie (donc qu'aucun "rail") ne doit délivrer plus de 240 VA, ce qui fait 20A sous 12 Volts. C'est la raison pour laquelle beaucoup de fabricants d'alimentation créent une pléthore de rails 12V limités à 20A chacun :

Comme on le voit sur cet alimentation Tagan, l'alimentation comporte 6 rails +12V limités à 20A dont le total ne peut excéder 70A, limite de l'étage transformation / redressage / filtrage de la ligne primaire 12V.

Mais au fait, comment découpe-t-on un rail ? De la même manière qu'on met une multi-prise sur une prise éléctrique, ni plus ni moins. Parfois, sur certaines alimentations haut de gamme, on trouve quelques condensateurs dédiés à chaque rail, mais le principe de base reste d'une extrême simplicité. En fait, les fabricants ajoutent généralement un petit shunt (une résistance très faible) qui permet de mesurer le courant et s'assurer que celui-ci ne dépasse pas 20A comme on le voit ici :

Les bouts de fils marqués RS1 et RS2 servent à mesurer le courant qui circule dans les cables +12V1 et +12V2. Si celui-ci dépasse les 20A, l'alimentation se met en sécurité alors qu'elle serait parfaitement capable de fournir 40A dans un seul des rails.

Le revers de la médaille, et nous en avons fait les frais récemment, reste l'impossibilité pour ces alimentations de fournir une puissance supérieur à 240 Watts sur un seul rail. Elles ne pourront donc pas fonctionner avec un système Quad SLI qui nécessite plus de 20A sur une unique ligne 12 Volts. Un point important à prendre en compte lors d'un achat !