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Mis à jour le 16/05/2019

Découvrez des cas typiques d’alimentation électrique

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Évaluez les besoins en alimentation

Pour alimenter un système, il faut savoir de quoi on parle. Prenons le cas d’un capteur sans fil.

Chaque circuit qui compose l’objet est alimenté par la tension continue qui lui convient. Il absorbe un courant moyen, et c’est la somme de ces courants moyens que le concepteur veut évaluer.

Exemple typique de bilan de consommation électrique d'un système embarqué
Exemple typique de bilan de consommation électrique d'un système embarqué.

Pour chaque partie du circuit de l’interface capteur, il faut évaluer le courant absorbé sur son alimentation, ici matérialisé par le symbole VDD. Ce circuit comprend plusieurs composants, et l'évaluation de la consommation électrique se détaille composant par composant.

Exemple du circuit d'interface d'un capteur de température
Exemple du circuit d'interface d'un capteur de température.

Il faut répéter l’opération pour chaque partie du circuit. Dans le cas d'un amplificateur opérationnel, et faute de mieux, il faut s’en remettre aux informations données par le constructeur, dans la fameuse fiche du produit. Ici, l’AOP considéré (un LM741) consomme au maximum 3,3 mA. Il y a 4 de ces composants, soit 13 mA sur chacune de leurs 2 alimentations électriques.

Consommation des amplificateurs opérationnels
Consommation des amplificateurs opérationnels.

Pour le microcontrôleur et la radio, dans chaque mode de fonctionnement du circuit, le fabricant a relevé le courant consommé, pour une tension d’alimentation donnée.

Exemple de circuit
Exemple de circuit "radio" et sa consommation électrique en fonction de son état.
Exemple de scénario de fonctionnement de l'objet embarqué et la conséquence sur la consommation électrique du microcontrôleur et de la radio associée
Exemple de scénario de fonctionnement de l'objet embarqué, et la conséquence sur la consommation électrique du microcontrôleur et de la radio associée.

Le service rendu par l’objet est détaillé en séquences de fonctionnement, avec la consommation électrique associée. Ici, le microcontrôleur et la radio exigent une consommation moyenne négligeable devant celle de l’interface capteur.

Parcourez différents types d'alimentation électrique

Un système embarqué, comme le capteur de température qui nous sert d’exemple dans cette partie, est alimenté par des tensions continues. Celles-ci doivent pouvoir varier dans le temps, grâce à des convertisseurs de tension, comme il a été dit auparavant.
L’énergie en amont du convertisseur de tension peut venir typiquement de plusieurs sources.
 
La source d'énergie primaire peut être embarquée au sein du système, dans une pile ou une batterie rechargeable. Il s’agit d’une réserve d’énergie continue, prête à l'emploi, mais qui dépend du courant consommé. 

La solution à pile est réservée à des systèmes de très faible consommation. Les piles sont disponibles à travers certains types standardisés, comme la pile bouton ou bien la pile AA.

Par exemple, quand une pile alcaline de type AA est branchée à un système qui consomme 500 mA sous la tension nominale de 1,5V, la caractéristique de décharge montre que la tension effective ne dépassera pas 1,2V et que la durée de fonctionnement possible du système sera inférieure à 3 heures.

Exemple de pile et batterie
Exemple de pile et batterie.

La tension fournie par la pile ou la batterie n’est pas, en général, égale à celle dont a besoin chaque circuit du système. Il faut donc insérer un convertisseur de tension entre la source d’énergie continue et chaque circuit.

Convertisseur DC-DC de l'énergie primaire vers les circuits consommateurs
Convertisseur DC-DC de l'énergie primaire vers les circuits consommateurs.

Quand le système embarqué n’offre pas de service mobile, il est tout aussi simple de prélever l’énergie sur le réseau électrique 50Hz, 220V alternatif. De manière pratique, ceci est assuré par des blocs spécifiques, dont les plus populaires délivrent en sortie une tension continue de 5V ou 9V. En fait, dans la plupart des cas, ces blocs secteurs servent à charger une batterie et on parle de « chargeur ».  À la sortie du bloc secteur, on disposera d’une tension continue plus élevée que celle nécessaire au système embarqué. Il faudra donc un convertisseur de tension, comme dans le cas de la pile ou de la batterie.
 
