Une alimentation ATX pour PC à partir d’une batterie de voiture 12 volts

Voici une alimentation ATX pour ordinateur, conçue spécialement pour faire fonctionner n’importe quel PC (ou autre appareil incluant un microprocesseur) dans une voiture, à partir de la batterie 12 V.
Le montage présenté ici produit toutes les tensions nécessaires, positives ou négatives.


L’utilisation d’un ordinateur personnel en voiture induit toute une série de problèmes que résout en partie la disponibilité sur le marché des PC Notebook, c’est-à-dire des portables, fonctionnant sur accumulateurs et dotés d’une autonomie appréciable.
Les plus récents permettent de faire pratiquement tout ce que l’on peut faire avec une machine de bureau.
Il arrive cependant quelquefois que l’on doive effectuer des opérations pour lesquelles un ordinateur domestique serait tout à fait indiqué mais l’achat d’un portable grèverait le budget de façon rédhibitoire, surtout si l’on doit l’installer à demeure pour une seule application.
Nous pensons, par exemple, aux systèmes intelligents de gestion des véhicules, ou simplement aux microprocesseurs dont la seule finalité est de manipuler des informations mais sans jamais avoir à “montrer” des données à l’usager. Dans ce cas-là, les périphériques désormais courant sur tous les portables, CD-ROM, modem, interface PCMIA et même écran à cristaux liquides, etc., sont bien évidemment inutiles mais contribuent de façon notable à l’envol du prix.
L’unique solution, donc, pour pouvoir utiliser la puissance d’un ordinateur personnel, et ce à faible coût, consiste à utiliser un PC classique. Mais ici surgit un problème considérable : l’alimentation. Il va de soi qu’un ordinateur domestique est alimenté par le réseau EDF 220 volts alternatifs, alors qu’en voiture nous ne disposons que de la tension fournie par la batterie, c’est-à-dire 12 volts continus !



L’alternative (c’est le cas de le dire !)
La voici !
Première solution, utiliser un convertisseur DC/AC 12/220 V avec lequel on alimente l’ordinateur. Seconde solution, concevoir et construire une alimentation ATX pour PC, modifiée cependant pour fonctionner sur 12 Vcc. La première a été écartée parce qu’elle présentait l’inconvénient de nécessiter la production d’un courant parfaitement sinusoïdal pour éviter d’endommager l’alimentation ATX standard du PC.

Notre solution
Nous avons donc opté pour la seconde et conçu une alimentation ATX parfaitement compatible avec celles que l’on trouve aujourd’hui dans les ordinateurs basés sur Pentium II, III, Athlon, Duron, etc.
Cela donne un circuit qui reçoit le 12 Vcc en entrée et élève cette tension pour la distribuer aux différents régulateurs nécessaires à l’obtention des tensions requises par la carte mère.
Certes, notre alimentation est plus encombrante qu’une du commerce, mais cette dernière aurait dû être précédée d’un convertisseur… lui aussi encombrant.
L’alimentation proposée ici est parfaitement en mesure d’alimenter un PC complet : elle fournit une puissance réelle totale de 150 watts (nous vous assurons que cela est plus que suffisant pour alimenter un PII avec carte vidéo 3D et HD).

Figure 1 : Brochage du connecteur standard ATX avec toutes les tensions nécessaires au fonctionnement complet des cartes mères des ordinateurs personnels d’aujourd’hui.

Le circuit intégré L4970A

Figure 2a : Vue latérale sur le circuit intrégré L4970A.

Figure 2b : Affectation des 15 broches, toutes du même côté, en forme de peigne.

Figure 2c : Le schéma interne par sous-ensembles.

Figure 2d : Le tableau des caractéristiques électroniques du L4970A.

Le circuit intégré L4970A est un régulateur à découpage de 10 A (15 A max), réglable en tension de 5,1 à 40 V.
L’utilisation de la nouvelle technologie BCD et des sorties à transistor DMOS, permet d’obtenir un très bon rendement et une vitesse de commutation très élevée.
Le régulateur est monté dans un boîtier plastique à 15 broches et ne demande, pour fonctionner, que peu de composants externes (photo 2a).
Pour plus de détails, nous vous invitons à télécharger le “datasheet” complet (en anglais) “L4970A.PDF” à l’adresse suivante : www.electronique-magazine.com/telechargement.asp.
A cette même adresse, vous trouverez également le fichier “ATX_201.PDF” qui donne les spécifications ATX, version 2.01.

