Alimentations modulaires : flexibilité et évolutivité pour diverses applications

Les alimentations DC offrent une large gamme de solutions spécifiques à l’industrie.

Elles fournissent des sources de tension essentielles pour diverses applications telles que l’électronique grand public, les systèmes d’automatisation industrielle et les instruments médicaux de précision. Cet article présente les différents types d’alimentations modulaires et leurs utilisations. Grâce à leur flexibilité et leur évolutivité, les alimentations modulaires transforment la gestion de l’alimentation dans les systèmes électroniques. Ces unités avancées contiennent des câbles amovibles et des modules d’alimentation configurables, ce qui permet aux utilisateurs de personnaliser leurs solutions d’alimentation. Elles améliorent les performances et l’adaptabilité du système en acceptant les sorties de tension et de courant ajustables, en optimisant la gestion thermique et en prenant en charge les composants haute puissance. En raison de leur évolutivité supérieure, de leur efficacité et de leur conception simplifiée, les alimentations modulaires sont préférées aux solutions discrètes. Les conceptions modulaires réduisent l’encombrement interne, améliorent le débit d’air et facilitent l’extension et la reconfiguration, des arguments particulièrement appréciés dans un grand nombre d’applications électroniques et informatiques.

Types d’alimentations	Plage de tension	Applications
Alimentations sans interruption (ASI)	120V - 480V AC	Centres de données, installations de télécommunications, équipement médical, systèmes de commande industriels
Alimentations à découpage (SMPS)	3,3V - 48V DC	Systèmes informatiques, électronique grand public, éclairage LED, automatisation industrielle
Alimentation linéaire	5V - 48V DC	Équipement de laboratoire, dispositifs médicaux, équipement audio
Alimentations programmables	24V - 600V DC	Équipement de test et de mesure, applications de laboratoire, recherche et développement
Alimentations industrielles	24V - 400V AC/DC	Automatisation industrielle, commande de processus, machines, robotique
Alimentations médicales	12V - 48V DC	Dispositifs de surveillance médicale, équipement de diagnostic, outils chirurgicaux
Alimentation haute tension	1KV-100KV DC	Imagerie médicale, fabrication de semi-conducteurs, recherche scientifique
Alimentations montées sur rack	12V - 48V DC	Équipement de télécommunications, racks de serveurs, systèmes audio/vidéo
Alimentations modulaires	12V-100V DC	Serveurs de centres de données, systèmes de stockage, équipement réseau
Alimentations sur rail DIN	12V - 48V DC	Panneaux de commande industriels, systèmes d’automatisation de bâtiments, équipement CVC
Alimentations à structure ouverte	5V - 48V DC	Ordinateurs industriels, équipement de test, dispositifs médicaux
Alimentations redondantes	12V - 48V DC	Infrastructure critique, systèmes haute disponibilité, missions critiques
Convertisseur DC-DC	1,8V - 48V DC	Automobile, télécommunications, systèmes de commande industriels
Alimentation AC/DC	100V - 250V AC	Électronique grand public, équipement industriel, éclairage
Alimentation solaire	12V - 600V DC	Systèmes alimentés par des énergies renouvelables, solutions d’alimentation hors réseau
Onduleur	Tension d’entrée = 12V-48V DC, tension de sortie = 120V AC - 240V AC	Systèmes alimentés par des énergies renouvelables, systèmes d’alimentation sans interruption
Batterie de secours	12V - 48V DC	Infrastructure critique, éclairage d’urgence, systèmes de sécurité

Tableau 1 : Présentation des différents types d’alimentations DC et de leurs applications

Flexibilité : la pierre angulaire de la conception modulaire

Une alimentation modulaire configurable assure une polyvalence et une flexibilité exceptionnelles en matière de développement. En acceptant une large gamme de caractéristiques de courant et de tension (I-V), elle élimine le besoin de repenser entièrement le système grâce à l’ajustement et à la réorganisation des composants sur une même plate-forme. À titre d’exemple, une plate-forme modulaire de 750W peut fournir des sorties allant de 12VDC à 62,5A à 48VDC à 15,6A ou toute configuration intermédiaire, chaque sortie étant régulée indépendamment pour garantir des performances stables sans interférence. Contrairement aux unités fixes classiques, les systèmes modulaires sont dotés de modules interchangeables qui peuvent être combinés pour répondre précisément à des besoins d’alimentation spécifiques. Ce type de conception s’avère particulièrement avantageux dans les environnements de recherche et de développement, dans lesquels l’adaptabilité est un critère essentiel. Voici les principaux avantages des alimentations modulaires :

