Alimentation ATX

 

Année de développement : 2003   Dimensions : 100 x 130 mm   Composants utilisé : LM3578, MAX78x

 

Au début de l'année nous avions prévu de remplacer le PicBasic par une carte mère de PC, cette solution avait l'avantage de nous donner une grande puissance de calcul et une bonne souplesse de développement. Par contre il fallait prévoir une alimentation adaptée et un système d'entrée sortie. Finalement nous avons renoncé mais l'alimentation a été faite et fonctionne bien. Nous avons mis en ligne une description complète de cette alimentation en espérant qu'elle pourra servir à d'autres équipes.

 

 

la norme ATX

Toutes les cartes mères acutelles ont adoptées la norme ATX qui définit, entre autres, les paramètres de l'alimentation. Le documents officiel détaillant la norme ATX est téléchargeable ici.   Spécifications ATX   La partie qui nous intéresse est celle nomée "ATX Power Suply". Une alimentation ATX doit fournir à la carte mère des tensions de 5V, 3,3V, 12V, -5 et -12V. Dans la documentation de notre carte mère il est spécifié qu'elle n'utilise pas le -5V et le -12V, nous ne les avons donc pas implémentés sur notre alimentation. La norme ATX prévoie également d'autres signaux : PW-OK, PS-ON et 5vSB.   Le PW-OK est un "Power Good", ce signal est à 5V uniquement lorsque les alimentations 5V et 3,3V sont bien stabilisées. En cas de problème sur l'une d'elle le PW-OK doit etre mis à 0V immédiatement, cela évite d'endomager la carte mère.   Le PS-ON est un signal en provenance de la carte mère qui ordone à l'alimentation de se mettre en marche ou de s'arrêter. Lorsque le PS-ON est à OV, les alimentations 5V et 3,3V doivent fonctionner, lorsqu'il est à 5V les alimentation 5V et 3,3V doivent êtres éteintes et leur tension de sortie doit être de 0V par raport à la masse. Le PS-ON doit etre tirer à 5V par l'alimentation grâce à une résistance de pull up.   Et enfin le 5vSB est une alimentation 5V qui fonctionne en permanence (quel que soit l'état du PS-ON). Il ne doit fournir à la carte mère que très peu de courant.   Voici le schéma que nous avons utilisé pour générer tout ces signeaux, les circuits d'alimentations ont été représentés par des boites noires. Nous utiliseront bien évidement des alimentations à découpage en raison de leur excellent rendement.

	Rien de très compliqué, plusieurs AOP utilisés en comparateurs et quelques portes logiques. Un relais commandé par le PS-ON permet d'allumer ou d'éteindre les alimentations 5V et 3,3V, les diodes devant le relais et l'alimentation 5vSB servent a protéger le tout contre une inversion de polaritée (on est jamais trop prudent...). Un des AOP est utilisé pour vérifier la tension de la batterie, si celle-ci descend en dessous d'un certain seuil la LED "Batterie Faible" s'allume. Tous les circuits de ce schéma sont alimentés avec le 5vSB. Pour les AOP nous avons utilisé un LM324 et pour les portes ET un 4011.

 

 

	Les alimentations 5vSB et 3,3v
	La documentation technique de notre carte mère précisait la consommation de courant pour chaque alimentation. Les alimentations 3,3v et 5vSB n'étaient pas censées fournir plus de 1A chacune, cela nous a permis d'utiliser pour leur fabrication un composant spécialisé : le MAX78x de la société MAXIM IC. Le datasheet de ce composant est téléchargeable ici :   Datasheet du MAX78x   Ce composant s'utilise comme ceci.
	Avec un minimum de composants externes, le MAX78x réalise une alimentation à découpage capable de débiter 5A, Il se décline en trois versions : Le MAX787 pour faire du 5v. Le MAX788 pour du 3,3v. Le MAX789 pour du 3v. Le montage a fonctionné dès la mise en marche et nous n'avons jamais eu de problemes avec. Les valeurs des condensateurs d'entrée et de sortie peuvent être changées mais il est conseillé d'utiliser des condensateurs spéciaux à faible RSE (Résistance Série Equivalente) pour améliorer les performances de l'alimentation. La bobine pourra etre trouvée dans le commerce, si vous ne trouvez pas exactement 50uH prenez plutot une valeure supérieure qu'une valeure inférieure. Vérifiez bien que votre bobine supportera le courant débité par l'alim, il est possible de brancher deux bobines en parallèle pour augmenter le courant MAX mais dans ce cas l'inductance équivalente est divisée par 2.   NOTE : Comme la carte mère ne demande que tres peu de courant sur le 5vSB nous aurions pu utiliser un simple 7805 pour le réaliser, nous avons choisi le MAX787 pour pouvoir alimenter toutes nos autres cartes dessus.

