L'alimentation
Le bloc d'alimentation (Power Supply Unit - PSU) est un élément essentiel de l'ordinateur auquel on ne prête parfois que peu d'attention. Les assembleurs peuvent dès lors facilement négliger la qualité de cet élément pour diminuer les prix de leurs PC sans que leurs clients ne s'en inquiètent.
Ces derniers s'intéresseront tout au plus à la puissance que peut délivrer l'alimentation ou au bruit que fait sa ventilation mais ils ont rarement les moyens d'en vérifier la stabilité, la consommation réelle ou l'immunité aux parasites.
Pourtant, des tensions d'alimentation mal régulées peuvent être à l'origine de nombreuses pannes et risquent même d'être préjudiciables pour le reste du matériel.
Les rôles du bloc d'alimentation
Le rôle principal de l’alimentation est de produire le courant continu (DC) nécessaire aux circuits électroniques.
L’énergie qu’elle utilise provient du réseau de distribution électrique.
La tension du secteur est du 230 V alternatif en 50 Hz dans nos régions
(110 V, 60 Hz aux Etats-Unis et au Japon).
L'alimentation a aussi d'autres rôles comme de se protéger en cas de surtensions, de microcoupures, de courts-circuits ou d'autres incidents de ce genre.
Très souvent, dans les PC de bureau, c'est le bloc d'alimentation qui assure à lui seul la ventilation du boîtier.
Pour les serveurs ou des machines ne pouvant absolument pas tomber en panne, certaines alimentations sont équipées de dispositifs redondants.
La continuité du fonctionnement est assurée même en cas de défaillance de l'un de ses composants internes.
Tension secteur
Puisque selon les régions du globe, la tension du secteur n’est pas la même, les alimentations les plus anciennes possédaient
un commutateur qu’il fallait positionner en 115 ou 230 V selon qu’on les utilisaient en Europe ou aux États-Unis.
Une alimentation configurée en 115 V et branchée sur 230 V claquait immédiatement.
Actuellement, cette configuration n’est plus à faire car tous les blocs d’alimentations pour PC supportent aussi bien
115 V que 230 V en entrée.
Évolution et rôle des tensions fournies
À l'origine, dans les années 80, les circuits numériques étaient alimentés en 5 V. C’était la tension d’alimentation des circuits TTL, des circuit logiques construits essentiellement à base de transistors bipolaires.
Les alimentations des premiers PC (facteur de forme AT) fournissaient 5 V pour les circuits électronique et 12 V pour tous les moteurs, ceux des disques, des disquettes et des ventilateurs (il n’y avait pas encore de lecteurs de CD à cette époque).
Cette tension de 5 V était inutilement élevée pour les processeurs qui fonctionnaient tout aussi bien avec des tensions plus basse et en chauffant moins C’est ainsi que les cartes mère et les blocs d’alimentation du format ATX ont vu venir une tension supplémentaire de 3,3 V.
Depuis, les constructeurs de CPU et de barrettes RAM ont encore diminué les tensions d’alimentation de leurs composants. Les CPU construits en 2023 utilisent des tensions inférieurs à 1,5 V.
Ces tensions qui diffèrent d’un processeur à l’autres ne sont plus délivrées directement par le bloc d’alimentation. Ce sont des régulateurs de tensions, qui disposés à proximité du CPU, ou du GPU sur les cartes graphiques, partent d’une tension plus élevée (3,3 V, 5 V ou 12 V) pour produire des tensions bien plus basses.
Ces régulateurs ont d’abord été des régulateurs linéaires (tels que ceux de la série 78xx). Le problème de ces régulateurs est que la différence de tension entre l’entrée et la sortie était absorbée par un effet résistif et était donc rejetée sous forme de chaleur. Il fallait équiper ces composants d’ailettes pour les refroidir et on avait avantage à mettre à l’entrée de ces régulateurs des tensions aussi proches que possible de la tension à obtenir en sortie. Raison pour laquelle 3,3 V conviennent mieux que 5 V.
De tous les éléments constitutifs du PC, ce ne sont plus les lecteurs de disques, de CD, DVD, Blu-ray ou les périphériques USB qui demandent le plus d’énergie. Ce sont surtout maintenant les CPU et les cartes graphiques.