Figure 3 : Gestion complète de l’alimentation par le PIC12C672-MF375.

Nous avons utilisé un microcontrôleur PIC de façon à pouvoir gérer toutes les fonctions de l’alimentation. La mise en marche est commandée par un signal envoyé par la carte mère (dont la logique 5 V doit être toujours alimentée) qui attend un signal de confirmation de cette mise en marche.

Le schéma électrique de l’alimentation
En vous reportant à la figure 4, vous pourrez plus facilement comprendre les détails ci-dessus et d’autres encore à venir. En effet dans les lignes suivantes nous expliquerons les analogies et les différences qui existent entre notre alimentation ATX et celles du commerce.
Avant tout, il faut dire que, dans tous les cas, des solutions hybrides sont mises à profit, aussi bien la technique du découpage que la technique linéaire.
Normalement, le découpage donne 3,3 V, 5 V et 12 V positifs alors que les régulateurs linéaires ordinaires produisent – 5 V et – 12 V. En plus d’un étage d’entrée de type “step-up”, c’est-à-dire élévateur de tension, plutôt que “step-down” (abaisseur), notre schéma présente une différence substantielle par rapport aux schémas standards : alors que ces derniers comportent une alimentation à découpage, régulée sur la base d’une tension de rétroaction prélevée sur la piste +5 V, le nôtre est constitué d’un découpage à 2 tensions d’environ 40 V et 28 V (utilisées par les autres convertisseurs DC/DC et par les régulateurs linéaires).
Donc, l’alimentation ATX proposée dans ces pages présente des sorties régulées, chacune par son propre régulateur : cela est sans aucun doute un avantage en dépit d’une plus grande complexité du circuit et d’une perte de rendement par rapport à la solution traditionnelle dans laquelle un seul transformateur produit toutes les tensions positives (à partir d’une seule) et où deux seuls régulateurs en boîtier TO220 se chargent des pistes négatives du 5 V et du 12 V.
Examinons maintenant en détail le schéma de la figure 4. Divisons-le, ce sera plus commode, en sous-ensembles fonctionnels : Le premier étage est un élévateur de tension à découpage à 2 tensions, une positive et l’autre négative, obtenues à partir du 12 Vcc de la batterie de la voiture.
Cinq régulateurs constituent l’étage suivant : 3 d’entre eux sont aussi à découpage, les 2 autres sont linéaires.
Il reste un sixième régulateur de tension attaqué directement par le 12 Vcc d’entrée batterie et qui fournit le 5 V stabilisé pour la logique de mise en route de la carte mère ATX (tension toujours disponible).
Procédons par ordre et voyons le premier sous-ensemble, celui qui donne les tensions, positive et négative, destinées à être ensuite abaissées par les divers régulateurs des sorties.
Il s’agit d’un convertisseur DC/DC à découpage, utilisant un transformateur dont le double primaire à prise centrale est piloté en “push-pull” et dont le secondaire est double aussi.
La méthode de travail est classique, malgré la présence d’une nouveauté remarquable constituée par le microcontrôleur U7, qui fait office de générateur de signal de contrôle des MOSFET.
Aussi, nous n’avons pas employé le classique SG3525 ou le TL494 (les drivers PWM les plus courants pour alimentations à découpage) mais un PIC12C672 programmé pour lire l’état logique du signal de mise en route (“POWERGOOD”) directement sur la carte mère qui gère le “softstart” et produisant 2 signaux rectangulaires en opposition de phase, nécessaires au fonctionnement en “push-pull” du transformateur élévateur.
Le microcontrôleur doit toujours être alimenté (grâce au 5 V obtenu par un régulateur 7805, qui stabilise la tension d’entrée batterie 12 Vcc) et, jusqu’à ce que la broche 3 (signal de mise en marche) se trouve au niveau haut, il demeure en boucle, dans l’attente de la commutation PWR ON qui maintient l’alimentation en veille.
Cette dernière condition est remplie lorsque l’usager presse le poussoir de mise en marche de l’ordinateur, alors que la logique toujours alimentée de la carte mère (par le +5 V présent sur le fil VIOLET, “PURPLE”) porte à zéro le contact du connecteur ATX relatif au signal de PWR ON (fil VERT, “GREEN”).
A ce moment, le PIC active le “soft-start”, produisant les deux ondes rectangulaires disponibles sur les broches 6 et 7.
Les deux signaux sont, l’un par rapport à l’autre, en opposition de phase et il doit en être ainsi car les MOSFET de l’étage suivant doivent être excités alternativement, de façon à alimenter une moitié du primaire à la fois.
Comme chaque MOSFET met à la masse une moitié du primaire et comme cet enroulement comporte une prise centrale reliée au +12 Vcc d’entrée batterie, on va trouver, aux bornes des secondaires, des tensions, rectangulaires elles aussi, mais alternées puisque, quand T1 est passant, la phase de la tension induite est opposée par rapport à celle due à l’état passant de T2.
Cela s’explique par le fait que les deux moitiés du primaire sont bobinées dans le même sens et que la conduction alternée des MOSFET établit des courants opposés, ou, encore, détermine dans le noyau de ferrite un flux magnétique qui change de signe à chaque demi-période.
Après une seconde d’émission des signaux PWM, étant donné que les étages en aval se sont régulés, le microcontrôleur commute sa broche 2, qui prend l’état logique zéro, bloque le transistor T3 et, déterminant ainsi un état haut sur le fil GRIS (signal POWERGOOD, qui informe le BIOS de la carte mère que le système peut se mettre en marche, toutes les tensions étant disponibles).
Notez bien que les spécifications des alimentations ATX indiquent que le +5 V doit être disponible avant 20 ms à partir de la mise en route : notre alimentation remplit cette condition en moins de 10 ms (8 ms typiques !).
Un autre point à prendre en considération : l’étage qui fournit le signal de POWER-GOOD possède une résistance de “pull-up”, alimentée spécialement par la sortie +5 V de l’alimentation.
Ceci parce qu’en l’absence d’une quelconque rétroaction, si d’aventure un problème se produisait en aval du transformateur et que l’alimentation ne donnât pas les tensions correctes, le microcontrôleur ne pourrait pas s’en rendre compte et, au bout d’une seconde à partir de la mise en route, enverrait quand même le signal de POWER-GOOD.
Le circuit est conçu de manière que, en cas de problème sur la piste du 5 V, ou sur le pont redresseur du positif, si le 5 V venait à manquer, le signal de POWER-GOOD ne pourrait prendre le niveau haut. En fait la condition “OK”, donnée par le microcontrôleur, s’applique à un transistor qui peut, soit se bloquer, soit laisser passer le 5 V vers la carte mère. Ainsi, si le 5 V fait défaut, indépendamment de l’information donnée par le microcontrôleur, le signal sur le fil GRIS reste à zéro.
Sur le secondaire du transformateur Ces choses importantes étant entendues, voyons ce qui se passe sur le secondaire du transformateur, aux bornes duquel se trouvent 2 tensions rectangulaires et alternées, redressées individuellement et lissées par leur propre condensateur.
A noter toutefois que le positif du pont inférieur est relié au négatif du pont supérieur. Cette connexion permet d’obtenir une alimentation double : une tension positive et une négative, condition indispensable étant donné que les cartes mères des PC requièrent, on l’a vu, 5 V, 12 V et 3,3 V positifs, 5 V et 12 V négatifs. Ajoutons que la tension positive atteint environ 40 V et la négative environ 28 V. La raison en est que, si les régulateurs à découpage (U2, U3, U4) acceptent en entrée jusqu’à 50 V, les linéaires, en revanche, (79XX) ne supportent pas plus de 35 V.

Figure 4 : Schéma électrique de l’alimentation ATX sur batterie 12 Vcc.

Figure 5 : Schéma d’implantation des composants de l’alimentation ATX pour PC à partir d’une batterie de voiture (12 Vcc).

Figure 6 : Photo d’un des prototypes prêt à fonctionner.

Notre prototype est certes plus encombrant qu’un produit du commerce équivalent mais il permet de connecter un PC à une batterie de voiture de 12 Vcc sans utiliser aucun convertisseur DC/AC.

Figure 7 : Dessin à l’échelle 1 du circuit imprimé de l’alimentation ATX.

