Alimentation isolée ou non isolée sans se tromper

En tant que concepteur de circuits imprimés, il se peut qu'à un moment de votre carrière vous deviez respecter certaines exigences réglementaires. Quelle soit destinée au domaine médical, automobile, militaire ou tout autre domaine de ce type, votre conception sera certainement examinée minutieusement et devra respecter des normes très strictes.

Souvent, lorsque ces réglementations sont en vigueur, l'isolement de l'alimentation (ou son absence) est un sujet qui revêt soudain une importance majeure.

Qu'est-ce que l'isolation électrique et qu'est-ce qu'une alimentation isolée ? Comme son nom l'indique, l'isolation électrique consiste à isoler l'alimentation des autres circuits d'un système.

Il s'agit d'une mesure courante dans les systèmes d'alimentation, et ce pour une bonne raison. Par exemple, si une alimentation non isolée alimente votre PCB médical, il y a un plus grand risque que l'alimentation provoque des chocs ou des surtensions et affecte votre appareil, ce qui pourrait blesser l'utilisateur (voire le patient !).

Comprendre les notions d'alimentation isolée et non isolée est essentiel pour garantir la sécurité des concepteurs et des utilisateurs.

Il n'est pas ici seulement question des unités d'alimentation en courant alternatif ou continu que vous pouvez trouver en laboratoire. De nombreux systèmes numériques et embarqués intègrent l'alimentation à la carte sans que celle-ci apparaisse comme un circuit intégré unique.

L'isolation de l'alimentation, même lorsque cette dernière est intégrée à la carte ou dans un système multi-cartes, contribue à protéger l'utilisateur final ainsi que les autres équipements.

Alors, faites preuve de prudence et réfléchissez bien à la question de l'alimentation isolée ou non isolée avant de commencer votre conception.

Qu'est-ce qu'une alimentation isolée ?

Une alimentation isolée est une alimentation qui est isolée électriquement du reste du circuit qu'elle alimente, le plus souvent grâce à un transformateur d'isolement. Cela signifie que la puissance et la tension sont transférées de l'entrée vers la sortie sans connexion électrique directe entre les deux sections.

Ces alimentations peuvent prendre en charge une tension d'entrée secteur importante, puis la convertir en une tension inférieure.

Les étages PFC et de régulation ultérieurs peuvent être utilisés pour restreindre le courant de sortie à une valeur stable, ce qui permet de protéger les composants en aval contre les surtensions et les pics de courant à l'entrée de l'alimentation.

Si nous prenons le cas d'une alimentation en courant alternatif ou continu de qualité professionnelle, il faut savoir que l'utilisateur sera amené à interagir avec l'étage de sortie de l'alimentation isolée. En d'autres termes, celui-ci est susceptible de brancher ou de débrancher des fils, d'ajuster certains réglages sur la face avant ou de manipuler de toute autre façon l'unité d'alimentation.

Isoler l'entrée de la sortie permet de minimiser les risques de choc pour l'utilisateur final lorsque celui-ci interagit avec l'alimentation.

Une topologie fréquente pour convertir du courant alternatif en courant continu avec une alimentation isolée est présentée ci-dessous.

Topologie simple pour l'étage de sortie d'une alimentation isolée via un transformateur d'isolement.

Dans la topologie ci-dessus, un transformateur abaisseur apparaît à l'entrée (entre tout filtrage d'IEM d'entrée et le circuit redresseur) aux fins de la conversion CA-CC. Notez toutefois que le transformateur peut aussi être positionné après le redresseur et le PFC, notamment en présence d'un convertisseur à découpage CC-CC isolé.

En général, pour les convertisseurs à découpage CC-CC à courant élevé qui nécessitent une isolation, la stratégie adoptée nécessitera la conduite d'un réseau en pont complet ou en demi-pont de MOSFET avec un train d'impulsion fourni par un circuit de commande de grille. C'est essentiellement ce qui est fait pour les convertisseurs résonnants LLC.

La sortie d'impulsion de ce circuit est ensuite réduite à une tension inférieure par un transformateur et lissée avec une batterie de condensateurs. Cette approche est également utilisée pour les convertisseurs flyback, qui sont un type courant de convertisseur CC-CC à découpage isolé, bien que la topologie puisse différer.

Il y a toutefois quelque chose que la topologie ci-dessus ne vous montre pas de manière explicite : comment est réellement implémentée l'isolation ainsi que la stratégie globale de mise à la masse.