Fournir de la puissance en 3,3 V avec des fils qui supportent 6 A, maximum 8 A, nécessite des câbles supplémentaires en sortie du bloc d’alimentation. C’est pourquoi on est passé des connecteurs 20 broches de la carte mère aux connecteurs 24 broches.
La puissance étant le produit de la tension et de l’intensité (P = U.I), le seul moyen d’apporter plus de puissance en étant limité à 6 A par câble est d’augmenter la tension. C’est pour cette raison que des connecteurs supplémentaires de 12 V sont ajoutés à proximité du CPU, et maintenant aussi sur les cartes graphiques. La régulation de tension n’est plus maintenant assurée par des régulateurs linéaires car ils dissipaient trop de chaleur. Ce sont à présent des modules de régulation VRM reprenant le principe de l’alimentation à découpage qui produisent des tensions de l’ordre de 1,1 V à 1,5 V à partir d’une tension de 12 V.
Les VRM sont des convertisseurs abaisseurs (step down converter) qui diminuent la tension tout en augmentant le courant et cela avec une dissipation minimale de chaleur. Encore que ... puisque les CPU consomme toujours plus de courant, il a très vite fallu ajouter à nouveau des dissipateurs thermiques.
Les couleurs des fils
La figure ci-dessous représente le brochage d'un connecteur d'alimentation de la carte mère. Elle montre les différentes tensions fournies et les couleurs des fils pour chacune d'elles.
Si vous avez l'intention de chipoter dans les PC,
il faut au moins que vous connaissiez les couleurs des tensions principales :
- Noir = O V
- Jaune = 12 V
- Rouge = 5 V
- Orange = 3,3 V
Il faut aussi savoir que tous les fils d'une même couleur sont reliés ensemble dans le bloc d'alimentation. La multiplication des fils de même couleur est due au fait que la section de chaque fil ne lui permet pas de fournir une intensité supérieure à 6 A en conditions normales.
On observe qu'il y a encore d'autres tensions :
La tension de -12 V (fil bleu) sert pour certains circuits de communication.
Un fil de couleur violette pour le 5 V en mode veille
Et parfois, sur certaines alimentation plus anciennes un fil de couleur blanche pour une tension négative de -5 V.
Elle ne servait que pour générer des courants de polarisation sur les cartes ISA qui n'ont plus cours dans les PC récents.
Tolérances des mesures
Une tolérance de +/- 5% est acceptée pour les tensions de +12 V,
+5 V et +3,3 V. Pas de panique donc si vous mesurez 4,8 V
au lieu de 5 V pile poil. Les constructeurs ont prévu que
cette tension puisse descendre jusqu'à 4,75 V ( 5 V -5%)
Les tensions de -5 V et -12 V sont moins précises encore
puisque les normes de fabrication des d'alimentations acceptent des écarts
de +/- 10 %.
Autres signaux échangés entre la carte mère et l'alimentation
PS-ON
Les cartes mères récentes fournissent un signal PS-ON via lequel un programme peut lui-même allumer ou éteindre l'alimentation. Cela permet de "réveiller" la machine automatiquement lors par exemple d'un appel via le modem "Wake on modem", via le réseau "Wake on LAN" ou à partir d'un port USB. C'est aussi ce signal PS-ON qui va couper automatiquement la machine lorsqu'on sélectionne l'option "Arrêter" du menu "Démarrer".
La carte mère met la ligne PS-ON au zéro volt pour commander l'apparition des tensions +5, +12 V, +3,3 V, -5 V et -12 V. Ces tensions disparaissent quand la carte mère cesse de retenir la ligne PS-ON à la masse. C'est à ce moment aussi que le ventilateur s'arrête.
La tension +5 VSB (stand-by) est la seule qui soit livrée en permanence par l'alimentation quel que soit l'état de la ligne PS-ON. Elle est la source de courant pour les circuits qui doivent rester sous tension même lorsque l'ordinateur est éteint
PW-OK
Après sa mise sous tension, l'alimentation délivre un signal "Power-good" (PG) parfois aussi appelé "Power-OK" (PW-OK) à la carte mère qui provoque l'initialisation du CPU. La montée du signal Power-OK a exactement le même effet que lorsqu'on agit sur le bouton reset du PC. Le processeur saute à l'adresse FFFF:0000 qui est le point de départ du BIOS.
En cas de défectuosité de l'alimentation, le signal Power-OK retombe ce qui va provoquer un redémarrage intempestif du PC.
La puissance
La puissance utile dépend du nombre de périphériques installés dans le boîtier
mais parmi les gros consommateurs : la carte graphique mais aussi le processeur qui n'est pas le dernier.
Plus ils sont récents et plus les processeurs consomment de courant.
(Hormis les processeurs destinés aux ordinateurs portable, pour lesquels la consommation est surveillée de plus près)
Leurs systèmes de refroidissement des processeurs et du chipset sont d'ailleurs de plus en plus gros.
Une alimentation de 300 W suffit pour le boitier d'un PC destiné à faire de la bureautique
alors que sur les PC de gamer on pourra trouver des alim de 800 W voire plus.
Pensez à mettre la puissance de votre alimentation en cause si des problèmes apparaissent
après avoir installé un nouveau périphérique.
La puissance utile dépend aussi des périphériques USB qui n'ont pas d'alimentation propre
et se servent du câble USB pour s'alimenter en courant à partir du PC.
Quelle puissance prévoir ?
On peut additionner les puissances de chaque élément de l'unité centrale :
processeur, carte graphique, disques, lecteurs optiques, ... puis multiplier le résultat par deux
1° pour avoir une certaine marge car la puissance demandée par le système n'est pas constante.
2° car les alimentations ont en général un rendement maximum à 50% de leur charge.
Une autre manière de "calculer" la puissance utile est de recourir aux calculateurs en ligne tels que ceux-ci :
- https://seasonic.com/wattage-calculator
- https://outervision.com/power-supply-calculator
- https://www.coolermaster.com/power-supply-calculator/
- ou d'autres que vous trouverez facilement sur la toile.
Rendement
Le rendement est le rapport entre la puissance en sortie sur la puissance en entrée. Entre l'entrée et la sortie, il y a des pertes. Une partie seulement de la puissance prise sur le secteur est transformée en courant continu le reste ce sont des pertes thermiques. (Effet joule) Une alimentation de 300 W avec un rendement de 90% donnera 270 W en sortie et 30 W sous forme de chaleur. Un meilleur rendement apportera donc une consommation plus économique et moins de chaleur produite donc probablement aussi moins de bruit pour la refroidir.
Le rendement varie avec la charge. Il est habituellement meilleur à 50% de la charge.
Certifications 80 PLUS
Il s'agit d'une initiative pour certifier que les alimentation ont au moins un rendement de 80%. Max 20% de pertes par effet Joule.
Plus la certification est élevée et meilleur est le rendement. Mais plus élevé sera le prix d'achat.
Connecteurs de l'alimentation ATX
Les alimentations ATX alimentent les cartes ATX par un connecteur de 20 ou 24 broches et parfois deux connecteurs auxiliaires.
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Connecteurs auxiliaires pour cartes ATX
En principe chaque câble est prévu pour laisser passer maximum
6 A. Le connecteur principal de l'alimentation ATX possède 4 fils
5VDC, ce connecteur ne devrait donc pas laisser passer plus de 24 A en
5 V. De même il y a trois fils oranges pour le 3,3 V le courant
fournit sous cette tension ne devrait donc pas dépasser 18A. Certaines
cartes mères demandent plus de courant Les alimentations de plus
de 250W possèdent un connecteur supplémentaire de 6 broches
pouvant délivrer 12 A de plus en 3,3 V et 6 A de plus
en 5 V.
Le connecteur principal n'a qu'un seul fil de couleur jaune pour délivrer
le plus 12 V. Le connecteur ATX 12 V est utile quand le
courant à délivrer sous cette tension dépasse 6 A.
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| Connecteur auxiliaire | Connecteur 12V | Connecteur d'alimentation des disques SATA |
Les options d'alimentation
Les BIOS et les systèmes d'exploitation peuvent maintenant réduire
la consommation d'énergie en arrêtant les disques durs ou
en éteignant le moniteur ou bout d'une certaine période
d'inactivité. L'ordinateur peut ensuite passer en mode veille.
Ces fonctionnalités sont définies par des normes appelées
APM (Advanced Power Management ) quand elles sont assurées
par le BIOS. La norme ACPI ( Advanced Configuration and Power Interface
) concerne Windows, les options d'alimentation sont accessibles dans le
panneau de configuration.
Problèmes fréquents
Sur certaines alimentations bas de gamme, le signal Power-OK est parfois simplement relié à la sortie 5 V ou alors retardé par un système trop élémentaire pour être fiable. L'ordinateur tente de démarrer alors que les tensions d'alimentation ne sont pas encore correctes et finalement, "se plante" au démarrage. Vous pourrez conclure qu'il s'agit de ce problème si votre ordinateur accepte de redémarrer correctement quand vous appuyez sur le bouton reset.
Le problème d'une alimentation instable risque aussi de se poser
lorsque vous changez de carte mère. Avant de mettre celle-ci en
cause vérifiez que le problème n'est simplement dû
à une alimentation de mauvaise qualité!
Elle peut aussi être à l'origine de messages d'erreurs de
parité qui font suite à des erreurs dans la mémoire.
Ces messages peuvent bien entendu être dus à des composants
mémoires défectueux. On pensera cependant à incriminer
l'alimentation si les erreurs concernent des zones mémoires très
variables et à plus forte raison si ces messages subsistent après
avoir échangé les barrettes mémoires avec celles
d'un PC qui fonctionne sans problème.
En fait, toutes les pannes intermittentes peuvent être provoquées
par une défaillance de l'alimentation. L'idéal est de disposer
d'une alimentation de rechange assez robuste pour tester le PC en remplacer
provisoirement celle dont vous n'êtes pas certains.
Mais avant ce test commencez par vérifier les points suivants :
- Le ventilateur de l'alimentation est souvent en cause. N'est-il pas
bloqué ? A la longue de la poussière s'y accumule, un petit
coup d'aspirateur est parfois utile.
- Le cordon secteur pourrait être défectueux. Si vous en
avez un autre rien ne coûte de faire l'échange.
- Vérifiez toutes les connexions. Les connecteurs doivent être
enfoncés à fond. Il suffit parfois de retirer un connecteur
puis de le remettre pour rétablir un contact qui était mauvais.
- Vérifiez les tensions à l'aide d'un voltmètre pendant
que l'ordinateur est sous-tension et sans déconnecter les connecteurs
d'alimentation de la carte mère. Une charge minimum est nécessaire
pour que l'alimentation fonctionne correctement. L'alimentation pourrait
paraître défectueuse si cette charge minimum n'est pas présente.
Branchez-y au minimum une carte mère et un disque dur avant de
faire vos mesures.
Les alimentations à découpage
Les alimentations classiques (alimentations linéaires) construites à partir d'un transformateur, d'un pont redresseur et d'un régulateur conviennent pour de petits appareils. On les trouve entre autre dans les adaptateurs secteurs qui alimentent les périphériques externes.
La particularité d'une alimentation de PC est qu'elle doit fournir des tensions continues avec des courants élevés. Le rendement d'une alimentation linéaire serait dans ce cas plus mauvais et les composants pour la réaliser seraient volumineux, lourds (transformateurs) et chers.
Les alimentations à découpage conviennent mieux dans ce cas.
Les composants de ce type d'alimentation fonctionnent en commutation,
ils travaillent à une fréquence de plusieurs dizaines de
kHz les dimensions des composant sont réduites. C'est le cas du
transformateur de séparation entre la haute et la basse tension
ainsi que des selfs et condensateurs qui constituent le filtre de sortie.
Principe de fonctionnement
La tension du secteur est redressée puis hachée en courtes impulsions.
- Chaque impulsion qui arrive au primaire du transformateur y crée un champ magnétique. La quantité d'énergie accumulée dans le circuit magnétique et proportionnelle à la largeur de l'impulsion.
- Lorsque l'impulsion au primaire disparaît, apparaît dans le secondaire un courant induit qui tend à s'opposer à la disparition du champ magnétique.
La tension en sortie est régulée par le rapport cyclique
t / T.
NB. Le schéma ci-dessus et les quelques lignes ci-dessus ont été faits dans un souci de vulgarisation. Elles sont simplistes et ne conviendront évidemment pas aux lecteurs qui ont de bonnes bases en électronique. Ils trouveront une explication plus rigoureuse aux adresses suivantes :
http://www.cooling-masters.com/articles-36-0.html
http://computer.howstuffworks.com/power-supply.htm
Exercice
Questions à partir des inscriptions sur la paque signalétique d'un bloc d'alimentation :
