Alimentation à découpage : dépanner

Le flyback, l'alimentation de tous les chargeurs

Le chapitre 3 présente la conduction directe et le push-pull. La topologie la plus répandue pour les petites puissances, chargeurs de téléphone, alimentations de box ou d'écran, est pourtant une autre : le flyback, ou alimentation à accumulation.

• Transistor fermé : le courant monte dans le primaire du transformateur, qui stocke de l'énergie dans son noyau, ½ × L × I² (cours sur les passifs R, L, C). Le secondaire est câblé en sens inverse : sa diode est bloquée, rien ne passe encore.
• Transistor ouvert : le champ s'effondre, la tension s'inverse, la diode conduit. Toute l'énergie stockée passe au secondaire et recharge le condensateur de sortie.

C'est un élévateur-inverseur (chapitre 3) dont la bobine aurait deux enroulements : on gagne l'isolement galvanique et le choix du rapport de tension par le nombre de spires, avec très peu de composants.

• Le transistor subit à l'ouverture la tension d'entrée, environ 325 V, plus la tension renvoyée par le secondaire et une pointe due aux fuites du transformateur : on y trouve des MOSFET de 600 à 800 V, et un petit circuit d'écrêtage sur le primaire (cours sur les actifs discrets).

Réguler à travers l'isolement

La tension de sortie doit être mesurée au secondaire, mais le circuit de commande du transistor est au primaire, relié au secteur. Comment faire passer l'information sans perdre l'isolement ?

• Au secondaire, un petit composant de référence, souvent un TL431, compare une fraction de la tension de sortie, prise par un pont diviseur, à sa référence interne de 2,5 V (voir l'Aller plus loin des passifs : le pont diviseur) ;
• si la sortie monte trop, il allume davantage la LED d'un optocoupleur ;
• au primaire, le phototransistor de l'optocoupleur dit au circuit de commande de réduire le temps de conduction (chapitre 2 : le rapport cyclique).

Les chargeurs USB qui négocient

Un chargeur USB récent ne fournit que 5 V au branchement. L'appareil dialogue ensuite avec lui par les fils du câble et demande une tension plus élevée, 9, 15 ou 20 V, parfois davantage selon la version de la normeNorme USB Power Delivery : les tensions et puissances maximales dépendent de sa version et du câble utilisé.. Le chargeur modifie simplement son pont diviseur de régulation : même puissance, moins de courant, des câbles moins sollicités.

• Une panne de la boucle de régulation, optocoupleur ou TL431, fait monter la tension de sortie : les bonnes alimentations ont une protection contre les surtensions de sortie qui coupe tout.

Plus rapide, plus petit : le GaN

Plus la fréquence de découpage est élevée, plus le transformateur et les condensateurs peuvent être petits : ils ont moins d'énergie à stocker à chaque cycle (chapitre 2 : choix de la fréquence de découpage).

• Mais chaque commutation coûte un peu d'énergie (cours sur les actifs discrets : pertes en commutation) : doubler la fréquence double ces pertes, et le transistor chauffe.
• Les transistors au nitrure de gallium, GaN, commutent bien plus vite que ceux au silicium : leurs pertes par commutation sont faibles, et la fréquence peut monter à plusieurs centaines de kHz.

Résultat : les chargeurs GaN délivrent la même puissance dans un volume deux à trois fois plus petit.

• Des fronts plus rapides rayonnent davantage : les alimentations à découpage sont une source majeure de perturbations, d'où leurs filtres d'entrée et leurs ferrites (cours CEM).

Les pannes typiques

Symptôme	Cause fréquente
elle siffle, la tension ondule, l'appareil se réinitialise	condensateurs de sortie fatigués, souvent bombés (voir l'Aller plus loin de Redresser et filtrer)
elle démarre, coupe, redémarre en boucle, en faisant « tic-tic »	la protection se déclenche : court-circuit en sortie, condensateur défaillant, charge trop forte
rien du tout, fusible intact	circuit de démarrage coupé, résistance de démarrage ouverte, circuit de commande défaillant
fusible grillé, parfois noirci	court-circuit franc au primaire : pont de diodes, MOSFET, condensateur d'entrée
tension de sortie trop haute	optocoupleur ou TL431 défaillant

• Un fusible grillé noirci n'est jamais la panne : c'est la conséquence. Le remplacer sans chercher la cause, c'est le faire sauter à nouveau, parfois avec quelques composants en plus.
• Un fusible intact mais une CTN d'entrée fendue, ou une résistance de puissance brûlée, orientent aussi le diagnostic (voir l'Aller plus loin de Redresser et filtrer : le courant d'appel).

Dépanner en sécurité

Une alimentation à découpage a son côté primaire relié directement au secteur : ce n'est pas de la TBTS, et les précautions sont celles d'une intervention au voisinage de pièces nues sous tension, réservée aux personnes formées et habilitées (cours sur l'habilitation et la consignation).

• Le condensateur d'entrée reste chargé à près de 325 V après le débranchement : mesurer, puis décharger à travers une résistance (voir l'Aller plus loin de Redresser et filtrer : la sécurité) ;
• l'oscilloscope : sa masse est reliée à la terre. La brancher sur le primaire met un point du secteur en court-circuit. On utilise une sonde différentielle, ou l'on alimente la carte par un transformateur d'isolement (cours sur l'oscilloscope et sur les transformateurs).

La lampe en série

Pour la première mise sous tension après réparation, on alimente l'alimentation à travers une lampe à incandescence de 60 à 100 W placée en série :

• si la réparation est bonne, la lampe s'allume brièvement, le temps de charger le condensateur, puis reste presque éteinte ;
• s'il reste un court-circuit, la lampe s'allume franchement et limite le courant à quelques centaines de milliampères : rien ne grille, et l'on sait qu'il faut chercher encore.

La résistance d'un filament froid est bien plus faible qu'à chaud (cours sur la résistivité) : c'est ce qui la rend si pratique, presque transparente à faible courant, limitante dès que le courant monte.