L`impédance des alimentations, un paramètre

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MESURES 765 - MAI 2004
L
es concepteurs de systèmes élec-
troniques pour l’aérospatial, les
transports et le militaire sont fami-
liarisés avec les architectures à ali-
mentations distribuées, dans lesquelles un
ou plusieurs bus CC (courant continu) d’une
source d’alimentation globale alimentent,
via un fond de panier ou un câblage direct,
des convertisseurs continu-continu. Les
bus CC fournissent des tensions semi-régu-
lées alors que les convertisseurs CC délivrent
une ou plusieurs sorties de tension très
stables : ce sont ces dernières qui alimentent
les cartes électroniques et les modules pré-
sents dans l’équipement. Les concepteurs de
systèmes télécoms sont également familiers
de ces architectures, notamment du fait de
l’utilisation du 48Vcc comme tension d’ali-
mentation.
Ce concept permet d’obtenir des perfor-
mances élevées mais le prix est élevé. Du
coup, certains secteurs (notamment le grand
public, voire l’industriel), très sensibles à la
notion de prix, n’utilisent pas d’alimenta-
tions distribuées. Mais la vérité d’un jour
n’est pas celle du lendemain. Les baisses de
coût de produits, les exigences de perfor-
mance créées par les serveurs et les PC haut
de gamme utilisés dans l’industrie, les
contraintes de place de plus en plus serrées,
le foisonnement croissant des réglementa-
tions et des exigences de sécurité pour les
équipements connectés directement sur le
secteur, sont autant de facteurs qui contri-
buent à susciter un intérêt général pour les
alimentations distribuées.
Relations entre les impédances
d’entrée et de sortie
La conception d’alimentations distribuées va
bien au-delà de la simple connexion de
convertisseurs CC-CC sur le bus CC d’une
source d’alimentation globale. Parmi les sub-
tilités dont il faut tenir compte, il y a la rela-
tion source/impédance de charge entre la
source d’alimentation globale et les charges
connectées. Si on néglige les contraintes s’im-
posant aux relations
d’impédance d’entrée et
de sortie, le système peut
se comporter de maniè-
re instable et on peut
avoir à faire face à des
problèmes d’interfé-
rences électromagné-
tiques (CEM) difficiles à
résoudre. Malheureuse-
ment, très peu de four-
nisseurs de convertis-
seurs CA-CC et CC-CC
donnent des informa-
tions détaillées sur l’im-
pédance d’entrée et de
sortie de leurs équipe-
ments.
Fort heureusement, les
instruments de mesure
standards permettent de
▼
Les concepteurs de produits et de systèmes se tournent de plus en plus souvent vers les architectures à alimentations dis-
tribuées. Une bonne conception nécessite de connaître précisément l’impédance de sortie de la source d’alimentation glo-
bale (qui délivre un courant grossièrement régulé), qui alimente les convertisseurs continu-continu (lesquels assurent une
régulation très précise). Malheureusement, la valeur de cette impédance et son comportement en fréquence ne sont pas
toujours indiqués dans les fiches de spécifications. Il faut donc savoir la mesurer. Agilent Technologies propose ici deux
méthodes très différentes pour le faire…
L’essentiel
Il faut d’abord savoir si on
fait la mesure en amont ou
en aval du filtre CEM
A partir de là, deux
méthodes sont envisa-
geables
La méthode avec analyseur
de réseau est rapide mais
elle n’est pas à la portée de
tout le monde (tout le
monde n’a pas un tel analy-
seur dans son laboratoire)
La méthode avec charge
électronique et logiciel FFT
est plus accessible mais
plus difficile à mettre en
œuvre
Les deux méthodes don-
nent des résultats compa-
rables
INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE
L’impédance
des alimentations,
un paramètre
important à mesurer
On le voit ici,la caractérisation de l’impédance de
sortie d’une alimentation distribuée ne se fait pas
avec un simple ohmmètre!
olutions
S

mesurer ces impédances et leur variation en
fonction de la fréquence.
Le critère le plus fondamental pour qu’un
système d’alimentations distribuées présen-
te des performances stables (même en cas
de variation de la charge) est que l’impé-
dance de sortie de la source d’alimentation
globale soit très inférieure à l’impédance
d’entrée des convertisseurs CC-CC :
Z
sortie
<< Z
entrée
Ceci doit être vérifié à toutes les fréquences. Il
faut bien préciser ce qu’on appelle impédan-
ce de sortie et impédance d’entrée, compte
tenu de la présence d’un filtre CEM entre la
source d’alimentation globale et les conver-
tisseurs CC-CC. On peut considérer que ce
filtre est associé à la source d’alimentation glo-
bale : dans ce cas, l’impédance de sortie consi-
dérée est celle du filtre CEM, tandis que l’im-
pédance d’entrée est celle du
convertisseur CC-CC. On peut aussi considé-
rer que le filtre CEM est placé à l’entrée du
convertisseur CC-CC : dans ce cas, l’impé-
dance d’entrée à considérer prend en comp-
te ce filtre…
Le concepteur notera également, en procédant
à une analyse plus rigoureuse, qu’une appli-
cation sans discernement de la règle des impé-
dances peut s’avérer trop prudente et que pour
des conceptions mieux optimisées, il y a bien
d’autres contraintes à prendre en compte.
L’une des surprises qui attend le concepteur
novice a trait au fait qu’aux basses fréquences,
l’impédance d’entrée d’un convertisseur
continu-continu ressemble à une résistance
négative. L’explication est simple. Un conver-
tisseur CC-CC délivre une tension de sortie
régulée et maintient cette dernière au niveau
spécifié, même en cas de chute de la tension
d’entrée (régulation de ligne). Pour une char-
ge donnée, si la tension de sortie demeure
constante, la puissance en sortie est égale-
ment constante. Si l’on suppose en premiè-
re approximation que le rendement du
convertisseur reste constant (ce qui n’est pas
tout à fait vrai, car celui-ci change avec le
point de fonctionnement), la puissance en
entrée est également constante. Pour main-
tenir cette puissance lorsqu’il y a une baisse
de la tension d’entrée, le courant d’entrée
doit augmenter (la puissance étant le pro-
duit de la tension par le courant) : pour des
changements incrémentaux de la tension
d’entrée, l’impédance d’entrée s’apparente
à une résistance “négative”.
Une impédance d’entrée négative (parfois
appelée “résistance d’entrée incrémentale”)
tend à contrebalancer les résistances parasites
des composants du filtre d’entrée (résistance
série équivalente, résistance des bobines d’in-
ductance) ainsi que la composante résistive de
l’impédance de sortie de la source d’alimen-
tation globale. Si on n’y prend garde, il y a un
risque de sous-amortissement du système et
un risque de perte de stabilité potentielle.
Le concepteur peut, sans se poser de ques-
tions, contourner ces difficultés en plaçant
un condensateur de découplage relativement
important à l’entrée du convertisseur CC-CC.
Cette méthode présente un risque : les
condensateurs de bonne qualité présentent
des valeurs de résistance série équivalente
relativement faibles, augmentant ainsi la pro-
babilité d’un sous-amortissement du systè-
me. De plus, les filtres d’entrée et les sources
d’alimentation globales peuvent présenter
une impédance en sortie élevée, inattendue
à certaines fréquences (effets de résonance
parallèle), susceptible d’aggraver la situation.
Donc, plus le concepteur a d’informations
pertinentes sur les valeurs d’impédance, en
particulier pour les “boîtes noires” telles que
les sources d’alimentation globales, moins il
risque d’avoir des mauvaises surprises*.
Attention à la CEM…
Le concepteur de systèmes à alimentations
distribuées doit également prendre en comp-
te les problèmes de CEM, en particulier ce qui
concerne les interférences conduites. Pour les
systèmes destinés aux applications militaires
ou aérospatiales, il y a des normes imposées.
Pour les équipements civils, il existe égale-
ment des normes (les normes CEI) mais celles-
ci ne sont pas imposées. De plus, les normes
pour alimentations à courant continu sont
beaucoup moins nombreuses que celles pour
alimentations à courant alternatif.
Le concepteur de systèmes pour applications
civiles a donc une plus grande liberté pour
définir les conditions de compatibilité élec-
tromagnétique appropriées, mais il ne doit
pas en profiter pour les négliger. Au mini-
mum, une évaluation soigneuse du pire scé-
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S olutions
Choix du point de mesure
Méthode avec analyseur vectoriel
Charge électronique
(ex. Agilent N3300A)
Prog. Ext Com. Ext
Terminaison 50 Ω
sur câble coaxial
Équipement
sous test (EUT)
Sonde 10X
Sonde de courant
(ex. Agilent N2774A/75A)
Analyseur de réseau
(ex. Agilent 4395A)
Agilent
41802A
Agilent
41802A
Il y a deux manières de considérer l’impédance de sortie de la source d’alimentation globale.Soit on considère que le filtre CEM (placé
entre cette alimentation et les convertisseurs CC-CC) fait partie de l’alimentation, soit on considère qu’il n’en fait pas partie.Pour réaliser
la conception d’un système d’alimentation,il est impératif de savoir ce qui est inclus et ce qui ne l’est pas.
