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Mis à jour le 12/12/2019

Utilisez différentes sources d'énergie embarquée

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Comparez les avantages et inconvénients des différentes sources d'énergie

La conception d’un objet autonome connecté pose une question essentielle : de quel type d’énergie dispose-t-on ?

C’est bien souvent le cas d’usage du produit (« la user experience ») qui spécifie la source de tension à utiliser, avec trois éléments du cahier des charges :

  • la durée de vie, sans intervention de l’utilisateur pour changer ou recharger son système embarqué ;

  • le volume occupé par la fonction énergie embarquée, qui est antinomique avec l’impératif actuel sur « small and smart» ;

  • la conservation de la fonction tout au long de la durée de vie sur pile.

Quel type de source de tension embarquer avec le produit autonome connecté ?

  • une batterie Lithium-Polymère ou une pile rechargeable dans le cas d’un produit rechargeable

  • une pile alcaline ou pile lithium dans l’autre cas.

À cette interrogation, un premier élément de réponse est « de prendre en considération » la consommation moyenne du produit et les appels en courant qui, respectivement, vont conditionner :

  • la durée de vie en utilisation, qui permettra à l’utilisateur « d’oublier » que son produit est alimenté, c’est-à-dire avoir une consommation moyenne qui garantisse plusieurs jours, semaines, mois, voire années sans processus de recharge ou de changement de piles ;

  • la robustesse aux appels en courant, c’est-à-dire le maintien d'une tension constante, qui peut aussi être différente pour chaque sous-composant polarisé, y compris lors de phases transitoires de surconsommation : émission radio, calcul, actionnement, mesure…

Le « volume à allouer » à la fonction énergie embarquée peut se déduire de :

  • l'énergie massique, qui conditionne le poids (Wh/kg),

  • l'énergie volumique, qui conditionne l'encombrement (Wh/l),

  • problèmes de sécurité éventuels (avec des exemples récents qui peuvent ternir la réputation d'un produit, voire d’une marque).

D’une manière générale, les piles non rechargeables ont une plus grande énergie massique, comme le montre la comparaison avec les batteries rechargeables suivante :

Comparaison des énergies massiques des piles et batteries
Comparaison des densités d'énergie des piles et batteries

Le diagramme de Ragone suivant montre que les technologies de batteries utilisées actuellement (Li-Ion et leur variante Li-Po) sont bien plus performantes que les technologies à la fois anciennes et polluantes (et donc non conformes aux normes en vigueur en électronique — norme RoHs).

Diagramme de Ragone
Diagramme de Ragone

Dans le choix de la source d’énergie, trois critères sont à analyser :

  • Volume

  • Tension à vide

  • Capacité

Le tableau suivant récapitule les principales caractéristiques de quelques types de piles et de batteries:

Comparaison des caractéristiques des batteries et piles
Comparaison des caractéristiques des batteries et piles

Ce tableau démontre un avantage volume/capacité et appels en courant pour une solution batterie Li-Po, à laquelle il faut pondérer l’analyse économique de la solution en ajoutant le coût des éléments additionnels :

  • contact chargeur via un connecteur (bien souvent un USB),

  • chargeur,

  • différence de coût entre batterie et pile.

Si l'on rajoute comme critère que la tension de polarisation « classique » actuelle des composants (notée Vdd ) se situe entre 2V et 3,3V, deux configurations sont à étudier, sans forcément penser qu’il faut que la source de tension (notée Vbat ) soit supérieure à 3,3V en ajoutant en série des éléments :

  • cas 1 : Vbat<Vdd

     Il faut augmenter la tension de la source via un convertisseur DC/DC de type BOOST .

  • cas 2 :   Vbat>Vdd

     Il faut diminuer la tension de la source via

    • un convertisseur DC/DC de type LDO

    • un convertisseur DC/DC de type BUCK

Fixons-nous comme cahier des charges :

  • V= 3,3V pour les composants (capteurs, actionneurs, microcontrôleur, lien RF),

  • appels en courant de l’ordre de quelques dizaines de mA (exemple du 20mA, que l’on peut associer à la consommation inhérente à l’émission d’une trame radio).

Expérimentez la variation de tension associée à une consommation en courant

Démontrons, par la simulation, l’importance de mettre en place un régulateur de tension sur la carte électronique, pour maintenir constante la tension quels que soient les appels en courant —  par exemple, pour passer d'une tension de 6V à une tension de 4,6V. Pour obtenir la tension voulue, on peut penser à mettre une simple diode Zener :

Circuit de simulation de la tentative de stabilisation de tenson à l'aide d'une diode Zener
Circuit de simulation de la tentative de stabilisation de tension à l'aide d'une diode Zener

La charge fait un appel de courant à t=0,1ms, il passe de 2mA à 17mA, puis reprend sa valeur initiale. On peut voir l'effondrement de la tension durant cet appel en courant.