 

 

	L'alimentation 5v
	Les choses n'ont pas étées aussi simple pour l'alimentation 5v principale, La documentation de la carte mère précisait qu'elle pouvait consommer jusqu'à 6A et 7A en pointe sur le 5v, il était également prévu de se servir de ce 5v pour alimenter un disque dur. Le MAX787 n'y aurait pas résisteé. Il à donc fallu concevoir une alimentation 5v plus puissante. Nous avons utilisé un LM3578. Contrairement au MAX78x, le LM3578 n'est pas un composant "tout en un", il faut lui ajouter ne nombreux composants externes pour en faire une alimentation à découpage complète. Cela nous donne accès à tout les parametres du composant, on peut s'en servir pour sortir des tensions autres que 3,3v ou 5v, on peut régler sa fréquence de travail etc... Il faut lui ajouter un transistor externe pour réaliser la partie puissance de l'alimentation, nous avons choisi un bon transistor MOS capable de suporter des courants jusqu'a 15A, nous n'avons donc plus de soucis à nous faire concernant la puissance de notre alimentation .   Voici le schéma.
	Les transistors MOS ne se commandent pas comme des transistors classiques, c'est pourquoi nous avons commandé le nôtre avec un Push-Pull constitué de deux transistors petit signaux type BC547 et BC557. Le pont diviseur après la bobine sert a vérifier que la tension entre les points 1 et 2 est bien de 5v (c'est l'équivalent de l'entrée Sens du MAX78x). La valeurs des deux résistances qui le compose déterminent la valeur de la tension en sortie de l'alimentation. Enfin les condensateurs de 1nf et 22pf déterminent la fréquence de travail de l'alimentation.

 

	Mais pourquoi ça marche pas ?
	Si vous essayez ce schéma sur plaque d'essai (type "LB-DEC") vous constaterez qu'il fonctionne sans problèmes tant qu'on ne lui demmande pas de débiter trop de courant. Pour les essais en puissance vous pouvez brancher en sortie une résistance de faible valeure, n'utilisez pas pour ça une résistance classique 1/4W, elle exploserait avant meme que vous n'ayez fait vos mesures ! Le mieux est de prendre une résistance de puissance comme celle montrée sur la photo de gauche mais si vous n'en avez pas sous la main (c'était mon cas) vous pouvez mettre en parallèles plusieurs résistances 1/4W et les plongées dans un verre d'eau glacée pour les refroidir (voir photo de droite), ça tiendra bien assez longtemps pour vos essais.
	Donc lorsque vous ferez l'essai en puissance vous serez éffaré de voir la tension de sortie de votre alimentation tomber à 1 ou 2 volts. Pourquoi ça ? D'abord si vous alimentez votre montage d'essai avec un bloc secteur ou une petite alimentation de labo, sachez ce genre d'alimentation est rarement capable de fournir plus d'1A, utilisez donc directement une batterie de bonne capacité ou une alimentation "sérieuse" pour vos essais en puissance (je me suis servi de l'alim de puissance décrite sur une autre page de ce site).

 

Ensuite il faut savoir que les petits fils monobrins que nous utilisons avec nos plaques d'éssais présente une résistance non négligeable à leurs bornes, on a tendance à l'oublier... Il y a donc une chute de tension dans chaque fil de votre montage (Loi d'Ohm U=RxI). Lorsque le courant qui passe dans vos fils est faible, cette chute de tension est négligeable, mais pour un montage de puissance elle devient vite problématique. N'hésitez donc pas a doubler, voire tripler vos fils; lors du routage de la carte il faut prévoir des pistes larges renforcées par une couche d'étain. Dernier point important, le fonctionnement des alimentation à découpage repose sur un asservissement, j'ai déja dit que le montage était conçu pour avoir toujour 5v aux bornes du pont diviseur de tension (entre les points 1 et 2). Mais ce que nous voulons, c'est avoir 5v aux bornes de la carte mère, nous pouvons donc brancher notre pont diviseur au plus près du connecteur de la carte mère pour être sûr d'avoir 5v à ses bornes en faisant fi des chutes de tension.

	Construction
	Nous avons monté l'alimentation dans une boite pour la protéger des tourne-vis balladeurs ou tout autre objet métalique qui pourrait faire un court-cicuit entre les pistes de la carte, un problème ici serait fatal à la carte mère. Nous avons monté les composants de puissance sur radiateur, le transistor MOS de l'alim 5v est de loin celui qui chauffe le plus, mais cette protection est aussi indispensable pour tous les autres. Pour éviter une accumulation d'air chaud dans la boîte nous avons ajouté un ventilateur.   Une photo de l'alimentation et de la carte mère lors du premier test.
	L'alimentation a fonctionné du premier coup, cependant je ne suis pas un expert des alimentations à découpage, celle-ci est la première que je réalise et il était sûrement possible de faire mieux. Si vous avez des infos sur le sujet merci de m'en faire profiter.