Liste des composants
R1 = 10 Ω 2/3 W
R2 = 2,2 kΩ
R3 = 50 kΩ trimmer multitour
R4-R5 = 2,2 kΩ
R6 = 50 kΩ trimmer multitour
R7 = 2,2 kΩ
R8-R9 = 120 Ω 2/3 W
R10 = 120 Ω
R11 = 47 kΩ
R12 = 10 kΩ
R13-R14 = 4,7 kΩ
R15-R16 = 270 Ω
R17-R18 = 10 Ω
R19-R20 = 100 Ω
R21 = 4,7 kΩ
R22 = 100 Ω
R23 = 10 kΩ
R24 = 470 Ω
R25 = 1,2 kΩ
R26-R27 = 15 kΩ
C1 à C10 = 2200 μF 16 V électrolytique
C11-C12 = 100 μF 25 V électrolytique
C13-C14 = 2200 μF 25 V électrolytique
C15-C16 = 10 nF céramique
C17-C18 = 470 μF 50 V électrolytique
C19 = 2,2 μF 63 V électrolytique
C20 = 470 μF 50 V électrolytique
C21 = 4700 μF 50 V électrolytique
C22-C23 = 10 μF 63 V électrolytique
C24 = 2,2 μF 100 V électrolytique
C25 = 330 pF céramique
C26 = 22 nF multicouche
C27 = 2,2 nF multicouche
C28 = 220 nF multicouche
C29 = 10 μF 63 V électrolytique
C30 = 1 μF polyester 100 V 10 mm
C31÷C34 = 1 μF polyester 63 V 5 mm
C35-C36 = 1 μF polyester 100 V 10 mm
C37-C38 = 1 μF polyester 63 V 5 mm
C39 = 1 μF polyester
100 V 10 mm
D2 à D4 = Diodes MBR745
D5 à D8 = Diodes BY399
PT1 = Pont redresseur KBL04
L1 = Self 47 μH
L2-L3 = Self 220 μH
T1-T2 = MOSFET RFG70N06
T3 à T5 = NPN BC547
U1 = Régulateur 7805
U2 = Régulateur L4970A
U3-U4 = Rég. Ajust. switching LM2576T
U5 = Rég. négatif 7905
U6 = Rég. négatif 7912
U7 = μC PIC12C672-MF375
U8 = Régulateur 78L05
TF1 = Transfo (voir texte)

Divers :
5 Radiateurs ML33 ou éq. (vr txt)
3 Radiateurs ML26 ou éq. (vr txt)
9 Vis métal. 3MA x 20
9 Ecrous métal. 3MA
1 Ventilateur 12 V
1 Set de câbles alim. ATX
1 Set de câbles alim. disque dur
1 Circuit imprimé réf. S357


Les sorties
C’est ici que les circuits de sortie, ceux dont la finalité est de fournir exactement les différentes tensions requises, sont à considérer avec attention. Analysons-les dans l’ordre.

Les alimentations ATX

Figure 8 : Les alimentations ATX.

Contrairement aux alimentations pour PC de première génération (appelées AT, réalisées pour les ordinateurs personnels construits autour des microprocesseurs allant du 8088 au Pentium MMX), une alimentation ATX n’est pas mise sous tension par simple connexion du secteur 220 Vac, mais par un signal de commande partant de la carte mère de l’ordinateur et présent sur l’une des broches du connecteur.
C’est la raison pour laquelle l’alimentation ATX se compose de 2 sections. L’une d’elles est toujours en fonction et fournit les 5 V à la logique d’activation, une sorte de FLIP-FLOP qui, sur la carte mère, est commandé par le poussoir de mise en marche (PWR ON) ou bien par un signal de commande particulier venant du BIOS (du même type que le signal provenant de la ligne reliée au modem).
Donc, la logique de contrôle est toujours reliée au 5 V (+5 Standby, fil violet, voir figure 1) fourni par la section toujours allumée de l’alimentation ATX et, quand elle est connectée, elle met à la masse la broche du connecteur d’alimentation reliée au fil vert. Le passage 1/0 logique sur cette connexion allume l’étage de puissance du découpage, et l’alimentation fournit des tensions ordinaires, soit +3,3 V, + ou – 5 V et + ou – 12 V.
La section de puissance s’arrête lorsque, à cause du signal de commande logiciel ou bien à cause de l’action sur le poussoir ON/OFF, la logique de la carte mère est réinitialisée, le fil vert étant alors “ouvert”.

La sortie +5 V
Le plus important est celui qui fournit le +5 V. Le coeur de cette section est le régulateur à découpage intégré L4970A, un “driver” PWM à charge inductive, capable de débiter au moins 15 A. En pratique, ce composant actif alimente la self L1 en la reliant au positif général (broche 9), par le truchement de la broche 7, l’énergie accumulée sous l’effet de chaque impulsion se déchargeant, à travers la diode D1, dans les condensateurs de sortie C3, C4, C5 et C30.
La diode sert à fermer le circuit en décharge et empêche la surtension produite aux bornes de la self d’endommager le transistor de sortie. De fait, selon la loi de Lenz, une self privée brusquement de tension d’alimentation, réagit en produisant une tension de sens opposé qui, instantanément, peut prendre une valeur beaucoup plus haute. Sur la broche 11 (rétroaction), le circuit intégré lit la tension de sortie afin d’intervenir en l’abaissant, si elle augmente trop, ou en l’élevant, si elle chute à cause d’une augmentation de la charge.

La sortie +3,3 V
Passons à la piste 3,3 V, sortie réalisée grâce à un autre régulateur PWM série, LM2576-ADJ, fonctionnant comme le L4970, c’est-à-dire à charge inductive et pilotant, par des impulsions rectangulaires positives, la self L2. Cette dernière, pendant les périodes de pause, restitue l’énergie emmagasinée aux condensateurs de sortie C7, C8 et C31. Le LM2576 (U3) utilise la broche 4 (rétroaction) pour recevoir une partie de la tension de sortie provenant du curseur du trimmer R3.
Celui-ci permet de faire varier le potentiel envoyé à l’amplificateur d’erreur interne et au régulateur, ce qui permet, en pratique, de régler finement le potentiel présent sur la piste +3,3 V.
Cette sortie peut débiter jusqu’à 5 A.

La sortie +12 V
La section du +12 V est, en substance, identique à la précédente et donc les remarques seraient les mêmes. L’unique différence tient en ce que la tension de sortie, ajustée par R6, est de 12 V exactement.

Les sorties négatives
Les pistes négatives, alimentées par la différence de potentiel prise aux bornes des condensateurs C20 et C36, utilisent des régulateurs linéaires ordinaires, 7905 pour le – 5 V et 7912 pour le –12 V. En fait, les courants requis sur ces sorties sont vraiment faibles (300 mA au plus) et les composants de la série 79XX sont pleinement adaptés.
En conclusion, nous dirons que le rendement de l’alimentation ATX, décrite dans cet article, est de 63 % à pleine charge (un peu moins si la charge est moindre, à cause de l’absorption au repos).

La réalisation pratique
La réalisation du circuit est relativement simple, les composants faciles à trouver auprès des distributeurs, quant au connecteur d’alimentation ATX, on le trouvera chez un revendeur d’ordinateurs.
La première chose à faire est, bien sûr, de préparer ou de se procurer le circuit imprimé visible côté cuivre, à l’échelle 1, figure 7.
Une fois gravé et percé le circuit imprimé, vous devrez tout d’abord réaliser les “straps” d’interconnexion, constitués par des fils de cuivre dénudés de 0,8 à 1 mm de diamètre.
Ils sont au nombre de 15.
Placer ensuite le support du microcontrôleur en prenant soin d’orienter le repère-détrompeur vers C19 (reportez-vous figure 5 au schéma d’implantation des composants).
Enfilez résistances et diodes en faisant attention à la polarité de ces dernières.
Les diodes redresseuses en boîtier TO220 seront disposées debout et orientées comme le montre la figure 5.
D2 sera fixée sur un dissipateur à U, présentant une résistance thermique Rth de 15 à 18 °C/W, qui évacuera la chaleur pendant le fonctionnement.
Les régulateurs, intégrés eux aussi, demandent à être montés sur dissipateurs : 7805, 7905 et 7912 et utiliseront chacun un dissipateur en U, d’une Rth de 8 à 10 °C/W (par exemple ML/33). Même chose pour les dissipateurs des MOSFET P70N06.
U8 fait exception : ce régulateur 78L05, en boîtier plastique TO92, sera placé côté plat vers C37, et ne comportera aucun dissipateur.