Personnalisation et gestion des câbles : les utilisateurs peuvent personnaliser leur configuration à l’aide de câbles amovibles de différentes longueurs, couleurs et types, pour une gestion des câbles plus efficace et une esthétique améliorée. Une telle flexibilité permet d’ajuster la puissance de sortie en fonction de la demande sans avoir à remplacer l’ensemble de l’unité, ce qui se traduit par des constructions plus propres et des systèmes plus efficaces. Grâce à un encombrement réduit des câbles, les alimentations modulaires améliorent le débit d’air et le refroidissement, ce qui permet de limiter les températures et de prolonger la durée de vie des composants. Cette conception permet également d’augmenter l’overclocking et d’ajouter des ventilateurs de refroidissement supplémentaires. Les unités modulaires contiennent souvent des ventilateurs intégrés pour un refroidissement simplifié.
Adaptabilité et polyvalence : les alimentations modulaires offrent une polyvalence exceptionnelle avec des configurations de sortie personnalisables. Elles prennent en charge une large plage de sorties de tension et de courant et sont dotées de plusieurs canaux afin d’alimenter plusieurs dispositifs à la fois. Ces alimentations sont facilement extensibles. Il suffit d’ajouter ou de retirer des modules afin de répondre à l’évolution de la demande d’alimentation sans avoir à repenser entièrement le système. Leur large plage de sortie en fait les alimentations parfaites dans un grand nombre d’applications allant de l’électronique basse consommation aux systèmes industriels haute puissance. La nouvelle série MU4 de TDK-Lambda fournit des options de tension fluides de 3,3V à 104V grâce à son configurateur.

Plage de tension de sortie	Courant maximal	Puissance maximale
3,3 à 6V	30A	150W
3,3 à 6V	54A	260W
6 à 15V	20A	240W
6,6 à 15V	30A	300W
12 à 30V	30A	480W
15 à 30V	10A	240W
30 à 52V	5A	240W
30 à 60V	10A	480W
60 à 104V	5A	480W

Tableau 2 : Large plage de réglages de sortie (plages de tension de sortie MU4) (Source)

Les alimentations modulaires comportant plusieurs sorties isolées offrent une flexibilité inégalée dans les configurations de tension et de courant, un facteur essentiel dans diverses applications nécessitant des polarités positives et négatives. Grâce à la technologie des transformateurs à tours fractionnaires (FTT), comme dans le RCL175 de XP, ces systèmes fournissent efficacement une vaste gamme de sorties (s’étendant généralement de 3,3V à 60VDC) sans nuire aux performances ni accroître la complexité.

$Configuration d’un transformateur à tours fractionnaires$

Figure 1 : Configuration d’un transformateur à tours fractionnaires (Source)

La technologie des FTT améliore les alimentations à sorties multiples en permettant des tours entiers efficaces sur le transformateur principal et en utilisant un transformateur séparé pour les tours fractionnaires. Cela se traduit par une meilleure régulation, une taille réduite et une efficacité accrue. Le processus de conception est ainsi simplifié, la post-régulation devient inutile, et la détection et la commande de tension sont optimisées. Des aspects particulièrement avantageux pour les combinaisons de tension courantes telles que 3,3V et 5V.

Ainsi, les alimentations modulaires dotées de la technologie des FTT offrent une solution compacte, économique et très efficace répondant aux besoins d’alimentation complexes dans les applications techniques.

Figure 2 : Alimentation modulaire avec un portefeuille diversifié (Source)

Dissipation thermique optimisée : les alimentations modulaires optimisent les pertes de chaleur et prolongent leur durée de vie pour répondre à tous les besoins de refroidissement. La densité de puissance élevée et le refroidissement par convection efficace limitent le besoin de refroidissement forcé, et facilitent ainsi l’intégration.
Tandis que les produits nécessitant 20CFM (pieds cubiques par minute) font apparaître des difficultés à mesure qu’ils se miniaturisent et que le bruit devient problématique, une valeur de 10-12CFM est plus maîtrisable et plus économique. Associant le refroidissement par convection à des caractéristiques de refroidissement forcé haute puissance, ces alimentations utilisent des ventilateurs à vitesse variable qui s’activent uniquement à des températures ou des charges élevées. Le résultat : une fiabilité accrue et un bruit limité.
Meilleure gestion de l’espace et rationalisation du cycle de vie des produits : les alimentations modulaires améliorent la conception des systèmes d’alimentation en assurant un gain d’espace sur les circuits imprimés et en simplifiant la gestion thermique. Leur forme compacte et leur densité de puissance élevée accélèrent la conception itérative et la maintenance. Les solutions discrètes, quant à elles, nécessitent une expertise approfondie, beaucoup de temps et d’efforts dédiés à l’approvisionnement, à la validation et à l’intégration. Cela complique les changements de conception mineurs et affecte considérablement la flexibilité, limitée par l’augmentation de l’espace et du poids.
Lorsque vous devez choisir entre des modules d’alimentation et des conceptions discrètes, tenez compte du cycle de vie du produit dans son ensemble. Les conceptions discrètes constituent une charge de travail conséquente pour votre équipe interne en matière de conception, de test et de certification. Il peut en découler des retards importants. Le dimensionnement nécessite souvent des refontes complètes, ce qui entraîne des temps de développement plus longs. Les modules d’alimentation, quant à eux, permettent de rationaliser la logistique, limitant ainsi le stress organisationnel. Les modules préqualifiés comme ceux de Vicor sont synonymes de fiabilité et de conformité, permettant une évolutivité transparente sans refonte intensive.

Figure 3(a) : Excellente gestion de l’espace au sein d’un système miniaturisé (Source)

Figure 3(b) : Réseau de distribution d’alimentation (Source)

Installation rationalisée et fiabilité accrue : les alimentations modulaires optimisent l’efficacité, réduisent la taille, limitent les pertes de chaleur et prolongent leur durée de vie pour répondre à tous les besoins de refroidissement. La densité de puissance élevée et le refroidissement par convection efficace limitent le besoin de refroidissement forcé, et facilitent ainsi l’intégration. Tandis que les produits nécessitant 20CFM (pieds cubiques par minute) font apparaître des difficultés à mesure qu’ils se miniaturisent et que le bruit devient problématique, une valeur de 10-12CFM est plus maîtrisable et plus économique. Associant le refroidissement par convection à des caractéristiques de refroidissement forcé haute puissance, ces alimentations utilisent des ventilateurs à vitesse variable qui s’activent uniquement à des températures ou des charges élevées. Le résultat : une fiabilité accrue et un bruit limité.
Conformité simplifiée : les convertisseurs de puissance agissent comme des barrières de sécurité entre l’alimentation secteur haute tension et les réseaux électroniques SELV, soumis à une surveillance rigoureuse. Dans le domaine de la conception de conversion de puissance, la conformité simplifiée est cruciale pour obtenir l’approbation réglementaire requise. Les convertisseurs d’alimentation à découpage dédiés aux applications AC/DC et DC/DC peuvent générer d’importantes interférences électromagnétiques (IEM).
Les alimentations modulaires, qui sont préconçues et testées pour répondre aux normes de sécurité et EMC les plus strictes, atténuent les problèmes d’émissions liés au bruit à large bande imprévisible. L’utilisation d’alimentations standard multiples peut provoquer des courants de fuite cumulatifs et des violations de sécurité, car ces alimentations permettent rarement des connexions supplémentaires.
Le choix d’une alimentation modulaire configurable garantit la conformité, réduit les coûts des tests et accélère l’obtention des approbations réglementaires requises. En outre, le recours à un fournisseur unique simplifie la résolution des problèmes de conformité.

Évolutivité : répondre à la demande d’alimentation croissante

À la fois adaptables et efficaces, les alimentations modulaires permettent d’effectuer des modifications ou des extensions progressives afin de répondre à l’évolution de la demande avec des temps d’arrêt minimum. Les utilisateurs peuvent ajuster la puissance de sortie en fonction des besoins en ajoutant ou en retirant des modules d’alimentation autonomes. Une telle évolutivité s’avère particulièrement avantageuse dans les secteurs industriels et les centres de données, où les besoins d’alimentation variables et les charges de calcul dynamiques exigent une consommation d’énergie et des coûts d’exploitation optimisés. Voici quelques-uns des principaux avantages :

Modularité interne : la modularité des systèmes d’alimentation permet aux entreprises de débuter modestement, puis de développer leurs installations en fonction de leurs besoins en ajoutant ou en retirant des modules d’alimentation remplaçables à chaud par l’utilisateur, gagnant ainsi en efficacité tout en limitant leurs dépenses d’investissement. Cette approche flexible simplifie les mises à jour de capacités, minimise les temps d’arrêt pendant la maintenance et permet de s’adapter à l’évolution de la demande d’alimentation. Les blocs standardisés assurent une personnalisation rapide, tandis que les affichages de configuration permettent de rationaliser les installations. Les actifs préconçus et les modules enfichables simples évitent les câblages fastidieux, pour plus de sécurité. Ils assurent compatibilité et évolutivité, même sans aucune compétence technique. Des modules supplémentaires effectuent un autotest et une configuration automatique pour garantir des connexions adaptées tout en protégeant la charge. L’autodiagnostic, les modules de rechange faciles à remplacer et la conception de pointe empêchant la propagation des défauts éliminent les défaillances et assurent une fiabilité inégalée, avec un temps moyen entre pannes de 1 000 000 d’heures.
Gestion de charge : les alimentations modulaires gèrent efficacement les charges croissantes. Par exemple, une ASI d’une capacité maximale de 200kVA peut démarrer à 100kVA, puis augmenter jusqu’à 200kVA en fonction des besoins. Une alimentation modulaire peut être configurée pour différents niveaux de puissance entre 100 et 200kVA, avec des options telles que 100, 130, 150, 180 et 200kVA disponibles dans chaque armoire. Les niveaux de puissance peuvent être augmentés à l’occasion de mises à niveau sur le terrain par un opérateur de service. Alors que les autres alimentations sont prévues pour des niveaux de puissance inférieurs à 20kVA (pour les petites installations informatiques), ces alimentations modulaires reposent sur une technique unique de partage de courant qui garantit un fonctionnement simultané sans commutateur de transfert statique. Elles sont également dotées d’un filtre d’entrée grâce auquel les générateurs externes considèrent l’ASI comme une charge inductive.

Applications dans divers secteurs

La flexibilité et l’évolutivité des alimentations modulaires en font les alimentations idéales dans une vaste gamme d’applications :

Centres de données : facilement modifiables en fonction des besoins en alimentation dynamiques des racks de serveurs, les alimentations modulaires s’adaptent rapidement à l’ajout de nouveaux équipements ou à l’augmentation des charges de calcul.
Télécommunications : les systèmes d’alimentation modulaires peuvent être reconfigurés à mesure que l’infrastructure réseau évolue, par exemple lors de l’intégration de nouvelles technologies ou de l’augmentation de la demande d’alimentation.
Automatisation industrielle : les configurations d’alimentation facilement ajustables s’adaptent parfaitement aux processus de fabrication affichant des besoins en alimentation variables.
Équipements médicaux : les alimentations modulaires peuvent être adaptées pour répondre à la demande d’alimentation de différents dispositifs médicaux tout en respectant des normes de sécurité strictes.
Systèmes alimentés par des énergies renouvelables : ces alimentations s’adaptent aux besoins fluctuants en matière de production et de stockage d’énergie dans les installations solaires ou éoliennes.
Test et mesure : les laboratoires et les installations de test peuvent configurer les alimentations en fonction des besoins des expériences ou des scénarios de test en cours.

Les ASI au service des centres de données : des caractéristiques essentielles pour les technologies modernes

Les centres de données font vivre le monde numérique. Les temps d’arrêt peuvent provoquer des coupures de services, qui elles-mêmes affectent notre vie sociale et peuvent entraînent des pertes financières et des dangers potentiels. Les centres de données modernes utilisent des infrastructures dédiées telles que des systèmes d’alimentation sans interruption afin de garantir un fonctionnement continu et une résistance optimale.

Les trois grands piliers suivants illustrent l’utilité des systèmes d’alimentation modulaires dans les centres de données modernes :

Résistance et fiabilité opérationnelles
Optimisation des coûts du cycle de vie
Évolutivité et intégration flexibles

Les principales technologies ASI de Legrand intègrent une architecture modulaire pour un dimensionnement et une maintenance faciles, une électronique de puissance avancée pour un haut rendement, et des systèmes de commande intelligents pour des performances optimisées. Ces fonctionnalités en font les alimentations idéales pour les centres de données.

1) Résistance et fiabilité opérationnelles :

Voici quelques-uns des principaux avantages :

Haute disponibilité : grâce à la redondance N+1.
Temps moyen de réparation (MTTR) court : réparations rapides en cas de problème.
Composants remplaçables à chaud : pour des maintenances sans temps d’arrêt.

Figure 4 : Exemples de configurations de redondance N+1 (Source)

2) Optimisation des coûts du cycle de vie :

Voici quelques-uns des avantages

Rendement énergétique élevé, en particulier à des charges partielles.
Gestion intelligente des batteries pour une durée de vie prolongée.
Réduction des coûts de maintenance et d’entretien.
Durée de vie prolongée des composants.
Plus grande facilité d’entretien.

Figure 5 : Avec jusqu’à 96,6% d’efficacité, les ASI Legrand offrent des solutions économes en énergie et rentables pour les centres de données (Source)

3) Évolutivité et intégration flexibles :

Voici les principaux avantages

Puissance évolutive (faible investissement initial).
Compatibilité avec diverses infrastructures électriques.
Compacité et options d’installation flexibles.
Communication et intégration avancées.

Figure 6 : Keor MOD : un système évolutif qui permet d’ajouter des serveurs sur les racks et de mettre l’ASI à niveau sans modifier l’infrastructure (Source)

Figure 7 : Densité de puissance élevée et compacité (Source)

Figure 8 : Ports et interfaces de communication (USB, contacts secs, RS232, RS485, ModBUS, Ethernet, parallèle, signaux logiques d’entrée/sortie, etc.) (Source)

Ces systèmes d’alimentation sans interruption sont conçus pour répondre aux besoins en constante évolution de différents types de centres de données, des petites installations sur site aux centres de données à très grande échelle, en passant par les centres en colocation. Ils assurent une protection fiable de l’alimentation tout en optimisant le rendement énergétique, en réduisant le coût total de possession et en offrant la flexibilité nécessaire pour s’adapter à l’évolution des besoins en matière d’infrastructure.

Conclusion

Les alimentations modulaires représentent une avancée significative dans le secteur des technologies de gestion de l’alimentation. Elles augmentent la flexibilité, l’évolutivité et l’efficacité dans de nombreuses applications. Leur capacité à évoluer en fonction de la demande d’alimentation tout en améliorant la gestion thermique et en simplifiant l’installation en font un choix privilégié dans les centres de données, les télécommunications, l’automatisation industrielle, les équipements médicaux, les systèmes alimentés par des énergies renouvelables, ou encore les environnements de test et de mesure.

En tant que distributeur mondial, nous proposons une gamme variée d’alimentations modulaires pour répondre à de tels besoins tout en garantissant des performances fiables et la conformité aux normes de sécurité les plus strictes. Les utilisateurs recherchent des solutions d’alimentation de plus en plus adaptables et efficaces. Dans ce contexte, les alimentations modulaires vont jouer un rôle essentiel dans le développement de la prochaine génération d’avancées technologiques.