Comment calculer la dissipation de puissance

Comprendre la dissipation de puissance d'un composant individuel, d'un bloc électrique ou même de tout le système électronique est essentiel pour les ingénieurs en électronique. Il est important non seulement pour éviter de dépasser les limites maximales des composants, mais aussi pour calculer des paramètres inconnus du côté entrée ou sortie, car la dissipation de puissance est liée à la tension et au courant du système. Dans cet article, je décris mes pratiques pour analyser la dissipation de puissance dans les conceptions électroniques.

Comment calculer la dissipation de puissance : Les bases

Tout d'abord, je vais passer en revue les bases de la dissipation de puissance sur lesquelles toutes mes méthodes d'analyse sont basées. La première règle concernant la puissance est la suivante : La puissance d'entrée du système est toujours supérieure à la puissance de sortie, et cela ne peut jamais être l'inverse, c'est-à-dire qu'il y a toujours une perte de puissance (Ploss) dans les composants, et c'est cela sa dissipation de puissance. La formule de dissipation de puissance est alors Pin–Pout.

Le flux de dissipation de puissance de base est présenté dans l'Image 1. Si nous injectons de la puissance dans le système, une partie de cette puissance est perdue à l'intérieur du système sous forme de chaleur, et la puissance de sortie est réduite. Ainsi, la puissance de sortie doit être inférieure à la puissance d'entrée.

La plupart des pertes de puissance deviennent finalement de la chaleur à l'intérieur d'un composant ; cela est généralement considéré comme de la dissipation de puissance. Dans le cas des composants actifs, une partie de la puissance totale peut être transférée vers d'autres formes d'énergie, ce qui est généralement considéré comme de la consommation de puissance. Par exemple, dans les LED, la puissance se compose de lumière émise (consommation de puissance) et de chaleur (dissipation de puissance). Ainsi, la dissipation de puissance est la chaleur, et la consommation de puissance est la puissance que nous voulons obtenir du système. Dans les formules de dissipation de puissance, nous n'analysons pas le transfert de puissance, par exemple, de l'électricité à la lumière, mais seulement combien le système ou un composant dissipe de puissance.

La deuxième règle concerne la relation entre la puissance électrique, la tension et le courant. Comme nous le savons, elle est donnée par la tension ajoutée multipliée par la consommation de courant d'un système, c'est-à-dire P = UI. La relation entre la tension et le courant est la résistance ou l'impédance, ce qui correspond à la loi d'Ohm bien connue U = RI ou U = ZI. Avec ces deux équations et leurs combinaisons, nous effectuons tous les calculs de dissipation de puissance suivants. Il est bon de se rappeler que ces lois sont toujours valides. Nous avons la même puissance électrique si une tension ajoutée est de 5V, et le courant est de 1A à travers une résistance de 5Ω, ou si la tension ajoutée est de 1V, mais la consommation de courant est de 5A à travers une résistance de 0.2Ω. Dans les deux cas, la dissipation de puissance est de 5W, que nous la calculions en utilisant la tension et le courant ou le courant et la résistance. Dans les calculs basés sur le courant, nous obtenons P = RI², avec P = 5Ω*1A² = 5W ou P = 0.2Ω*5A² = 5W.

Le troisième paramètre important dans l'analyse de la dissipation de puissance est l'efficacité, ƞ. L'efficacité indique à quel point l'énergie est bien transférée de l'entrée à la sortie.

• ƞ = Pout/ Pin

Étant donné que la puissance de sortie est toujours inférieure à la puissance d'entrée, l'efficacité est toujours inférieure à 1. De nombreuses fiches techniques de composants « puissance » fournissent l'efficacité, et avec ce nombre, nous pouvons estimer la quantité de puissance transférée de l'entrée vers la sortie et ainsi calculer les niveaux de tension et de courant. Le quatrième élément important à connaître est lequel change dans le système ; s'agit-il de la tension, du courant, ou des deux ? Typiquement, les composants passifs et les LED sont des « systèmes » dans lesquels la tension change de l'entrée vers la sortie, mais le courant reste le même. Dans les systèmes actifs, soit le courant, soit la tension, ou même les deux peuvent changer. Par exemple, les convertisseurs à découpage ont généralement des tensions et des courants différents en entrée par rapport à la sortie.

Dissipation de puissance moyenne ou de pointe ?

Souvent, la dissipation de puissance n'est pas constante mais varie dans le temps, de manière périodique. Dans ces situations, nous utilisons toujours les mêmes principes pour analyser la dissipation de puissance, mais nous devons comprendre quoi calculer. Si nous représentons la dissipation de puissance en fonction du temps pour la dissipation de puissance moyenne et de pointe, nous obtenons quelque chose de similaire à ce qui est présenté dans l'image 2. La dissipation de puissance moyenne est constante dans le temps, mais avec une dissipation de puissance variable, nous voyons des pics de puissance dans le graphique. La dissipation de puissance est une intégrale temporelle d'une période [1], [2], et pour les cas dans l'Image 2, la dissipation de puissance se situe où T = t3.

En pratique, une intégrale calcule la surface, qui est limitée par les courbes de puissance. Dans l'Image 2, la dissipation de puissance variable est A2, et la dissipation de puissance constante est A1. Si les deux dissipations de puissance sont mesurées à partir du même dispositif, le calcul de l'intégrale donne le même résultat pour les deux cas, de sorte que la surface de A2 est égale à la surface de A1.

Lors de l'analyse des formules de dissipation de puissance, nous devons comprendre comment prendre en compte la dissipation de puissance alternative lors de nos calculs. La moyenne additionne toute la puissance dissipée sur une période et la distribue de manière égale au sein de cette période. La dissipation de puissance de crête est la dissipation de puissance maximale à un moment spécifique, c'est-à-dire le maximum de p(t) dans l'équation (1) [1]. La dissipation de puissance moyenne inclut la dissipation de puissance de crête, mais aussi les moments où la dissipation de puissance est plus petite ou nulle. Ainsi, la dissipation de puissance moyenne est utile lorsque nous sommes intéressés par la puissance qui chauffe le composant. La dissipation de puissance de crête est utile lorsque nous l'utilisons pour analyser les pics de courant et de tension. Selon la référence [3], certains multimètres mesurent en mode AC la Racine Carrée Moyenne (RMS) d'un signal, et cette valeur a une relation directe avec la dissipation de puissance moyenne. Les références [1] & [2] montrent comment la dissipation de puissance moyenne est corrélée aux signaux AC mesurés en RMS, et cette relation est :

• Pᴬⱽᴱ = Iᴿᴹˢ * Uᴿᴹˢ

Si nous calculons la dissipation de puissance moyenne, nous pouvons vérifier les calculs simplement en mesurant les courants et tensions alternatifs en utilisant les réglages AC du multimètre. Bien sûr, si nous savons que nous avons des conditions DC dans notre système, nous devons mesurer le courant et la tension en mode DC.

Analyse de la dissipation de puissance : Changements de tension - Courant constant

Le premier exemple est simple mais applicable à tous les ingénieurs en électronique : le régulateur LDO. Ces régulateurs peuvent être modélisés de manière similaire à l'image 3. Nous pouvons également déterminer rapidement que le courant d'entrée et le courant de sortie sont presque les mêmes, mais les tensions diffèrent entre l'entrée et la sortie. Pour les systèmes à très faible consommation de courant, le courant de repos du LDO devient important, mais si le courant de sortie est relativement beaucoup plus grand que le courant de repos, nous pouvons l'ignorer.

Dans cet exemple, nous avons une tension d'entrée de 5V, une tension de sortie régulée de 3.6V et un courant de sortie DC de 140mA. Le calcul de la dissipation de puissance pour ce LDO est le suivant :

• Ploss = Pin – Pout
• = Vin * In - Vout * Iout
• = 5V*0.14A - 3.6V*0.14A
• = 0.7W – 0.504W
• = 0.196W

L'efficacité est alors

• ƞ = 0.504W/0.7W = 0.72

Dans l'image 4, nous pouvons voir les résultats de mesure réels pour cet exemple de LDO. Nous voyons que le courant d'entrée et de sortie sont les mêmes, et que les tensions d'entrée et de sortie sont différentes.

Nous considérons le paramètre critique, du point de vue de la dissipation de puissance, dans les systèmes à courant constant comme étant la différence de tension entre l'entrée et la sortie. Pour ceux-ci, vous devez analyser attentivement la chute de tension par rapport au courant et remarquer qu'elle se transforme en chaleur. Vous devez vous assurer que le composant sélectionné peut supporter la dissipation de puissance calculée et le concevoir pour 80 % du maximum indiqué dans la fiche technique. De manière similaire, nous pouvons analyser la dissipation de puissance des composants passifs, des LED, des diodes, des transistors, etc.