Une alimentation isolée peut comporter jusqu'à 3 zones de masse :

• Masse primaire (PGND) : il s'agit de la zone de masse du côté primaire du transformateur, c'est-à-dire du côté d'entrée de l'alimentation. Si l'appareil est connecté à un courant alternatif monophasé ou triphasé, une connexion à la terre peut également être présente (voir ci-dessous) du côté de l'entrée. Elle agira en tant que connexion dans un circuit de filtrage EMI d'entrée. Cette zone de masse doit s'étendre jusqu'au côté primaire du transformateur, son bord définissant l'endroit où l'isolement se manifeste dans le système.
• Masse secondaire (SGND) : cette zone de masse commence du côté secondaire du transformateur et fournit la masse de référence pour le reste de votre système. Cette zone peut être flottante. Toutefois, dans le cas de systèmes haute puissance, un bruit important est alors susceptible d'apparaître si la masse secondaire oscille autour du niveau de la masse de référence, le côté secondaire agissant comme un conducteur flottant. Ce phénomène disparaît en courant alternatif avec l'utilisation d'un condensateur Y sur les deux zones GND.
• Masse de châssis (PE ou GND) : si elle est présente dans votre système d'alimentation isolée, il s'agit généralement d'une masse de sécurité. Celle-ci ne doit pas être connectée au côté sortie de votre alimentation isolée ni au retour d'alimentation de tout équipement ou carte en aval dans votre système. Le châssis n'est pas destiné à être un conducteur de courant, sauf en cas de défaillance.

Notez que les désignations « PGND » et « SGND » ne sont pas requises. Vous pouvez nommer vos signaux comme bon vous semble.

La façon dont nous allons connecter ces zones de manière à éliminer le bruit et à garantir la sécurité tout en maintenant l'isolation CC va dépendre de l'application à laquelle se destine votre système.

Voici quelques ressources pour vous aider à vous lancer :

• Comment connecter les masses sur un layout de circuit imprimé à alimentation isolée (en anglais)
• Techniques de mise à la masse des circuits imprimés pour les trous de montage de PCB plaqués.

Exemples de conception avec une alimation isolée

Les images ci-dessous illustrent un exemple de conception impliquant une alimentation isolée. Ici, deux niveaux d'isolation sont appliqués entre l'entrée et la sortie :

• Initialement, à l'entrée CA
• Entre l'étage de commutation push-pull et la sortie.

L'étage d'entrée CA n'est pas présenté ci-dessous, car il existe plusieurs conceptions de référence qui peuvent gérer la première tâche de conversion CA/CC.

La sortie de l'étage de rectification CA est envoyée vers un circuit PFC qui compense la réduction de l'efficacité de conversion de puissance du convertisseur par le biais d'une action de commutation.

L'étage de commutation isolée est présenté ci-dessous.

Il s'agit d'un convertisseur de commutation résonant LLC, une variante d'une conception que je vous ai déjà présentée par le passé. Celui-ci comporte un circuit de commande de grille supplémentaire qui commute les étages des côtés primaire et secondaire.

Nous savons que ce convertisseur est isolé car les masses primaire et secondaire sont des signaux différents ; ils ne sont connectés que par un condensateur de sécurité.

Vous trouverez ci-dessous d'autres topologies d'alimentation isolée standard. Ce ne sont que des topologies. Une commande de grille est également nécessaire pour entraîner la commutation.

Les véritables alimentations isolées comportent aussi un mécanisme de rétroaction. Le circuit de rétroaction mesure alors la sortie et ajuste le signal de commande MLI pour maintenir une tension cible.

En ce qui concerne ces topologies, il est important de noter que les systèmes de circuits peuvent être partiellement ou totalement intégrés dans un circuit intégré.

Ces circuits intégrés offrent une isolation galvanique élevée, avec un retour intégré et des circuits de support pour limiter le bruit. Ils sont plus communément utilisés dans les systèmes à faible consommation d'énergie qui nécessitent un faible bruit et une grande efficacité.

Les transformateurs offrent une isolation galvanique

Les alimentations isolées s'appuient sur un transformateur d'isolement pour fournir une isolation galvanique entre les sections d'entrée et de sortie.

Ces transformateurs transfèrent simplement la puissance entre les bobines à l'aide du champ magnétique généré par un courant alternatif dans chacune. La tension augmente ou diminue selon le ratio de virage du transformateur.

L'avantage de ce procédé est l'absence de connexion électrique directe entre les bobines d'entrée et de sortie du transformateur : les conducteurs de chaque côté ne se touchent pas. La puissance est transférée dans les deux zones de masse de l'appareil par induction. Cela permet de protéger tout ce qui se trouve en aval du transformateur des hausses de tension/courant du côté d'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 photocoupleur est généralement utilisé pour connecter la sortie à un régulateur antérieur. Ce composant s'appuie sur une diode infrarouge pour assurer l'isolation entre les étages de régulateur à haute et à basse puissance.

Pour les alimentations fonctionnant à basse tension/à faible courant, un photocoupleur peut ainsi être connecté directement à la sortie, même si certains circuits intégrés avec photocoupleur peuvent recevoir des niveaux de tension/courant plus élevés.