Avec ce montage,les mesures de l’impédance de sortie du système sous test se font relativement aisément.Mais il faut disposer d’un analy-
seur de réseau,un instrument que l’on ne trouve pas dans tous les laboratoires d’électronique.
*Les lecteurs que
les mathématiques
ne rebutent pas ou
ceux désireux
d’obtenir des
informations plus
complètes sur les
contraintes de
conception peuvent
se reporter aux
deux articles sui-
vants :
- R. Ridley,The
Evolution of Power
Electronics,
Switching Power
Magazine,
Automne 2001 -
Disponible sur
www.switchingpo-
wermagazine.com
- M.F. Schlecht,
Input System
Instablity, Note
d’application PQ-
00-05-1 Rev.
01, 16 mai
2000 -
Disponible sur
www.synqor.com
Z
OUT
Z
OUT
Z
IN
+S +S
-S -S
A
B
P
Source
--
++
Source
d’alimentation
globale
Convertisseur CC-CC

nario en matière de courants de conduction
à toutes fréquences (émissions) doit être fai-
te en mettant en regard l’impédance du sys-
tème d’alimentation à la même fréquence,
de façon à déterminer si les tensions d’in-
terférence qui en résultent sont susceptibles
d’être supérieures aux niveaux d’immunité
des dispositifs “victimes” reliés au même bus
d’alimentation (susceptibilité). S’il existe un
risque d’interférence, il faut prendre toutes les
mesures pour minimiser les courants
conduits ou pour abaisser l’impédance du
système aux fréquences critiques. Pour cela,
il faut mesurer la valeur de l’impédance en
fonction de la fréquence.
La mesure de cette impédance peut être réa-
lisée avec un équipement tout ce qu’il y a de
plus standard et que l’on peut trouver dans
n’importe quel laboratoire de conception
électronique, raisonnablement bien équipé.
Dans la mesure où la résistance d’entrée
incrémentale est relativement facile à esti-
mer*, il est intéressant de se concentrer sur
la mesure de l’impédance de sortie de la
source d’alimentation globale, et de son évo-
lution en fonction de la fréquence. La tech-
nique utilisée pour cela peut également être
utilisée pour mesurer l’impédance du systè-
me de distribution d’alimentation ou l’im-
pédance de sortie du filtre CEM, à supposer
que cette dernière ne puisse pas être estimée
facilement à partir des notices techniques des
composants utilisés.
Une première méthode de mesure consiste
à utiliser un analyseur de réseau basse fré-
quence d’utilisation courante (voir schéma
“Méthode avec analyseur vectoriel”). Cette
méthode est simple, facile à mettre en œuvre
et elle offre une grande souplesse d’utilisa-
tion.
Mesurer l’impédance de sortie
avec un analyseur de réseau
Un analyseur de réseau tel que l’Agilent
4395A offre les capacités de source, de mesu-
re et de calcul nécessaires à l’acquisition des
signaux complexes de tension et de courant
et à leur division (ratio) pour obtenir une
impédance complexe. L’analyseur doit être
utilisé avec au moins deux adaptateurs aux
entrées.Avec un tel analyseur à trois entrées,
il est pratique d’attribuer l’adaptateur “A” à
l’entrée de tension et l’adaptateur “R” à l’en-
trée de courant. En sélectionnant la fonction
A/R avec affichage de l’amplitude, de la pha-
se ou des deux, on obtient les informations
voulues. L’analyseur de réseau doit au mini-
mum être capable d’effectuer des mesures à
des fréquences comprises entre 10 Hz et
100-200 kHz. Les adaptateurs d’entrée doi-
vent être capables d’assurer un filtrage en
bande étroite pour garantir une résolution
en fréquence appropriée et une réjection de
bruit suffisante pour obtenir des mesures
reproductibles.