Analyse de la Dissipation de Puissance : Changements de Tension et de Courant

Notre deuxième exemple est plus compliqué : un régulateur à découpage. Un convertisseur abaisseur-élévateur, présenté dans l'image 5, est un système dans lequel la tension et le courant changent tous les deux. Dans cet exemple, la plage de tension d'entrée est de 10V à 20V, le courant d'entrée est inconnu car il dépend également de la tension d'entrée, la tension de sortie conçue est fixée à 13,5V et le courant de charge de sortie requis est de 80mA.

Nous commençons l'analyse de la dissipation de puissance en estimant d'abord le courant d'entrée que le convertisseur absorbe. Pour cela, nous utilisons des calculs de formules de puissance et d'efficacité basés sur la loi d'Ohm. La puissance de sortie du convertisseur est

• Pout = Vout * Iout

Pour cela, nous ajoutons l'équation de l'efficacité et obtenons

• Vout * Iout = ƞ * Pin

En continuant les calculs avec des nombres réels (Vin 20V) présentés précédemment, nous obtenons :

• 13.5V*0.08A = ƞ * 20V* Iin
• 1.08W = ƞ * 20V* Iin

Nous avons deux paramètres inconnus, et à partir de la fiche technique du convertisseur à découpage, nous devons vérifier l'efficacité pour les plages de tension et de courant utilisées. Dans ce cas, elle est d'environ ƞ = 0.85. Maintenant, nous pouvons calculer le courant d'entrée de notre régulateur à découpage :

• Iin = 1.08W/(0.85*20V) = 64mA

Maintenant, nous avons tous les paramètres pour calculer la dissipation de puissance du convertisseur à découpage, et obtenons la formule :

• Ploss = Pin – Pout = 0.064A*20V – 0.08A*13.5V = 1.28W – 1.08W = 0.2W

Une mesure réelle prouve que les calculs sont corrects, comme le montre l'image 6. Nous voyons que l'efficacité dans cet échantillon réel est légèrement meilleure que dans nos calculs, mais globalement, nous voyons que ce modèle d'analyse est entièrement précis.

De la même manière, nous pouvons calculer la dissipation de puissance en mode boost, nous pouvons voir à nouveau la corrélation entre notre calcul et les mesures réelles comme présenté dans l'image 7. Maintenant, le courant d'entrée analysé est

• Iin = 13.5V*0.08A / 0.85*10V = 0.129A

La dissipation de puissance en mode boost est alors :

• Ploss = Pin – Pout = 0.129A*10V – 0.08A*13.5V = 1.29W – 1.08W = 0.21W

Le convertisseur à découpage est un exemple de la dissipation de puissance d'un bloc d'alimentation électrique. Il ne prend pas en compte la dissipation de puissance des composants individuels, seulement la dissipation de puissance d'un système entier.

Quoi analyser ?

La dissipation de puissance a une relation étroite avec le chauffage d'un composant, et il est important de calculer tous les composants que nous reconnaissons comme critiques. Ces composants peuvent être des régulateurs de tension, des transistors, des diodes, des LED et des passifs. Pour les composants critiques, nous devons vérifier au moins la condition maximale extrême, qui se produit généralement lorsque la consommation de courant RMS est la maximale. Nous devons comparer la valeur maximale calculée au maximum du composant et nous assurer que cela n'est pas dépassé dans aucun cas pendant le fonctionnement normal du produit.

Deuxièmement, nous devons analyser la dissipation de puissance des blocs électroniques critiques, comme les convertisseurs à découpage, les circuits de commande et les étages de puissance. Pour cela, nous pouvons utiliser des calculs de dissipation de puissance comme travail de conception de base, comme nous l'avons vu dans l'exemple du convertisseur à découpage. De plus, il est utile de comparer la dissipation de puissance calculée aux valeurs des fiches techniques, mais le choix des composants individuels pour les blocs électroniques doit être basé sur la conception et les simulations.

Ensuite, nous devons analyser la dissipation de puissance de tout le système électronique. Nous devons additionner toutes les dissipations de puissance calculées des blocs électroniques et les comparer aux capacités de l'alimentation électrique. De cette manière, nous pouvons nous assurer que notre alimentation peut fournir la puissance requise pour l'appareil dans toute la gamme de tension d'alimentation.

Enfin, il ne faut pas oublier que la plupart de cette dissipation de puissance se transforme en chaleur, et nous devons analyser si l'électronique nécessite un refroidissement supplémentaire, ou si nous pouvons nous en accommoder.

Références

[1] Joe Wolfe, RMS et puissance dans les circuits AC monophasés et triphasés, Article web à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, Sydney, Australie.

[2] Freddy Alferink, Théorie et définitions : Énergie et puissance.

[3] Blog sur le site de Fluke : Qu'est-ce que le vrai-RMS ?