L’alimentation d’un PC est un composant, qui est souvent délaissé, alors qu’il est pourtant essentiel. Il offre, en effet, stabilité et protection à la plateforme qu’il alimente. Nous reviendrons sur sa fonction ainsi que sur son fonctionnement. Aussi, nous listerons les caractéristiques à prendre en compte pour faire le bon choix.

Sommaire

1. Page 1 Fonctionnement d’une alimentation à découpage
   1. A quoi sert une alimentation PC ?
   2. Les différents types d’alimentations
   3. Baisser et stabiliser la tension
   4. Le PFC
   5. Sécurité
   6. Conclusion
2. Page 2 Les critères de sélection d’une alimentation
   1. La puissance
   2. Le rendement ou l’efficacité énergétique
   3. Le format
   4. Refroidissement
   5. Câbles et connecteurs
3. Page 3 Sélection alimentation PC
   1. Entrée de gamme
   2. Moyen de gamme
   3. Haut de gamme

Fonctionnement d’une alimentation à découpage

À quoi sert une alimentation PC ?

Une alimentation PC, appelé également PSU (Power Supply Unit), permet de fournir aux différents composants du PC le courant nécessaire, et ce, à différentes tensions. L’alimentation produit à partir de la tension alternative du réseau (230 V pour l’Europe), plusieurs tensions continues : + 12 V, – 12 V + 3,3 V et + 5 V. Cette tension se doit d’être stable malgré les fluctuations du courant de sortie et de la tension d’entrée. La puissance que peut proposer une PSU est bien entendu limité. Par ailleurs, sa taille varie en fonction de son format, qui dépend lui-même du boîtier. Dans une moindre mesure, la taille dépend aussi de la puissance. 

Les différents types d’alimentations

Il y a deux grands types d’alimentations différents, celle à découpage et l’autre linéaire. 

Les alimentations à découpage

Les alimentations PC sont à découpage. C’est-à-dire que la modulation de la tension est réalisée grâce à des coupures très rapide de celle-ci à l’aide de transistor. Pour simplifier, les transistors sont des interrupteurs qui ont la possibilité de s’ouvrir et se fermer très rapidement. Les transistors sont du type bipolaires ou MOSFET. Ainsi, grâce à une coupure de la tension plus ou moins longue, un certain nombre de fois par seconde, il est possible de faire varier cette tension. En bref, plus le temps d’ouverture est long (non passant), plus la tension baisse et inversement. 

Un beau rendement mais avec une pollution électrique a la clé

En d’autres termes, cela représente un hachage à haute fréquence de la tension. Selon les alimentations à découpage, la fréquence peut être de 50 kHz, 100 kHz voir bien plus encore. Plus cette fréquence est élevée et plus l’alimentation à découpage sera réactive pour moduler la tension. La tension aura ainsi plus de stabilité. Les alimentations à découpage offrent un net gain de place et de poids.

En revanche, elle génère beaucoup de parasites et de rayonnements électromagnétiques ou EMI. Ces soucis sont fortement réduits pour l’environnement extérieur, tout d’abord par l’enveloppe métallique reliée à la terre (blindage électromagnétique ou cage de faraday). Ensuite par l’intérieur, par des filtres, pour éviter les injections dans le réseau et en sorti.

Les alimentations linéaires

Malgré que ce type ne concerne pas les alimentations PC, pour information, je vais expliquer brièvement son fonctionnement. L’alimentation linéaire, comme pour celle a découpage, fournit une ou plusieurs tensions stabilisées. La stabilisation s’effectue linéairement, donc sans interruption, en continu, sans hachage de la tension. Pour cela, elle possède un important transformateur qui travaille en 50 Hz pour abaisser la tension. Aussi un pont de diodes pour redresser ou convertir en continu. Pour finir, une grosse batterie de condensateurs et un régulateur (transistor) pour lisser et stabiliser la tension. En ce qui concerne le régulateur, le transistor s’ouvre plus ou moins, sans coupure, comme un robinet. Exemple d’utilisation : un amplificateur hi-fi, une alimentation de laboratoire stabilisée, etc. 

Un mauvais rendement

Ces alimentations sont lourdes, imposantes et ont un mauvais rendement (20 % à 50 % environ). Elle dégage par conséquent beaucoup de chaleur. Par exemple, pour remplacer une alimentation à découpage de 400 W avec une alimentation linéaire de même puissance, il faudrait qu’elle puisse consommer pas moins 1000W ! De plus, le poids ainsi que la taille de ce transformateur qui délivre 400 W en 50 Hz serait énorme. En effet, selon la formule de Boucherot, plus la fréquence augmente, plus le transformateur peut être compact tout en fournissant une puissance identique. Son fonctionnement génère aussi un important rayonnement électromagnétique, mais peu de parasites.

Baisser et stabiliser la tension

Les transformateurs

Un transformateur permet entre autres d’élever ou d’abaisser une tension alternative. Il possède pour cela deux enroulements ou bobines, le primaire et le secondaire, enroulés de part et d’autre d’un circuit magnétique. C’est selon le nombre de spires de l’enroulement secondaire du transformateur qui détermine le niveau d’abaissement ou d’élévation de la tension. Comme vu dans le paragraphe des alimentations linéaires, plus la fréquence de fonctionnement du transformateur est haute, plus il peut être compact tout en fournissant autant d’énergie. Malgré tout, il y a une différence, le circuit magnétique (tôle feuilletée) d’un transformateur à 50 Hz n’est plus viable à 100 kHz. Il est remplacé pour cela par un circuit magnétique en ferrite.

Redresser la tension

Le courant alternatif est converti en continu à l’aide d’un montage à base de diode appelée pont de Graetz. Appelé aussi redressement à double alternance, il est présent assurément sur les alimentations de qualité. À ce propos, je ne serais pas étonné que les alimentations no name possèdent, pour réaliser des économies de bouts de chandelle, un redressement simple alternance ! Cependant, dans les deux cas, cela ne fournit pas un courant continu plat, il est ondulé, il y a toujours une variation de tension. Pour cela il faut le filtrer pour lisser les crêtes, à l’aide notamment de condensateur.

Stabiliser la tension

Il est impératif pour un PC ou un serveur d’avoir des tensions stables, sinon c’est un plantage assuré. Le problème, c’est qu’à chaque fois que la tension du secteur baisse ou que la charge augmente, la tension chute en sortie d’alimentation. À L’inverse, la tension s’élève si la tension secteur augmente ou que la charge baisse. Le système de régulation est là essentiellement pour contrer ces phénomènes, elle s’appuie sur plusieurs méthodes pour y parvenir.  

Régulation couplé et indépendante

Tout d’abord, il y a deux façons de faire avec la régulation. La régulation couplée, sur plusieurs tensions en même temps (alimentation bas de gamme). Ensuite la régulation indépendante qui consiste comme son nom l’indique à réguler chaque tension séparément. Le plus onéreux, mais le plus à même à résister à de gros déséquilibres de charge sur les lignes.

À noter que le travail de lissage et de régulation est également effectué par les composants de votre configuration. Par exemple avec la carte-mère et la carte graphique, grâce notamment à leurs étages d’alimentation.

Le chef de gare, le MLI

Le MLI ou Modulation de Largeur d’Impulsion est un contrôleur de découpage. C’est-à-dire qu’il a la tâche de contrôler la tension de sortie en temps réel et de la corriger si nécessaire en modifiant le temps d’ouverture des transistors (il laisse passer plus ou moins de puissance). Il commande les transistors de découpage à une fréquence définie. Par ailleurs, plus la fréquence de découpage sera élevée, plus il pourra être réactif. Néanmoins, la vitesse de réaction reste limitée, et le MLI est incapable de réagir à des transitoires importantes et momentanées. Mais pas de panique, lisez la suite et vous verrez le système de compensation mis en place !

Lissage et filtrage 

Tous les composants électroniques qui suivent sont utilisés pour lisser autant qu’à filtrer la tension et le courant. Le lissage consiste à supprimer les creux de courant tension. Le filtrage quant à lui et là pour nettoyer tout ce qui n’a pas lieu d’être comme les parasites autres fréquences. 

Les selfs

Une inductance, ou self, est un enroulement autour d’une ferrite ou circuit magnétique, essentiellement droit ou circulaire.

De grosses selfs de lissage sont ainsi utilisée pour limiter les hausses et les baisses de tension. Le temps de réaction est instantané puisqu’il n’y a aucune mesure et commande, c’est “naturel”. Pour ce faire, elle accumule de l’énergie magnétique au passage du courant. Elle la restitue quand le courant baisse, elle s’oppose à cette baisse autant que cette réserve d’énergie le lui permette. C’est quand les transistors ne sont plus passants, donc que l’énergie n’arrive plus, que l’inductance permet justement d’en restituer et ainsi de continuer fournir du courant. Une self se comporte donc comme un tampon.

Les autres capacités des selfs

Les selfs sont aussi utilisés pour faire du filtrage ou du déparasitage. Elles ont en effet la capacité, disposer en série, de filtrer, de bloquer les parasites hautes fréquences. Elles sont en effet isolantes à cette fréquence.