Une charge électronique avec une entrée de
programmation analogique externe fournit
un moyen simple de convertir les sorties de
source bas niveau en provenance de l’analy-
seur de réseau, en un stimulus de signaux
haut niveau. La stimulation de signaux
importants est nécessaire pour obtenir des
mesures reproductibles et raisonnablement
précises, car les valeurs d’impédance de la
source sous test sont typiquement très infé-
rieures à 1 Ω, voire à 1 mΩà certaines fré-
quences. Sur l’analyseur de réseau, sélec-
tionnez un niveau de source offrant une
composante de courant de charge alternati-
ve appropriée pour l’équipement testé. Un
niveau de 1 à 2A est typique, mais dans cer-
tains cas, les niveaux doivent être bien plus
élevés. La charge électronique doit autoriser
la sommation du signal d’entrée CA exter-
ne avec les niveaux de courant CC program-
més en interne pour garantir un fonction-
nement dans des régions linéaires des boucles
de régulation internes, ainsi que de celles de
l’équipement testé. La sommation des
signaux de stimulus CA et le décalage du
niveau continu facilitent aussi le test à diffé-
rents points de fonctionnement, ce qui est
intéressant lorsque l’on a des raisons de sus-
pecter un comportement non linéaire de la
part de l’équipement testé. Notez que la sta-
bilité du gain par rapport à la fréquence n’est
pas requise pour l’entrée de programmation
externe, puisque la mesure de ratio corrige
automatiquement les erreurs de gain.
Il convient d’utiliser des sondes appropriées
pour obtenir les formes d’onde des signaux
de tension et de courant appliqués aux
entrées de l’analyseur de réseau.Veiller aus-
si à ne pas connecter en couplage direct ou
capacitif les signaux de haut niveau aux
bornes d’entrée 50 Ωde l’analyseur de
réseau, car l’application des tensions de test
typiques peut endommager les entrées large
bande (lesquelles sont très sensibles). Avec
des facteurs d’échelle identiques rapportés
aux unités de base (volts et ampères), il est
possible de lire les mesures d’impédance
directement en ohms (A/R de 1V = 1 Ω),
ce qui est fort pratique. Toutefois, même si
on change de sondes, il est quand même
possible d’obtenir directement les valeurs
mesurées. Il suffit pour cela d’utiliser, si
nécessaire, les fonctions Math intégrées à
l’analyseur de réseau pour mettre à l’échel-
le les signaux d’entrée. Pour s’assurer que
l’on a le facteur d’échelle correct, il suffit
d’effectuer une rapide vérification sur une
valeur d’impédance relativement élevée et
connue en série avec l’équipement testé, 1 Ω
par exemple.
Une méthode faisant appel
à la FFT
Une deuxième méthode pour mesurer l’im-
pédance de sortie consiste à exploiter les
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MESURES 765 - MAI 2004
S olutions
Méthode avec charge électronique
Charge électronique
(ex. Agilent N3300A)
GPIB Prog. Ext. Com. Ext
Terminaison 50 Ω
sur câble coaxial
Câble coaxial
Équipement sous test
(EUT)
Générateur de fonctions
(ex. Agilent 33220A)
PC équipé d’un
progiciel FFT
(ex. Excel)
L’intérêt de ce
montage est qu’il
permet de réaliser
des mesures
d’impédance de
sortie avec des
équipements
relativement peu
onéreux.Mais la
mise en œuvre est
un peu plus com-
plexe que dans le
cas du montage
avec un analyseur
vectoriel.
+S +S
-S
-S
--
+
+
GPIB
GPIB

40 MESURES 765 - MAI 2004
S olutions
capacités de numérisation de signal offertes
par certaines charges électroniques dispo-
nibles sur le marché. Les mesures de ce type,
combinées à des outils évolués d’analyse FFT
(Transformée de Fourier rapide) proposés
dans des tableurs comme Excel, offrent des
capacités de caractérisation d’impédance
similaires, sans pour autant obliger à faire
l’acquisition d’un analyseur de réseau.
La charge électronique et l’équipement sous
test sont configurés sur le même principe de
base que la méthode précédente. L’analyseur
de réseau est remplacé par un PC doté de
capacités GPIB et un générateur de fonctions
synthétisées. La charge électronique est éga-
lement connectée au PC via un bus GPIB.
Les fonctions qui étaient assurées par l’ana-
lyseur de réseau dans le montage précédent
sont ici distribuées sur plusieurs équipe-
ments. La charge électronique assure l’ac-
quisition des signaux en numérisant les
signaux de tension et de courant. Ces don-
nées sont renvoyées au PC via la connexion
GPIB. Piloté via GPIB, le générateur de fonc-
tions synthétisées délivre un signal avec
balayage sinusoïdal tel que le signal précé-
demment délivré par la source de l’analy-
seur de réseau. Le progiciel d’analyse FFT du
PC extrait les informations d’amplitude et de
phase des signaux de tension et de courant.
Les valeurs complexes des données FFT sont
ensuite soumises à une division pour donner
les informations d’impédance souhaitées.
Le montage de test appelle quelques com-
mentaires.
Tout d’abord, des connexions de mesure à
distance sont requises entre la charge élec-
tronique et l’équipement testé, afin de garan-
tir que la tension mesurée est directement
placée sur l’impédance pendant la caractéri-
sation. Si l’on utilisait une mesure locale, les
chutes de tension au niveau des fils de la char-
ge seraient incluses dans la mesure et le cal-
cul d’impédance qui en résulterait englobe-
rait à la fois l’impédance des fils de la charge
et l’impédance de sortie de l’équipement tes-
té. D’autre part, la source d’alimentation glo-
bale en cours de caractérisation peut être
considérée comme une “boîte noire” incluant
l’impédance du câblage ou du fond de panier,
auquel cas il faut modifier le choix du point
de mesure de la tension. La règle de base
consiste à ne pas oublier que le courant absor-
bé par la charge électronique s’écoule égale-
ment en tout point du circuit de test, tandis
que l’impédance en train d’être mesurée est
hors du point de mesure de la tension.
Le deuxième point à surveiller concerne la
synchronisation des fréquences de test et des
fréquences de numérisation (périodes
d’échantillonnage). L’analyseur de réseau
assure une synchronisation appropriée, mais
ce n’est pas nécessairement le cas avec le
montage utilisé ici. Les transformées de Fou-
rier sont sujettes à un phénomène de “déper-
dition spectrale”, qui se produit s’il n’y a pas
un nombre entier exact (1, 2, ... N) de cycles
à l’intérieur de la période d’observation,
appelée typiquement la “fenêtre” de mesu-
re. La déperdition spectrale dégrade la réso-
lution fréquence/amplitude en “étalant” la
puissance spectrale en fréquences multiples.
On peut s’en prémunir en veillant à ce que
les fréquences à étudier comportent toujours
un nombre entier de cycles à l’intérieur de la
fenêtre, ce qui signifie qu’il faut une syn-
chronisation précise entre l’échantillonnage
des signaux et la génération des signaux de
test. En pratique, une synchronisation exac-
te est rarement indispensable, à condition
toutefois de pouvoir parvenir à des approxi-
mations raisonnables, par exemple à envi-
ron 0,05 % des valeurs idéales.
Les contraintes de synchronisation ont aus-
si une incidence sur le choix des fréquences
de test. Ceci impose un compromis entre la
taille, la vitesse de mesure et la résolution en
fréquence de la FFT. Ce sujet est traité dans la
“littérature” technique**.
L’analyse FFT et les outils mathématiques
complexes requis pour mettre en œuvre cet-
te méthode de la mesure d’une impédance
de sortie peuvent être assurés avec un simple
tableur Excel. On peut également utiliser une
routine VBA (Visual Basic for Applications)
dans le tableur pour automatiser complète-
ment l’acquisition des données, leur analyse
et leur présentation. Ceci nécessite quelques
opérations supplémentaires lors de la confi-
guration du tableur, mais les tests sont ensui-
te réalisés plus facilement et avec l’assurance
de résultats précis. Ceux que cela intéresse
peuvent télécharger sur internet une feuille
de calcul Excel totalement fonctionnelle**.
Un dernier point, mineur, concerne l’utili-
sation de câbles de connexion. On obtien-
dra les meilleures caractéristiques de perfor-
mance de bruit et de reproductibilité avec
un câblage coaxial blindé pour connecter les
fils de détection et les signaux de test.
Jim McKim
Ingénieur R&D
Agilent Technologies
Agilent Technologies
1, rue Galvani
91745 Massy Cedex
Tél. : [phone] - Fax : [phone]
Les deux méthodes de test, comme on le voit
ici, donnent des résultats comparables.
Les différences entre les deux méthodes de
test portent moins sur la performance de
mesure que sur les compromis entre convi-
vialité, coût et vitesse de test. La méthode
qui utilise une charge électronique et un ana-
lyseur de réseau est très rapide, très facile à
configurer, et intéressera tous ceux qui dis-
posent d’un analyseur de réseau ou pré-
voient d’en faire l’acquisition pour d’autres
usages. Par contre, ceux dont les budgets
sont plus restreints ou qui n’ont guère besoin
des capacités évoluées offertes par un analy-
seur de réseau peuvent être attirés par la
méthode de la charge électronique et du
tableur. Cette méthode est très économique,
même si sa configuration initiale est un peu
plus difficile et un peu plus lente en termes
de vitesse de mesure.
Des résultats comparables
Avec analyseur vectoriel Avec charge électronique
Impédance (ohm)
Fréquence (Hz)
**Agilent
Technologies,
Making Fuel Cell
AC Impedance
Measurements
Utilizing Agilent
N3300A Series
Electronic Loads,
16 février 2002,
Publication N°.
5988-5358EN -
Disponible sur
www.agilent.com
/find/loadfuel-
cells