Courant dans l'inductance L2 sans la capacité C
Courant dans l'inductance L2 sans la capacité C
Chute de tension Zener sans la capacité C
Chute de tension Zener sans la capacité C

En branchant la capacité C de 1µF, on constate l'apparition d'une constante de temps, mais la tension baisse autant que si l'on ne branche pas la capacité.

Courant dans l'inductance L2 en branchant la capacité C
Courant dans l'inductance L2 en branchant la capacité C
Chute de tension Zener en branchant la capacité C
Chute de tension Zener en branchant la capacité C

Considérons notre cas pratique, où l'alimentation est constituée de trois piles 1,5V en série et que le circuit nécessite une tension de 3,3V. Nous considérons que le circuit — la charge — fait un appel en courant qui passe de 1mA à 23mA.

Démontrons par la simulation l’importance de mettre en place un régulateur de tension sur la carte électronique, pour maintenir constante la tension quels que soient les appels en courant.

Soit un schéma d’application du LDO (Low DropOut) de référence ADP161 ci-après, que l'on adapte à notre cahier des charges.

Schéma d'application du ADP161 fourni par le fabricant
Schéma d'application du ADP161 fourni par le fabricant

Supposons qu’on mette en série 3 piles AAA, la fem en entrée du LDO est de 4,5V et nous souhaitons avoir en sortie une tension de 3,3V. Simulons le comportement de la tension de sortie vis-à-vis :

  • d’un courant moyen appelé par R_ch1 ,

  • de la superposition d’un courant variable à t=0,1ms appelé par la mise en parallèle de R_ch2 à l'aide la mise en conduction du MOSFET M1.

Le circuit adapté à notre application en considérant des inductances parasites de lignes est donné par:

Circuit de simulation du rôle du LDO ADP161 dans la régulation de tension
Circuit de simulation du rôle du LDO ADP161 dans la régulation de tension 

Sur la figure suivante, on voit qu'à l'appel de courant la tension de sortie baisse légèrement (de 3,32V à 3,26V), puis le LDO la remet à sa valeur initiale au bout d'une ms environ.

Courant dans l'inductance L2
Courant dans l'inductance L2
Chute de tension à la sortie du LDO
Chute de tension à la sortie du LDO

On se pose la question sur le rôle de C2 en faisant une simulation sans cette capacité. On remarque un pic de tension prononcé à 3,07V, puis une remontée vers la tension initiale avec une constante de temps plus petite (700µs au lieu de 1ms).

Chute de tension de sortie du LDO sans en débranchant C2
Chute de tension de sortie du LDO sans C2

Le fabricant préconise l'utilisation des deux capacités C1 et C2, d'une valeur de 1µF chacune. Nous pourrons voir leur rôle en affichant le courant transitoire qu'elles prennent en charge :

Courants transitoires dans les capacités C1 et C2
Courants transitoires dans les capacités C1 et C2

On voit ainsi comment ces deux capacités évitent les pics de tensions lors des transitoires.

Conclusion :
Contrairement au circuit à diode Zener, le LDO stabilise bien la tension appliquée au circuit : baisse limitée à 0,25V et rétablissement de la tension initiale, avec un temps de réaction inférieur à 1ms.

Développez des solutions de maintien de la tension d'alimentation

La source de tension n'est pas idéale. De plus, les modes de fonctionnement d’une carte électronique imposent des consommations de courant transitoires (di/dt). Toute inductance parasite liée aux interconnexions va altérer la tension de polarisation du composant.

Tout transitoire affectant l’alimentation (ou le GND) parasite nécessairement la fonction du composant (même s'il est dotée d’un régulateur interne). On prendra donc soin de très bien filtrer les alimentations de la carte électronique en observant celles-ci en mode AC.

Les différentes technologies disponibles :

  • technologie dite "chimique", pour les faibles fréquences (allant jusqu'à plusieurs centaines de kH pour le Tantale), en mettant de fortes valeurs comme par exemple 10 µF ;

  • technologie dite "film", pour des fréquences moyennes (jusqu'à plusieurs dizaines de MHz), en mettant des valeurs intermédiaires comme par exemple 0,1 µF ;

  • technologie dite "céramique", pour les fréquences plus hautes (au-delà du GHz), en mettant des valeurs plus petites comme par exemple 100pF.