Une caractéristique à ne pas négliger en ce qui concerne les alimentations isolées est leur efficacité. Tous les transformateurs occasionnent des pertes, à la fois sous forme de chaleur dissipée dans l'enroulement et en raison de l'alternance de la magnétisation dans le noyau.

Le matériau magnétique utilisé dans le noyau (généralement le fer ou un alliage ferromagnétique de fer) est magnétisé d'avant en arrière lorsque le courant alternatif d'entrée oscille.

Lorsque le champ magnétique créé par l'entrée CA est très important, il peut entraîner une saturation de la magnétisation dans le noyau, ce qui limite la puissance de sortie (le rendement diminue) et engendre des pertes plus importantes. C'est l'un des facteurs qui déterminent la tension primaire des deux côtés du transformateur.

Ce type de transformateur se trouve souvent dans des alimentations isolées de taille conséquente.

Alimentation isolée ou alimentation non isolée

Maintenant que nous savons ce qui isole une alimentation de votre circuit, il semble assez évident que le retrait du transformateur de la chaîne de conception en fait soudainement une alimentation non isolée.

La conception d'une carte sans isolement électrique est une pratique courante. Toutefois, si vous travaillez sur des applications haute puissance ou utilisez une alimentation à commutation rapide, je vous encourage vivement à tenir compte de l'utilisateur final tout au long de votre parcours de conception. Cela pourra vous épargner un procès ou deux si votre client préféré venait à subir une décharge électrique qu'il n'oublierait pas de sitôt.

Il existe de nombreux avantages à la conception de ces alimentations non isolées.

Tout d'abord, vous bénéficierez d'une belle augmentation de l'espace disponible par rapport à une conception isolée, car vous n'aurez pas besoin de placer un transformateur dans votre boîtier. Il existe de petits transformateurs prêts à l'emploi pour des tensions et des courants plus faibles, mais l'augmentation de leur capacité se fera toujours au détriment de l'espace disponible sur la carte.

Les alimentations non isolées offrent par ailleurs une meilleure efficacité.

Du fait de leur conception, les alimentations non isolées présentent toujours un risque d'électrocution.

Il est important de noter qu'il est courant de placer ces alimentations non isolées en aval d'une alimentation isolée ou d'un régulateur de commutation isolé.

Selon cette approche, l'alimentation isolée est placée au niveau de la source de CA ou CC haute puissance, ce qui réduit alors la tension à un niveau suffisamment sûr pour un circuit intégré ou un circuit de régulateur de tension CC standard.

C'est un montage un peu plus complexe, mais qui présente l'avantage de vous offrir une protection qui répond à vos exigences en matière de sécurité. Il peut s'agir, par exemple, d'une alimentation électrique médicale autonome (isolée) qui alimente quelques dispositifs (non isolés) en aval.

Alimentation isolée ou non isolée : quelle est celle qui vous convient le mieux ?

En résumé, de manière générale, le circuit de régulation d'alimentation de votre carte sera une alimentation non isolée. Ces circuits sont constitués de petits circuits de régulation ou de puces qui ne nécessitent pas d'isolation, car ils ne génèrent pas beaucoup de courant ou ne fonctionnent pas à très haute tension.

Par ailleurs, même s'ils fonctionnent à un courant élevé, l'utilisateur ne risque jamais d'interagir avec le système d'une manière qui l'exposerait à un possible choc.

Par conséquent, les alimentations non isolées sont parfaites pour la majorité des petites cartes. Dans la plupart des cas, un convertisseur buck suivi d'un LDO suffiront à réguler la puissance jusqu'au niveau requis.

Que vous souhaitiez convertir un courant alternatif haute puissance en courant continu, ou un courant continu en courant continu haute puissance, cela implique généralement une alimentation isolée, dans la plupart des cas, conçue sur sa propre carte.

Ce qui se passe ensuite dépend des caractéristiques particulières de votre source d'alimentation (CA ou CC, secteur ou batterie, etc.), de la manière dont votre boîtier sera utilisé et de la définition de la masse dans tous les circuits ou systèmes en aval connectés à votre alimentation.

Comme indiqué précédemment, des alimentations isolées sont souvent nécessaires pour les secteurs réglementés et doivent respecter certaines normes. En voici quelques exemples :

• IEC 60601-1 pour les dispositifs médicaux
• IEC 62368-1 pour les équipements informatiques et audiovisuels (remplace IEC 60950-1 et IEC 60065)
• IEC 61204-7:2016 pour les alimentations générales à découpage.

Si toutes les normes industrielles ne sont pas toujours explicitement définies (par exemple, les réglementations de la FDA américaine sur les dispositifs cardiovasculaires 21CFR870.3605), des tests de sécurité et de CEM sont exigés pour garantir que ces dispositifs seront entièrement compatibles avec les autres composants électroniques et les normes de sécurité de base dans leur environnement prévu.

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