Régulation couplée 5/12V

L'immense majorité des alimentations (Hiper, Tagan, LC Power, Silverstone, Coolermaster, certaines Seasonic, Enermax, Fortron, etc.) ont une régulation couplée entre le 12 et le 5 V pour réduire les coûts et simplifier l'électronique. Le -5 et le -12 V sont très souvent couplées aussi au 5 et 12 V, mais on n'y attachera pas trop d'importance vu leur très faible utilité. Le 3.3 V a sa propre régulation indépendante à part, on la décrira dans la partie suivante et on ne s'en occupe pas pour l'instant.

Voici la description des éléments du côté régulation sur une LC Power, c'est quasiment la même chose pour toutes les alimentations à régulation couplée :

Puisqu'il n'y a qu'un seul transformateur, une seule commande pour gérer le rapport cyclique du découpage et plusieurs tensions de sortie, il faut trouver un moyen de satisfaire tout le monde. Pour cela, on établit une sorte de moyenne pondérée des tensions 5 et 12 V (et le 3.3 V aussi généralement) à l'aide de résistances. Cette moyenne reflète l'usage qui est fait de toutes les lignes utilisées pour la calculer. Elle permet alors de gérer les transistors en fonction de la charge sur les rails 5 et 12 V simultanément. Un contrôleur intégré de découpage (MLI) effectue un calcul d'erreur entre cette moyenne et une référence pour rétablir l'équilibre entre les 2 en agissant sur le temps de conduction des transistors à l'étage de découpage.

Beaucoup d'alimentations ont des petits potentiomètres accessibles à l'intérieur, ou à l'extérieur pour certains modèles (OCZ Powerstream), pour permettre au fabricant de les régler en usine (ils auront surement un point de colle qu'il faut faire sauter) et rien ne vous empêche de les tourner vous même pour affiner les tensions. En les tournant doucement, on modifie en fait la pondération, ce qui change la moyenne à la volée et agit sur le découpage en conséquence.

Il y en a 1 ou 2 potentiomètres à tourner, suivant comment le système est implémenté (3 dans le cas d'une régulation indépendante). Le 5 et le 12 V étant intimement liés, quand on touche à l'un, l'autre bouge et inversement. S'il y a 2 potentiomètres par exemple, ça veut dire qu'on modifie l'importance d'une tension par rapport à l'autre avant de faire la moyenne (on change sa résistance R du schéma suivant). On retrouve ça sur les Fortron par exemple. S'il y a 1 seul potentiomètre, on modifie la moyenne directement et ça fait varier tout en même temps. C'est beaucoup moins souple car on ne peut pas régler finement chaque tension et on retrouve ça sur les LC Power par exemple (c'est moins cher à faire).

Voici le principe avec une alimentation très simplifiée où l'on ne prend que le 5 et 12 V :

Et voici la régulation d'une LC Power 550 W qui fait une pondération entre les retours du 3.3, du 5 et du 12 V et a un réglage de l'ensemble grâce au potentiomètre unique (réglé en usine) :

Si l'une des tensions varie dans un sens ou dans l'autre, le comparateur du contrôleur le saura grâce à cet assemblage de résistances. On ordonnera alors d'envoyer plus ou moins d'énergie dans le transformateur pour tenter de rétablir la tension à sa valeur d'origine.

Cette seule boucle d'asservissement n'est malheureusement pas du tout suffisante ! Si la charge sur le 12 V vient à augmenter, il faut relever son niveau à cause de la chute de tension qui se produit lors de l'appel du courant plus important. Le feed-back est informé de cette baisse par le retour du 12 V, tandis que le 5 V n'a pas vu sa charge varier (donc n'a pas besoin d'être modifié). Le feed-back ordonne alors aux transistors de découpage de rester un petit peu plus longtemps passants pour envoyer plus d'énergie vers la sortie afin de compenser la baisse du 12 V. Malheureusement, en faisant ça, ce sont toutes les tensions de sortie qui se retrouvent boostées car elles sont toutes issues du même transformateur. Avec cette méthode, si le 12 V reviendrait effectivement à son niveau, le 5 V s'envolerait et sortirait bien vite de la norme. Il faut donc ajouter un élément supplémentaire pour induire une contre-réaction et atténuer ce phénomène non souhaité sur la(les) ligne(s) dont la charge n'a pas varié.

Pour éviter ça, le 5 et le 12 V (et le -5 et -12 V s'ils existent) sont couplées autour d'une même inductance. On ne peut pas la louper, c'est la plus grosse avec des fils de couleur différente, entourés autour d'un gros tore. C'est dans celle-ci que les impulsions issues du transformateur, et qui donneront le 5 et le 12 V, arrivent et effectuent plusieurs tours autour du tore grâce aux enroulements enchevêtrés. Cette inductance sert à lisser le courant comme on l'a vu précédemment, mais elle va aussi agir comme un mini transformateur pour moyenner les signaux puisqu'ils influencent le comportement magnétique de celle-ci et qu'en retour, elle va les influencer aussi sans faire de distinction.

Dans le cas où le 12 V se retrouve chargé, le découpage envoie naturellement plus d'énergie pour relever son niveau. En faisant ça et grâce au sens d'enroulement des fils, l'inductance induit une petite tension négative dans les enroulements autre que le 12 V, ce qui vient limiter la hausse du 5 V (charge invariante). Les tensions -5 et -12 V, généralement couplées sur cette même inductance, subissent la même chose avec une tolérance à +/- 10 % pour le -12 V.

On peut voir ce couplage car le niveau du 5 V augmente quand on tire sur le 12 V (configuration récente), et inversement avec une configuration dont le processeur tire sa puissance du 5 V. La contre-réaction engendrée dans l'inductance empêche que la tension de la ligne invariante ne sorte des limites imposées par la norme ATX. Mais le système n'est pas parfait et ça grimpe quand même un peu car on ne fait que limiter la hausse, on ne l'annihile pas totalement. La chute de tension sur la ligne chargée n'est aussi pas tout à fait compensée et l'on observe une petite baisse du 12 V si c'est cette ligne qui est chargée.

Tout l'art est de calculer au mieux cette régulation couplée pour s'adapter à un maximum de situations possibles, mais ce n'est pas aussi souple qu'on le voudrait. Elle peut vite atteindre ses limites dès que le chargement devient trop dissymétrique entre le 5 et le 12 V car la compensation n'est plus suffisante. C'est évidemment le cas avec les configurations actuelles car on demande beaucoup de puissance sur le 12 V et très peu sur le 5 V. Au final, ça peut donner de grandes amplitudes de tension si la régulation est mal implémentée.

De très rares marques, comme Silverstone, font des efforts de communication et annoncent ouvertement qu'il faut maintenir une certaine charge sur le 5 V afin d'aider la régulation couplée à garder le 12 V dans la norme. C'est très bien de le dire, mais c'est presque inapplicable car il faut trouver quelque chose à mettre sur le 5 V pour compenser...

Ci dessous, on a l'illustration de ce phénomène en ajoutant 20 W sur le 5 V, avec une résistance de puissance, pendant que le processeur est à pleine charge :

On voit clairement que l'ajout d'un chargement de 4 A sur le 5 V le fait chuter un peu, ce qui est normal ici, mais ça fait aussi remonter nettement le niveau du 12 V grâce au couplage alors que la charge sur le 12 V n'a pas varié. Il faut trouver le bon rapport entre les 2 tensions pour que le 12 V ne baisse pas trop, mais aussi que le 5 V n'augmente pas trop dans le même temps. La ligne qu'on soupçonne être la plus chargée doit être favorisée dans le calcul de la régulation pour induire une réaction appropriée. Si on y arrive, on a alors une bonne alimentation pour pas trop cher.

C'est d'ailleurs l'un des problèmes des sites testant des alimentations avec un banc résistif. Généralement, elles sont chargées équitablement sur tous les rails à la fois jusqu'à leur limite, ce qui facilite bien évidemment tout le travail de la régulation car rien n'est dissymétrique. Ca ne représente alors plus trop un cas normal (suivant la configuration). Les normes utilisent ce genre de chargement équitable pour qualifier une alimentation, son rendement, etc., mais ça n'est jamais vraiment proche de la réalité. Il faut bien choisir quelque chose pour comparer et ils ne vont pas perdre du temps à tester tous les cas possibles... Toutes les alimentations sur ces sites semblent alors très bonnes au niveau régulation, alors qu'avec un chargement réel sur une vraie configuration, elles peuvent vite s'effondrer (cas de certaines Tagan par ex.). Le site X-bit Labs est le seul à gérer correctement l'ensemble de tous les chargements possibles afin d'avoir le comportement intégral de la régulation. C'est de loin l'idéal, mais ça nécessite un peu de matériel.

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