Dans le monde des condensateurs, nous avons un très large choix de technologies et de diélectriques. La figure suivante montre que ces technologies se comportent différemment en fréquence suivant aussi les valeurs de leur capacité (exemple pour les électrolytiques à aluminium).

Comportement en fréquence de quelques technologies de condensateurs
Comportement en fréquence de quelques technologies de condensateurs

Le choix peut être encore plus fin : par exemple, lorsque le fabricant dit qu'il s'agit d'un condensateur X7R (diélectrique de très bonne qualité), cela signifie qu'il peut fonctionner à une température comprise entre -55 ° C et + 125 ° C et que sa capacité ne variera pas plus ou moins de 15% par rapport à la valeur nominale spécifiée.

Protégez le dispositif électronique contre l’inversion de polarité

L'une des exigences du marquage CE est de protéger un produit électronique doté d’une source de tension contre l’inversion de polarité, ou plus exactement le rendre robuste à tout risque de feu.

Deux approches sont possibles :

  • le « poka-yoke », ou la solution mécanique du détrompeur ;

  • la protection électronique contre l’inversion de la pile :

    • par solution de type fusible réamorçable ou pas, avec un risque potentiel de dégradation (donc de SAV et d’insatisfaction de « l’expérience client »),

    • avec un objectif de mise en protection totale de l’électronique en minimisant le delta coût, donc sans penser à un redresseur.

La première fausse bonne idée consiste à mettre une diode Schottky (moins pire qu’une diode PN !), qui empêche le passage du courant et bloque la tension dans le cas d'une inversion de polarité de la batterie. Cette solution réduit le rendement du circuit car la diode, lors du fonctionnement normal, c’est-à-dire tout au long de la vie en fonctionnement, réduit la tension ( Vf =0,4V) et dissipe une puissance, alors que pour des produits nomades l’électronicien traque le gaspillage.

Solution rudimentaire pour protéger le circuit contre l'inversion de l'alimentation
Solution rudimentaire pour protéger le circuit contre l'inversion de l'alimentation

La solution classique consiste à utiliser un MOSFET canal P. En présence de l'alimentation dans le sens de polarité nominale, le MOSFET canal P entre en conduction en deux étapes :

  • le courant traverse la diode structurelle et alimente la charge ;

  • la différence de potentiel aux bornes de la charge induit la polarisation du PMOS (mise en conduction pour VGS<Vth  avec Vth négatif) ;

  • le PMOS entrant en conduction impose une résistance rDSOn

    en parallèle de la résistance dynamique de la diode, mais très inférieure à celle-ci ;

  • la chute de tension devient nettement inférieure à la tension Vf de la diode structurelle, avec un ordre de grandeur variant entre 10mV et 100mV selon l’intensité demandée par la charge.

Solution PMOSFET pour protéger le circuit contre l'inversion de l'alimentation
Solution PMOSFET pour protéger le circuit contre l'inversion de l'alimentation

 Lorsque Vbat  est supérieur au VGSmax toléré par le MOSFET type P et que on ne peut pas changer de PMOS, on ajoute les éléments de protection via une diode Zéner, où VZ impose une tension  VGS inférieure à VGSmax . Le reste de la tension est supporté par la résistance.

Protection de la grille du PMOSFET dans les cas d'une tension d'alimentation supérieure à celle supportée par la grille
Protection de la grille du PMOSFET dans le cas d'une tension d'alimentation supérieure à celle supportée par la grille

En cas de polarisation inverse, la diode Zener située sur la source du MOSFET n’entre pas en conduction, grâce à la présence de la diode structurelle du MOSFET.

La qualité, au sens de la stabilité, de la source d’alimentation d’une carte électronique conditionne le fonctionnement. Aussi, le concepteur doit veiller à mettre en œuvre des solutions pour stabiliser sa source d’alimentation en utilisant des convertisseurs DC/DC et des condensateurs comme réservoirs locaux d’énergie.

Dans le cas d’objets nomades, les sources d’alimentation embarquées sont de type pile ou batterie Lipo avec des forces électromotrices qui ne vont pas directement être égales aux tensions nécessaires à polariser les composants.

Le chapitre suivant présente le cas où la source d’alimentation est inférieure au niveau de tension des composants et répond à la question : peut-on alimenter une carte qui nécessite une tension de 3.3V avec une pile alcaline 1.5V ? La réponse est oui !

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite