Techniques analogiques pour une plus longue durée de vie de la batterie

Pour obtenir une durée de vie maximale de la batterie, il faut comprendre trois facteurs clés : les technologies de batterie, la gestion de l'alimentation numérique et les techniques analogiques à faible consommation. Alors que de nombreux concepteurs sont bien conscients des forces et des faiblesses des différentes chimies de batterie et du contrôle de puissance numérique,  Ils ne connaissent peut-être pas aussi bien le rôle que joue l'électronique analogique basse consommation dans l'allongement de la durée de vie de la batterie.

chimie de la batterie

L'une des décisions clés pour les concepteurs d'électronique portable est le choix de la technologie de la batterie. Les quatre principales chimies de batterie sont : alcaline ; nickel-cadmium (NiCd); hydrure métallique de nickel (NiMH); et lithium-ion (Li-Ion) et chacun a ses propres avantages et inconvénients.

En règle générale, une pile alcaline complètement chargée fournira une tension d'environ 1,5 V. Cette tension chutera au fur et à mesure que la batterie est utilisée, de sorte qu'au moment où 90 % sont consommés, la tension aura chuté à environ 0,9 V. La combinaison d'une capacité relativement élevée et d'une résistance interne élevée rend les piles alcalines inefficaces pour les applications à courant élevé telles que les voitures télécommandées, les flashs d'appareil photo et les outils électriques.

Pour ces applications à courant élevé, les cellules de batterie NiCd offrent une option très durable et peu coûteuse, offrant une tension nominale de 1,2 V qui chute à environ 0,9 V lorsque la batterie est épuisée. Les inconvénients sont sa densité énergétique relativement faible et la présence de métaux toxiques. De plus, il est nécessaire d'effectuer une décharge périodique complète pour éviter la formation de gros cristaux sur les plaques des cellules, qui nuisent à l'autonomie et aux performances de la batterie.

Au lieu de cela, les cellules NiMH sont respectueuses de l'environnement et fournissent une densité d'énergie 40 % supérieure à celle des cellules de batterie NiCd. Sa tension nominale de l'ordre de 1,25V tombe en dessous de 1,0V lorsque l'autonomie de la batterie touche à sa fin. Les inconvénients des batteries NiMH sont leur taux d'autodécharge nettement plus élevé et leur faible durabilité par rapport aux batteries NiCd, en raison d'un fonctionnement à des charges élevées et à des températures extrêmes.

Pour la plupart des appareils électroniques grand public, le lithium-ion (Li-ion) est actuellement la chimie dominante des batteries. Une seule cellule Li-ion complètement chargée a une tension en circuit ouvert d'environ 3,6 V qui chute à environ 2,7 V lorsqu'elle est complètement déchargée. Parmi les avantages des cellules Li-ion figurent leur poids plus faible, des tensions de cellule plus élevées et dans les versions Li-polymère, la possibilité d'être façonnées.

D'autres avantages sont que la densité d'énergie des batteries Li-ion et Li-polymère continue d'augmenter et double actuellement l'énergie d'une cellule NiCd standard, alors que leurs coûts diminuent. Le principal inconvénient de cette chimie est le risque qu'elle puisse exploser en cas de surcharge. Ce souci de sécurité a conduit certains fabricants à privilégier la chimie NiMH, notamment lorsque la taille et le poids ne sont pas des facteurs critiques.

Convertisseurs CC/CC

Il est indispensable de connaître les architectures des convertisseurs DC/DC pour optimiser les performances d'une conception et généralement le choix se fera entre régulateurs linéaires, régulateurs commutés et pompes de charge. Bien qu'il existe plusieurs types de régulateurs linéaires, le plus largement utilisé dans les applications alimentées par batterie est le LDO (low dropout regulator). Ceux-ci utilisent un transistor de passage à canal P comme résistance variable avec rétroaction pour réguler une tension de sortie donnée.

En revanche, un régulateur commuté utilise une diode, une inductance et un commutateur pour transférer la puissance de l'entrée et fournit une sortie donnée configurée en topologie buck, boost ou buck/boost. Un régulateur abaisseur fournit une tension de sortie régulée inférieure à la tension d'entrée, similaire à la fonction d'un LDO ; un régulateur commuté élévateur fournit une tension de sortie plus élevée que l'entrée ; Pour sa part, un régulateur buck/boost fournit une sortie régulée dans une plage de tensions d'entrée supérieures et/ou inférieures à la tension de sortie.

Le troisième type de régulateur, une pompe de charge, utilise un condensateur comme dispositif de stockage d'énergie et dispose de commutateurs pour connecter les plaques du condensateur à la tension d'entrée. Selon la topologie du circuit, une pompe de charge peut doubler, tripler, inverser, réduire de moitié ou même créer une tension de sortie régulée arbitraire. L'utilisation de condensateurs de charge et de décharge pour transférer l'énergie permet à une pompe de charge de fournir un courant de sortie relativement faible et pas plus de quelques centaines de milliampères.

