Les fabricants d’appareils sont contraints de concevoir des produits qui réduisent la consommation d’énergie en veille dans les nouvelles limites strictes, mais cet effort ne doit pas être compliqué ou coûteux. Cet article examine un CI simple ajouté à un convertisseur de puissance AC-DC qui peut entraîner des économies substantielles en consommation d’énergie.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Selon une recherche de l’Union européenne, la consommation annuelle d’énergie des équipements domestiques en mode éteint ou veille a été estimée à 59,4 TWh en 2015. Ce gaspillage d’énergie a provoqué l’émission de 23,8 millions de tonnes de gaz à effet de serre équivalent CO2.
En accord avec l’engagement de la Commission européenne (CE) de faire de l’Europe un continent climatiquement neutre d’ici 2050, de nouvelles réglementations en 2025 limiteront strictement la quantité d’énergie que presque tous les types d’équipements électroniques domestiques sont autorisés à dissiper lorsqu’ils sont éteints ou en mode veille. Les fabricants doivent concevoir des produits réduisant la consommation d’énergie en veille dans ces limites.
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Exigences d’éco-conception
La nouvelle réglementation 2023/826 de la CE sur la consommation d’énergie en veille entrera en vigueur le 9 mai 2025. Son objectif est de réduire la consommation annuelle d’énergie en Europe de 4 TWh. Cet objectif ambitieux sera atteint en réglementant la consommation d’énergie d’une large gamme de produits domestiques et de matériel de bureau destinés à un usage domestique.
La réglementation s’applique aux produits avec une alimentation intégrée. Les produits équipés d’une alimentation externe basse tension ne sont actuellement pas inclus dans son champ d’application, mais les fabricants feraient bien de s’attendre à devoir se conformer tôt ou tard, car la CE souhaiterait probablement offrir un terrain de jeu équitable pour la concurrence entre les fabricants.
Les types d’appareils énumérés dans la réglementation incluent les équipements de cuisine tels que les grille-pains et les micro-ondes, les biens blancs, le matériel informatique (à l’exception des produits tels que les ordinateurs portables qui sont couverts par des réglementations spécifiques d’éco-conception), les équipements audio-visuels, les jouets, les équipements de sport et les produits contenant un moteur, tels que les meubles motorisés et les lits, et les stores motorisés. Une liste complète peut être consultée sur le site EUR-Lex de la CE.
Les limites de consommation d’énergie sont strictes : un maximum de 0,5 W en mode éteint, tombant à 0,3 W après deux ans. Les limites en mode veille varient. Si l’appareil ne maintient qu’une fonction de réactivation et un indicateur, la limite est de 0,5 W. Si un affichage de statut ou d’information est actif, la limite passe à 0,8 W pour la plupart des produits.
Des limites plus élevées s’appliquent encore aux produits qui fonctionnent en veille réseau. La veille réseau est une condition dans laquelle l’équipement peut reprendre une fonction via un déclenchement à distance depuis une connexion réseau. Les produits classés HiNA (haute disponibilité réseau), tels que les routeurs et les passerelles, ne doivent pas utiliser plus de 8 W en veille réseau. Pour les produits non-HiNA, la consommation d’énergie en veille réseau est limitée à 2 W.
Une solution simple et bon marché pour réduire la consommation d’énergie en veille
Une stratégie pour garantir la conformité à la réglementation 2023/826 devrait prendre en compte la consommation d’énergie dans tout le système, y compris les fonctions telles que le contrôle, l’interface et la détection. Mais une source fertile d’économies sera sans doute le circuit d’alimentation – et l’une des façons les plus rapides et les plus simples pour de nombreux OEMs de réduire la consommation d’énergie en veille est d’éliminer le drainage continu de puissance par les résistances de purge du condensateur X du filtre EMI.
Ces résistances se trouvent dans l’alimentation de nombreux appareils domestiques et dispositifs de consommation pour assurer la conformité à la norme de sécurité IEC 60335-1, qui spécifie que le condensateur X de l’alimentation doit être déchargé en dessous de 34 V dans un délai d’une seconde après la mise hors tension de l’appareil.
Un filtre EMI typique est montré à la Figure 1. C1 et C2 représentent les condensateurs X ; R2 assure que les condensateurs X sont déchargés après le retrait de la tension d’entrée. La capacitance des condensateurs X peut varier de quelques centaines de nanofarads pour les convertisseurs basse puissance jusqu’à quelques microfarads pour les convertisseurs haute puissance. Par exemple, pour un condensateur de 2,2 µF spécifié avec une tolérance de ±20 %, la capacitance maximale sera de 2,64 µF. La tension d’entrée de secteur est de 264 V AC (240 V AC +10 %). Pour décharger le condensateur à 34 V en une seconde, une résistance de 184 kΩ est nécessaire. Cette résistance de purge dissipera 377 mW.
Figure 1. Dans ce filtre EMI typique, la résistance de purge R2 tire un courant continu tant que l’appareil est branché. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cette configuration de circuit rend presque impossible de se conformer à la nouvelle réglementation sur la consommation d’énergie en veille : la dissipation de 377 mW continue tout le temps que l’appareil est branché sur une prise de courant, qu’il soit actif, quiescent ou éteint.
Heureusement, il est facile d’ajouter un circuit intégré simple pour arrêter la consommation d’énergie par les résistances de purge, sauf lorsque les condensateurs X doivent être déchargés. Des exemples incluent le CAPZero-2 ou CAPZero-3 de Power Integrations, le HF81 de Monolithic Power Systems, et le TEA1708T de NXP Semiconductors.
Ces composants ont tous une conception similaire. Ils sont constitués de MOSFETs avec des pilotes intégrés, une détection de tension et d’autres circuits. Ils sont placés en série avec les résistances de purge. Pendant le fonctionnement normal (quand une tension AC est présente), les MOSFETs sont désactivés, donc les résistances sont déconnectées, et aucun courant ne les traverse. Lorsque l’appareil est débranché et que la tension AC est retirée, les MOSFETs sont activés pour ramener les résistances dans le circuit, déchargeant les condensateurs X.
La solution montrée à la Figure 2 offre une façon de réduire la puissance gaspillée par les résistances de purge. Elle peut être mise en œuvre comme une modification bon marché et facile d’une conception d’alimentation existante, avec un changement minimal de la liste des matériaux ou de la disposition de la carte.
Cependant, les OEMs peuvent choisir parmi une nouvelle génération de contrôleurs de puissance incluant un circuit de décharge de condensateur X intégré pour les nouvelles conceptions. Des exemples incluent :
- HR1275 de Monolithic Power Systems, un contrôleur combiné avec des étages de puissance multi-mode PFC et LLC
- TEA2017 de NXP, un contrôleur combiné avec des étages de puissance multi-mode PFC et LLC
- NCP1618 de onsemi, un contrôleur PFC multi-mode
- HiperPFS-5 de Power Integrations, un contrôleur PFC quasi-résonnant avec un FET de nitrure de gallium (GaN) intégré
- L4985 de STMicroelectronics, un contrôleur PFC opérant en mode conduction continue.
Ces fournisseurs innovent dans la conception de leurs produits pour économiser encore plus d’énergie en mode veille. Par exemple, beaucoup fonctionnent en mode rafale lorsque la charge est en dessous d’un certain seuil, permettant de désactiver intermittemment les circuits de contrôle et de commutation de l’alimentation.
Figure 2. Une carte de contrôle de moteur haute tension typique montre le circuit de décharge de condensateur X CAPZero-2. (Crédit image : Power Integrations).