Le bloc secteur est un objet assez complexe qui répond à plusieurs contraintes :

  • le bloc secteur doit prélever un courant de forme sinusoïdale sur le réseau électrique. Ceci est réalisé à travers un étage de conversion alternatif-continu qui est appelé « correcteur du facteur de puissance », et n’est pas isolé du secteur ;

  • l’isolation galvanique caractérise l’absence de liaison conductrice entre deux parties d’un montage électronique. Ici, cette isolation est réalisée par un transformateur magnétique ;

  • à la sortie, un redressement alternatif/continu à travers des diodes et un lissage par un filtre inductance/condensateur fournit la tension continue d’amplitude faible. 

Structure typique d'un bloc d'alimentation secteur
Structure typique d'un bloc d'alimentation secteur

Découvrez la notion de stratégie de gestion de la consommation électrique

Le service rendu par un bloc électronique dépend de son alimentation électrique. L’interface analogique du capteur de température fonctionne sous 3,3 V ou rien. Sous une tension d’alimentation différente de 3,3 V, le service rendu par l’interface est mauvais : l’image de la température n’est pas disponible, par exemple. Par contre sous 0 V d’alimentation, l’interface ne consomme pas d’énergie.

Le microcontrôleur fonctionne si son alimentation ne descend en dessous de 1,8 V et n’excède pas 3,3 V. Le service rendu par le microcontrôleur (la vitesse à laquelle il exécute les instructions, par exemple) dépendra de la tension d'alimentation. Si l'objet embarqué a peu de calculs à confier au microcontrôleur, il est profitable de baisser sa tension d'alimentation pour obtenir le service, mais l'obtenir au meilleur coût énergétique (la consommation électrique du microcontrôleur sera moindre).

De même, le bloc « radio » fonctionnera si son alimentation électrique se situe entre 2,5 V et 3,3 V. Le service rendu dépendra de la tension en contrepartie d'une consommation électrique réduite.

Tension d'alimentation et activité de blocs fonctionnels
Tension d'alimentation et activité de blocs fonctionnels

En regardant l’activité du système embarqué (figure ci-dessus), on voit que l’interface analogique et le capteur de température ne sont requis que pendant une certaine partie du temps : c’est-à-dire quand le microcontrôleur cherche à acquérir la valeur de la température. Aussi, gérer l’énergie au sein d’un système consiste à éviter le gaspillage de l’énergie électrique, en appliquant la tension d’alimentation nécessaire, quand c’est nécessaire vis-à-vis du fonctionnement attendu.
 
L’idée simple est de mettre en fonctionnement ou pas tel ou tel bloc, au moment opportun :

  • la radio n’a pas besoin de consommer du courant quand le système attend le moment adéquat pour acquérir la valeur de la température : autant couper la radio, c’est-à-dire ne pas appliquer la tension d’alimentation (c'est-à-dire 0 V) ;

  • quand la radio doit émettre, il y a plusieurs actions à dérouler avec la mise sous tension du bloc électronique, le réglage de certains éléments à l’intérieur du circuit électronique, le transfert depuis le microcontrôleur de la donnée à émettre et enfin l’émission elle-même. Il se trouve que ces opérations élémentaires peuvent se faire à des tensions d’alimentation différentes : par exemple 2,5 V jusqu’à l’émission, et 3,3 V pendant l’émission ;

  • tant que les tâches à accomplir par le microcontrôleur sont minimes, autant limiter la tension d’alimentation et le courant absorbé, par exemple avec 1,8 V. Dès que le microcontrôleur doit fournir une activité forte, l’alimentation doit être plus élevée (2,5 V ou 3,3 V pour la pleine puissance de calcul).

C’est le microcontrôleur qui va appliquer cette stratégie, en fonction du temps qui s’écoule. Le microcontrôleur devra donc pouvoir piloter des convertisseurs de tension, et des instructions devront être introduites dans le code informatique pour obtenir l’effet escompté.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite