Fonctionnement d'une alimentation à découpage sans charge

Contexte

Je suis un étudiant de deuxième année à l'université et je voulais une alimentation électrique simple pour tester quelques projets pour animaux de compagnie sans aller jusqu'au laboratoire. J'ai acheté un Power-One MPU150-4350 à bon marché dans un magasin d'électronique d'occasion. La section des spécifications de sortie semble indiquer que, pour la sortie 3,3 V (V1), 3A est la charge minimale tandis que 30A est la charge maximale.

Je sais que faire fonctionner une alimentation à découpage sans charge peut produire des tensions de sortie inexactes et même endommager le système, bien que je ne comprenne pas exactement pourquoi c'est le cas. Cependant, devoir toujours tirer au moins trois ampères d'un rail de 3,3 V me semble excessif.

Des questions

1. Quelle est la charge minimale que je peux mettre sur chacune des sorties sans endommager l'alimentation?

2. Le fonctionnement d'une alimentation à découpage sans charge pendant de courtes périodes l'endommagera-t-il? Ou simplement produire des tensions de sortie instables?

3. Pourquoi ne pas commuter des alimentations comme des courants faibles?

Si vous ne connaissez que la réponse à l'une d'entre elles, n'hésitez pas à poster. Tout ce qui aide obtient +1.

Modifier Cet article sera très utile pour les débutants (comme moi), la réponse ci-dessous est une explication approfondie et très utile des raisons pour lesquelles les SMPS peuvent échouer en raison d'une surtension lorsqu'ils ne sont pas suffisamment chargés.

Il est difficile de généraliser ce type de comportement. Certaines alimentations fonctionneront à une charge inférieure à la charge minimale mais avec des performances dégradées. D'autres blocs d'alimentation peuvent s'arrêter et d'autres peuvent encore mal fonctionner (oscillation / arrêt). D'autres peuvent se comporter parfaitement.

Très souvent, les alimentations de base utilisent des toplogies à modulation de largeur d'impulsion (PWM) avec des éléments de stockage inductifs. La fréquence de commutation est fixe et le rapport cyclique varie pour contrôler la tension de sortie en fonction de la charge et de l'entrée.

Lorsque le courant dans l'élément de stockage inductif ne descend jamais à zéro, le convertisseur fonctionne dans deux états: allumer et éteindre. C'est ce qu'on appelle le mode de conduction continue (CCM). Une fois CCM atteint, le rapport cyclique ne varie pratiquement pas (sauf si l'entrée change) - le comportement du convertisseur ne change pas avec la charge et les choses sont assez cohérentes.

À très faible charge, il n'y a pas de niveau de courant continu dans l'élément de stockage inductif. Le convertisseur a maintenant trois états de fonctionnement - allumé, éteint et courant d'inducteur décroissant, éteint et courant d'inducteur = 0. C'est ce qu'on appelle le mode de conduction discontinue (DCM). Dans DCM, la charge de sortie affecte le rapport cyclique ainsi que les variations d'entrée.

La plupart des contrôleurs ont un temps de fonctionnement PWM minimum qui peut être atteint - si l'usine essaie de commander un rapport cyclique inférieur à ce minimum, vous pouvez voir une sortie erratique, des impulsions manquantes, un courant d'ondulation élevé, etc. - certains convertisseurs cesseront simplement de réguler (la sortie augmentera). Certains contrôleurs le détectent et passent en mode rafale contrôlée pour garder la sortie légèrement régulée.

De plus, la compensation de la boucle de rétroaction sera dictée par les performances CCM du convertisseur, car il y a des choses désagréables (comme le zéro dans le demi-plan droit) dans CCM qui doivent être stabilisées qui ne sont essentiellement pas là dans DCM - la compensation peut être sous-optimal et des choses comme la réponse transitoire seront affectées.

Cela dépend de la conception du bloc d'alimentation.

Sous lumière ou sans charge, un convertisseur à découpage qui utilise une diode pour l'un des interrupteurs * passe en mode discontinu. Dans ce mode pour un rapport cyclique et une tension d'entrée donnés, la tension de sortie augmentera considérablement à mesure que le courant de charge diminue.

La plupart des alimentations à découpage sont régulées. Ainsi, lorsque la charge est réduite, le contrôleur réduit la largeur d'impulsion et donc le rapport cyclique pour tenter de maintenir la tension de sortie.

Cependant, lorsque la charge est encore réduite, la largeur d'impulsion atteint le minimum que le contrôleur peut atteindre. Ce qui se produit avec des charges très petites ou nulles dépend de la conception du contrôleur.

1. Le contrôleur peut maintenir la largeur d'impulsion et le rapport cyclique minimum et permettre à la tension de sortie d'augmenter jusqu'à ce que quelque chose monte en fumée.
2. Le contrôleur peut maintenir la largeur d'impulsion minimale et le cycle de fonctionnement réduire la tension de sortie pour augmenter jusqu'à ce qu'un circuit de protection contre les surtensions se déclenche et couper l'alimentation jusqu'à la réinitialisation.
3. Le contrôleur peut maintenir la largeur d'impulsion et le rapport cyclique minimum jusqu'à ce qu'une protection contre les surtensions à réinitialisation automatique se déclenche, provoquant des oscillations sauvages de la tension de sortie lorsque l'alimentation s'arrête et redémarre à plusieurs reprises.
4. Le contrôleur peut augmenter le temps entre les impulsions. Cela permet de maintenir la régulation de tension globale à zéro, mais cela signifie que la fréquence de l'ondulation de sortie dépend de la charge. Cela peut entraîner des problèmes de bruit électrique et sonore.

D'après mon expérience, la plupart des alimentations modernes entrent dans la catégorie 4, mais les conceptions plus anciennes (qui sont parfois encore vendues) tombent souvent dans les catégories 2 ou 3.

Une autre alternative consiste à ce que le fournisseur d'alimentation électrique intègre une "charge fictive" pour éviter d'atteindre le point où l'alimentation ne peut plus réduire le rapport cyclique, mais je m'attends à ce que cela ne soit fait que dans des applications spécialisées où la qualité de sortie est plus important que l'efficacité.

* Les convertisseurs qui utilisent deux commutateurs contrôlés activement (appelés "convertisseurs synchrones") ont la possibilité de rester en mode continu quelle que soit la charge (bien qu'à faible charge discontinue soit plus efficace), ils peuvent même fonctionner bidirectionnellement.