Amplificateur magnétique

Un amplificateur magnétique ou mag-amp est similaire à une self. En effet, c’est toujours un enroulement autour d’un tore magnétique. La différence, c’est le matériau employé pour le tore, ceci afin de le rendre saturable contrairement à celui d’une self. Le mag-amp va se charger au passage du courant, mais va être capable de distribuer une quantité d’énergie en décalage. C’est ce retard plus ou moins grand qui va permettre de jouer sur la tension. En fait au moment de la saturation, il y a une forte résistance, sans saturation, il n’y a pas de résistance, par conséquent, c’est un interrupteur. Placé avant les dispositifs de lissage, il permet d’ajuster et équilibrer les tensions de l’alimentation. Plutôt présent sur les alimentations de moyenne gamme à haute gamme. 

Condensateurs

Le condensateur est un composant électronique composé de deux feuilles conductrice ou électrodes séparé par une feuille isolante diélectrique. À cet égard, il a comme propriété la capacité de stocker une charge électrique dans la partie isolante, quand il y a une différence de potentiel à ses bornes. Cette capacité s’exprime en Farads (F).

Un réservoir d’énergie qui régule la tension

En cas de forte demande de puissance, la régulation n’est plus assez rapide pour corriger la tension (contrôle, vitesse de découpage et dimensionnement du mag-amp limité !). C’est là que rentrent en jeu les condensateurs, véritable réservoir d’énergie. Ils vont permettre en fin de compte de maintenir une tension correcte, en se vidant progressivement. La régulation reprendra le relais ensuite. Si les condensateurs ont été bien dimensionnés, la tension a donc pu être stabilisée pendant cette phase. Plus le groupe de condensateurs à une grande capacité, plus l’alimentation sera capable de pouvoir fournir de grosses demandes avec une tension stable. Les condensateurs ont aussi un rôle dans le sens inverse. En effet, en cas de chute brutale de la charge, les condensateurs vont se charger permettant de participer a la limitation de la hausse de tension.

Les autres capacités des condensateurs

Les condensateurs sont aussi utilisés pour faire du filtrage ou du déparasitage. Ils ont en effet la capacité, disposer en parallèle, de filtrer, de bloquer les parasites hautes fréquences. En effet, ils ne sont plus isolants à cette fréquence 

Le PFC

Un PFC (Power Factor Correction) est un dispositif qui augmente, améliore le facteur de puissance. Il peut être actif, mais aussi passif. Le facteur de puissance d’un appareil est en fait l’efficacité qu’il a pour consommer la puissance qu’il lui est donné. Il est exprimé par une valeur comprise entre 0 et 1. En résumé, le 0, c’est purement réactif (c’est le mal 😉 ) et le 1, c’est au contraire purement résistif, c’est le cas parfait. Pour améliorer le facteur de puissance, il faut réduire le déphasage et diminuer les harmoniques. 

Le PFC actif possède un contrôleur qui module en temps réel le déphasage dans le but de le diminuer au maximum, c’est le plus efficace. Par contre, le passif utilise simplement des composants notamment inductifs, c’est moins coûteux. Il est présent dans toutes les alimentations à part peut-être pour les no-name (économies, toujours la même histoire…).

Pourquoi une telle variation entre la consommation en entrée et en sortie ?

Quand il y a un courant alternatif qui parcourt des composants inductifs et capacitifs, il se crée un déphasage nommé phi, le Cos phi est exprimé entre 0 et 1. C’est en fait une avance ou un retard de la tension sur le courant qui cause la puissance réactive. Des harmoniques sont aussi créés avec les charges non linéaires. Les charges non linéaires sont composées de composants électroniques actives. C’est-à-dire tout ce qui manipule ou amplifie un signal, comme le fait un pont de diodes ou un transistor. Le courant et la tension sont alors en plus déformer, autrement dit qui s’éloignent de la forme sinusoïdale. Appelé taux de distorsion ou force déformante, le THD (distorsion harmonique totale) est exprimé en pourcentage. Les alimentations à découpage sont des charges non linéaires, elles en créent beaucoup. Tout cela n’existe pas pour les composants purement résistifs.  

Les différentes puissances

C’est ce qu’il se passe dans la partie tension secteur d’une alimentation. La puissance réelle d’une alimentation est plus difficile à définir avec ce déphasage. Les différentes puissances qui en découlent :

• Apparente, celle qui est apparemment consommée en entrée. 
• Active, réellement consommé ou utiliser par l’appareil électrique.
• Réactive, est utilisé par les composants inductifs, pour magnétiser ceux-ci, elle est restituée ensuite. 

Un peu de calcul

On peut donc calculer la puissance réellement utilisée (active) avec la formule :
puissance active = tension*courant*cos phi. Le facteur de puissance découle de la prise en compte du déphasage et des harmoniques. Par conséquent, le cos phi n’est pas la même chose que le facteur de puissance. Pour le calculer : facteur de puissance = taux de distorsion * déphasage.

