Conception et agencement de circuits PFC pour systèmes d'alimentation

Aussi bien que nous le voudrions, l'entrée de puissance dans un PCB n'est pas toujours un signal DC propre ou sinusoïdal. Le DC provenant d'un redresseur aura une certaine ondulation due au condensateur de sortie, et les signaux AC peuvent contenir du bruit ou être des ondes sinusoïdales moins que parfaites. Il existe des moyens de corriger ces problèmes, soit en choisissant le bon circuit de filtration, soit en formant l'onde d'entrée pour produire une sortie de puissance maximale à une charge dans le système.

Si vous travaillez avec un système d'alimentation AC, vous aurez probablement besoin d'une correction du facteur de puissance (PFC) pour réduire votre consommation de courant/puissance à l'alimentation, ou pour augmenter la puissance disponible pour la charge. Bien que les circuits de PFC soient disponibles sous forme de CI, ils ne peuvent pas gérer les exigences des systèmes à haute tension/fort courant. Vous aurez besoin de votre propre conception et agencement de circuit PFC sur le PCB pour augmenter votre facteur de puissance près de 1. Voici comment vous pouvez concevoir et simuler votre propre circuit PFC, et nous vous donnerons quelques conseils d'agencement pour votre circuit PFC.

Qu'est-ce que la Correction du Facteur de Puissance ?

Le facteur de puissance d'une alimentation est le rapport entre la puissance réelle consommée et la puissance apparente (en volts et ampères RMS), et ce nombre varie de 0 à 1. Un régulateur à découpage typique dans un circuit d'alimentation connecté à une source AC avec un redresseur va tirer du courant par petites rafales une fois que la tension d'entrée approche de son pic. Plus le courant tiré de la ligne d'entrée s'écarte de la forme d'onde de tension sinusoïdale, plus le facteur de puissance sera petit. Le facteur de puissance est essentiellement une autre métrique pour l'efficacité énergétique.

À titre d'exemple, supposons qu'un régulateur a une efficacité de 96 % ; si l'alimentation globale a un facteur de puissance de 60 %, alors l'efficacité réelle est de 96 % x 60 % = 57,6 %. L'objectif de l'utilisation d'un circuit de conception de correction du facteur de puissance (PFC) est de rapprocher le facteur de puissance aussi près de 1 que possible. Lorsque le facteur de puissance est plus proche de 1, la puissance réelle consommée deviendra plus proche de la puissance apparente que vous calculeriez en utilisant la tension et le courant d'entrée RMS idéaux.

Si vous prévoyez de vendre votre nouveau produit en Europe, vous devrez vous assurer d'appliquer le PFC (correction du facteur de puissance) dans votre alimentation électrique. La réglementation la plus importante est l'EN61000-3-2, qui s'applique aux systèmes d'alimentation avec au moins 75 W de puissance d'entrée et pouvant aller jusqu'à 16 A à l'entrée de service. Cette réglementation établit également des limites sur la distorsion harmonique totale (DHT) jusqu'à la 39e harmonique, telle que mesurée à l'entrée d'un régulateur. Cela illustre l'autre avantage d'un circuit PFC ; une alimentation avec un facteur de puissance plus élevé aura une DHT proche de zéro à l'entrée du régulateur DC.

Conception et Topologie du Circuit PFC

Un convertisseur PFC peut être implémenté avec une topologie boost ou buck. Il existe également une topologie buck-boost, bien que celle-ci ne soit pas aussi populaire car la tension d'entrée doit normalement être augmentée ou diminuée et régulée à un niveau constant. Les deux versions buck et boost sont illustrées ci-dessous. Si ces schémas de circuit correspondent à ce que vous attendriez d'un convertisseur DC-DC buck ou boost standard, alors vous avez raison ! Les schémas de circuit globaux sont identiques, mais la sélection des composants pour ces circuits influence l'augmentation du facteur de puissance fournie par le circuit.

Alors, qu'est-ce qui différencie un circuit PFC d'un régulateur à découpage typique ? Le point critique dans la conception d'un circuit PFC est le choix du mode de fonctionnement adéquat, ce qui implique de sélectionner le bon inducteur dans ce circuit. L'inducteur déterminera la vitesse à laquelle le courant à travers l'inducteur augmente à mesure que la tension d'entrée monte pendant que le MOSFET est activé. Une fois le MOSFET désactivé, l'inducteur fournit une FCEM (force contre-électromotrice), qui dirige ensuite plus de courant vers la charge.

La forme d'onde de l'ondulation de l'inducteur est déterminée par la taille de l'inducteur, comme c'est le cas dans un régulateur à découpage typique. L'onde d'ondulation sera plus grande lorsque l'inducteur est plus petit. Le contrôle de la forme d'onde est maintenu en appliquant une impulsion PWM ou PFM au MOSFET. Les trois modes de circuit PFC présentés ci-dessous sont déterminés par la taille de l'inducteur et le type de modulation appliqué au MOSFET. Le tableau ci-dessous résume la modulation et les caractéristiques du courant dans chaque mode.

Pour fournir correctement du PWM ou du PFM au MOSFET de commutation, vous devez implémenter une boucle de rétroaction vers un contrôleur PWM/PFM. Il existe des CI spécialisés qui peuvent être utilisés à cet effet, même à haute tension.

Disposition PFC : Traitez-la Comme un Régulateur de Commutation de Haute Puissance

Peut-être le point le plus important à retenir lorsqu'on travaille avec un convertisseur à découpage est de considérer l'isolation par rapport au bruit de commutation. Tout bruit provenant d'un régulateur à découpage bruyant ou d'un circuit PFC, surtout à courant élevé, générera des champs magnétiques puissants qui peuvent induire un signal de bruit dans un circuit en aval. Notez que l'isolation galvanique élimine l'EMI conduit, mais pas l'EMI rayonné, donc vous devrez prévenir tout bruit induit avec une structure d'isolation pour les circuits de faible niveau, telle qu'une clôture de vias ou blindage. Cela a longtemps été un problème bien connu dans la conception des alimentations électriques, tant pour les alimentations à haute tension que pour les circuits intégrés régulateurs dans l'électronique de faible puissance.

D'autres points à considérer sont la conception du signal PWM ou du signal PFM, la conception de votre empilement et d'autres techniques pour réduire l'EMI rayonné. Lorsque vous travaillez à haute tension, vous devrez également vous assurer de définir l'espacement approprié entre les éléments conducteurs dans votre agencement de PCB pour prévenir l'ESD. Ces dégagements sont définis dans les normes IPC-2221. Jetez un œil à ces articles pour en savoir plus :

• Conception de circuit SMPS : Quelle fréquence de commutation utiliser ?
• Quelques techniques pour supprimer l'EMI des convertisseurs DC-DC dans les produits IoT
• Capacité interplan et empilements de PCB
• Utilisation d'un calculateur IPC-2221 pour la conception haute tension

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