Les tests réalisés par Monolithic Power Systems révèlent les énormes économies d’énergie qui peuvent être réalisées en utilisant le HF81 de cette manière : les résultats des tests sont publiés dans la fiche technique du HF81 (voir Figure 3). Pour notre exemple ci-dessus d’un condensateur X de 2,2 µF, l’économie réalisée en utilisant le HF81 ramènerait la dissipation de puissance par les résistances de purge à moins de 200 mW – suffisamment bas pour permettre la conformité avec la réglementation 2023/826. Power Integrations et NXP spécifient séparément la dissipation de puissance de leurs CI à moins de 5 mW.
Capacitance X | Résistance en série totale | Économie de puissance à une tension d’entrée de 265 V AC |
<500 nF | 1,5 MΩ | – |
750 nF | 1 MΩ | 66 mW |
1 μF | 780 kΩ | 86 mW |
1,5 μF | 480 kΩ | 142 mW |
2 μF | 360 kΩ | 191 mW |
2,5 μF | 300 kΩ | 230 mW |
3,5 μF | 200 kΩ | 347 mW |
5 μF | 150 kΩ | 464 mW |
Figure 3. Des économies d’énergie sont réalisées en remplaçant un circuit de décharge de condensateur X conventionnel par un circuit basé sur le HF81 de Monolithic Power Systems.
L’ampleur des améliorations réalisables est considérable : avec son TEA2017, NXP a réduit la consommation d’énergie en mode basse charge et quiescent par rapport à son prédécesseur, le TEA2016 (voir Figure 4).
Figure 4. Graphique d’efficacité montrant les pertes de puissance réduites à faible charge dans le dernier contrôleur de puissance TEA2017 de NXP (courbe rouge) par rapport au TEA2016 (courbe rose). (Crédit image : NXP Semiconductors)
Implémenté dans une carte d’évaluation de NXP, le TEA2017DK1003, un convertisseur AC-DC hors ligne de 600 W avec une sortie de 12 V, le TEA2017 permet à l’alimentation de réduire la consommation d’énergie à vide à 0,11 W avec une entrée de 230 V AC. Le TEA2017 fournit également les principales fonctions de contrôle de puissance dans la nouvelle carte convertisseur AC-DC Lightning développée par le Centre d’Excellence Européen pour l’Énergie de Future Electronics. Des informations techniques sur la carte Lightning, qui fournit une sortie de 42 V DC et supporte des charges allant jusqu’à 240 W, peuvent être trouvées sur www.my-boardclub.com, où les ingénieurs peuvent postuler pour recevoir la carte.
Power Integrations, onsemi et ST fournissent également des cartes d’évaluation démontrant la capacité des contrôleurs avec décharge de condensateur X intégrée à assurer la conformité avec la réglementation 2023/826
Power Integrations fournit le DER-672, une carte d’évaluation de 220 W qui atteint une consommation d’énergie à vide de 120 mW à 230 V AC grâce à son PFS5178F, un contrôleur PFC quasi-résonnant avec FET GaN, opérant en mode conduction discontinue.
De onsemi, vient le NCP13994MM360WGEVB, une carte d’évaluation de 360 W dans laquelle le contrôleur PFC multi-mode NCP1618 est utilisé avec le NCP13994, le dernier contrôleur LLC en mode courant. À 230 V AC, la consommation d’énergie à vide du NCP13994MM360WGEVB est de 100 mW.
ST, quant à lui, fournit une carte d’évaluation de 400 W, l’EVL400W-80PL, dans laquelle le contrôleur PFC L4985A opérant en mode conduction continue atteint une consommation d’énergie à vide de moins de 150 mW à 230 V AC.
Réponse du marché des semiconducteurs de puissance à la demande de réduction de la consommation d’énergie en veille
Les TEA2017 et les autres nouveaux produits améliorés présentés dans cet article montrent que le marché des composants est prêt à fournir diverses solutions aux concepteurs d’alimentations qui doivent se conformer aux restrictions strictes sur la consommation d’énergie en mode veille et éteint spécifiées dans la dernière réglementation de l’UE.
Cet article est paru à l’origine dans Bodo’s Power Systems [PDF] magazine.