Plus le déphasage et les harmoniques sont importants, plus cela génère des pertes par échauffement ainsi que des courants d’appel élevé et des parasites électromagnétiques. Le PFC permet donc de limiter ces problèmes. Non seulement le fabricant économise en sûr dimensionnant moins l’alimentation, mais en plus l’utilisateur final a une consommation plus basse.

Sécurité

Plus l’alimentation est haute de gamme, plus elle est équipée de système de sécurité. À savoir, protection contre les surtensions, surcharges, surchauffes, court-circuit, fonctionnement à vide, sous tension, etc. Par exemple, contre les surtensions du réseau, on aura une varistance qui a la capacité d’être passante à un certain niveau de tension.  Également, la protection à vide protège l’alimentation en empêchant le démarrage quand il n’y a pas de charge. La protection minimum reste le fusible en entrée pour protéger le réseau en cas de surintensité. 

Le 230 V à côté du 12 volts dans l’alimentation ça craint pour mon PC ?

On peut se poser cette question légitimement en effet. Mais pas de panique, le 230 V est parfaitement isolé du 12 volts, grâce au transformateur. C’est ce qu’on appelle une isolation galvanique. C’est-à-dire que le circuit magnétique du transformateur, isole électriquement parlant, il ne peut pas conduire le 230 volts pour faire des dégâts irréversibles sur vos composants PC. De plus, je rajouterai que les normes sont strictes en matière d’espacement et d’isolation des composants ainsi que des pistes, entre la partie 230 volts et 12 volts sur le PCB. Le MLI situé dans la partie très basse tension, est isolée soit par un petit transformateur, soit par un optocoupleur (transmission de l’information optique plutôt qu’électrique) de sa partie basse tension qui commande les transistors de découpage.

Les rails

Vous avez surement entendu parler de rails en ce qui concerne les alimentations PC. Ces rails sont des lignes qui transfèrent la puissance aux sorties. Leur nombre non rien à voir avec la puissance ou la stabilité de l’alimentation, c’est simplement le fabricant qui décide la répartition de la puissance en sortie. On ne peut pas, en effet, pour des questions de limites liées aux normes, faire transiter une intensité illimité sur un rail.

Les différentes topologies des alimentations

En fonction du fabricant et de la gamme de l’alimentation (et de l’époque) il y a différentes manières d’arriver au même résultat, même si le fonctionnement de base ne change pas. C’est la topologie des circuits, un certain nombre de composants, d’un certain calibre, d’une certaine tolérance et utilisée d’une certaine façon… Les maîtres en la matière, c’est pour moi clairement Seasonic, rare sont les fabricants dans le monde qui arrive à concevoir des alimentations avec un rendement de 94 % (certification Titanium).

Attention au test “made in branquignol”

Les tests alimentation PC qui sont réalisés avec une charge bien équilibrée et une tension relevée avec un multimètre, ne sont pas à prendre au sérieux. En effet, le multimètre qui mesure en règle générale toutes les secondes sont incapables le relevé les chutes de tension trop rapide. De plus, c’est essentiellement grâce à des gros déséquilibres de charge entre les différentes tensions et les différents rails que l’on peut voir la qualité d’une alimentation à maintenir une tension stable. Par ailleurs, c’est seulement avec un oscilloscope performant que l’on peut observer le niveau et la qualité d’une tension d’une alimentation. Vous voilà prévenu !

Les différentes étapes du fonctionnement en bref

1. La tension du secteur (230 V) passe par un filtre EMI, pour éviter l’injection dans l’alimentation ou le secteur, de parasite d’une certaine fréquence
2. la tension est redressée, mais non filtrée
3. le découpage à haute fréquence intervient à cette étape, le signal devient alors carré
4. Ce signal carré de haute fréquence alimente le primaire du transformateur. Le secondaire du transformateur a quant à lui 2 enroulements qui vont baisser la tension à 12 v et 5 v, le 3.3 v est quant à lui obtenu à partir du 5 v.
5. La tension est ensuite redressée et filtrée pour avoir une tension continue la plus lisse possible
6. les tensions de sortie sont contrôlées par le MLI qui ajuste en temps réel le découpage pour corriger les déviances qui apparaissent à cause de la charge ou du réseau.

Conclusion

Une alimentation à découpage est très complexe à concevoir et à dépanner. C’est un savant mélange de composants parfaitement dimensionnés et positionnés. En définitive, choisir une alimentation de mauvaise qualité, c’est la garantie d’avoir des plantages dans le meilleur des cas. Puisqu’une chute de tension, pendant seulement une demi-seconde, peut réussir à faire planter une plate-forme. Au pire, c’est la surtension et la mise hors service de votre configuration PC, mais encore provoquer l’incendie de votre habitation.