Le transformateur
Le transformateur élévateur à découpage sera réalisé sur une carcasse de ferrite à EI, modèle EE4242, visible sur la photo de la figure 10, en enroulant, pour le primaire, 2 + 2 spires de fil de cuivre émaillé de 1,8 mm de diamètre.
La prise centrale ira au positif d’entrée (+12 Vcc batterie) et chacune des extrémités au drain d’un des MOSFET. Des secondaires, celui qui alimente le pont redresseur du positif (D5, D6, D7 et D8), sera constitué de 7 spires de fil de cuivre émaillé de 1,3 mm de diamètre, tandis que l’autre (vers PT1), de 5 spires seulement, du même fil.
Bien sûr, avant de souder les extrémités des enroulements, il faut bien gratter, sur quelques millimètres de longueur, l’émail qui protège le fil et empêcherait la soudure de prendre.

Figure 9 : L’étiquette des caractéristiques principales d’une alimentation du commerce.

L’étiquette ci-dessus peut servir à la comparaison entre notre appareil et les alimentations standard ATX du commerce.
Nos prototypes ont été testés avec une charge constituée par MB ATX, Celeron 600, SVGA 3D et HD de 10 MB.

Figure 10 : Gros plan sur le transfo et les transistors T1 et T2.

Vérification et réglages
Complétez enfin les opérations de montage, vérifiez bien que tout est en place puis vous pourrez relier le circuit à une alimentation ou une batterie 12 Vcc capables de débiter une dizaine d’ampères.
Ensuite, à l’aide d’un testeur, il faudra vérifier les différentes tensions des sorties : en particulier, il sera nécessaire de régler les trimmers R3 et R6 pour obtenir respectivement 3,3 V et 12 V sur les sorties positives.
Pour pouvoir effectuer les réglages, il faudra relier le +12 V à l’entrée EN du PIC (figure 4) ou, évidemment, envoyer le signal de mise en marche (PWR ON) en reliant à la masse le contact correspondant (VERT).
Faites le réglage des régulateurs LM2576 et l’alimentation est prête à fonctionner. Il faudra donc réaliser la connexion à la carte mère grâce au connecteur spécial, à câbler avec du fil aux couleurs standard (voir figure 1).
Les fils rouges vont aux cosses marquées +5 V ou R, les fils orange doivent entrer dans les trous marqués OR (3,3 V) tandis que les jaunes iront aux cosses Y (12 V). Le violet (+5 SB) sera soudé sur la cosse POWERGOOD (VIOLET) et le blanc en W (–5 V).
Enfin le vert (ON) doit être relié au trou GREEN.

1 commentaires:

  1. L'idée est bonne mais il me semble qu'au niveau électronique on peut émettre quelques critiques :

    1- Personnellement, je n'aurais jamais alimenté les collecteurs des drivers des 2 Vmos par une tension aussi indépendante de l'alimentation de U7 car si ce dernier venait à la perdre, il ne serait plus en mesure de bloquer les 2 Vmos ce qui conduirait inévitablement à un court-circuit catastrophique en plaine puissance sur Vbat. Je n'aurais donc pas utilisé une telle commende aussi directe pour les Vmos mais au moins après passage par un transformateur driver.

    2- Je n'aurais pas pris le feedback du 3.3 à cet endroit mais plutôt sur un fil coté connecteur car à ces valeurs de tension, les chutes dans les lignes deviennent vite non négligeables.

    3- Il y a un problème avec la représentation du circuit magnétique du transformateur de tête ( car on dirait qu'il y a deux circuits indépendants de flux ) mais je pense que ce n'est qu'un problème de représentation symbolique ( ou alors je n’ai pas compris le fonctionnement du circuit )

    4-je n'aurais pas placé C17 et C18 ( au moins C17, ça semble facile à voir le routage ) aussi près de dissipateurs thermiques, quitte à plutôt augmenter la largeur des pistes.

    Plus 2 ou 3 autres petits détails mais bref, si quelqu'un veut en discuter avec moi, pas de problème.

    Amitiés. Timoté.

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