Le tableau 1 met en évidence les avantages et les inconvénients de chacune de ces topologies de convertisseur DC/DC et le choix de la topologie optimale dépendra des paramètres de chaque application. Pour les applications où l'autonomie de la batterie est une priorité, un régulateur à découpage à haut rendement devrait être le meilleur choix, tandis que dans les applications avec un niveau élevé de bruit électrique, le choix devrait être un régulateur linéaire. Cependant, chaque application doit se concentrer sur les circuits de gestion de l'alimentation si les objectifs fixés pour les performances du système doivent être atteints.

 Tableau 1 : Analyse des différentes topologies de convertisseur DC/DC.

La conversion DC/DC offre un certain nombre de techniques pour prolonger la durée de fonctionnement de la batterie. La figure, par exemple, montre le placement d'un condensateur d'entrée et de sortie par rapport au convertisseur DC/DC. Dans cette configuration, le régulateur commuté utilisé pour ouvrir et fermer un commutateur d'entrée peut générer des courants de surtension sur la broche d'entrée qui peuvent être minimisés en utilisant un grand condensateur d'entrée comme tampon de charge.

Cela peut affecter la durée de fonctionnement de la batterie car, selon la chimie de la batterie, la résistance interne peut être importante et le courant pulsé de la batterie peut provoquer une chute de tension notable dans la cellule de la batterie. Un condensateur d'entrée plus grand, situé entre la batterie et le commutateur, réduira la consommation de courant instantanée, ce qui entraînera une chute de tension dans la batterie. Pour minimiser ces chutes de tension, la durée de fonctionnement de la batterie peut être prolongée avant que la tension minimale des cellules de la batterie ne soit atteinte. Dans les applications à faible consommation d'énergie qui passent une grande partie de leur temps en mode veille ou veille, il peut ne pas être nécessaire que le contrôleur fonctionne à tout moment. Dans ce cas, l'utilisation d'un condensateur de sortie plus grand pour fournir le faible courant requis par la charge peut être plus économe en énergie. Activer et désactiver le régulateur augmente la charge du condensateur selon les besoins.

gestion numérique de l'alimentation

La variation de tension dynamique est une autre technique courante pour maximiser l'autonomie de la batterie. Lorsqu'il fonctionne à une tension inférieure sur une charge numérique, telle qu'un microcontrôleur, il consomme moins de courant et consomme donc moins d'énergie. L'inconvénient, cependant, est que l'exécution d'un microcontrôleur à basse tension peut limiter sa vitesse de traitement et ses capacités de sortie. La variation de tension dynamique permet au microcontrôleur de combiner une tension plus faible et une consommation plus faible, en mode veille ou veille, avec un convertisseur élévateur à un niveau de tension plus élevé pour traiter ou transférer des informations. Cette technique est souvent utilisée dans l'informatique alimentée par batterie et d'autres types d'informatique, où le microcontrôleur fonctionne dans différents modes.

La relation entre le temps de fonctionnement et le temps de veille ou de sommeil pour chaque application influencera également le temps de fonctionnement de la batterie. Alors que les applications telles que les détecteurs de dioxyde de carbone doivent généralement fonctionner en mode continu, d'autres peuvent rester en mode veille ou endormi jusqu'à ce qu'elles soient nécessaires.

D'autres exemples d'applications à fonctionnement intermittent sont les compteurs d'eau intelligents, les télécommandes et les détecteurs de fumée basés sur la photodétection.

Gestion de l'alimentation analogique

 Il existe une multitude de ressources en ligne dédiées à aider les concepteurs à comprendre et à gérer l'alimentation numérique à travers les différents modes de fonctionnement offerts par les microcontrôleurs, ainsi qu'à connecter et déconnecter les périphériques intégrés selon les besoins. L'impact de l'exécution du microcontrôleur dans un état actif en continu ou de sa mise en veille puis de son réveil pour un fonctionnement actif est également bien documenté. Lors de la gestion de la puissance allouée aux composants analogiques, les alternatives peuvent ne pas être aussi tranchées. Bien qu'il soit toujours essentiel d'utiliser des circuits intégrés analogiques avec le courant actif le plus faible possible pour les systèmes qui sont continuellement en mode de fonctionnement actif, les applications soumises à des cycles de service devront également peser le temps de stabilisation par rapport à la consommation de courant. Un appareil plus rapide avec un courant plus élevé peut fournir une plus grande efficacité à long terme qu'une alternative à courant plus faible avec un temps de réponse plus lent. Le choix de la technologie de batterie appropriée et des techniques de gestion de l'alimentation numérique sont des problèmes bien connus des concepteurs qui tentent de prolonger la durée de vie de la batterie. Les techniques de mise en œuvre analogique à faible consommation ne sont généralement pas aussi bien connues, mais elles peuvent jouer un rôle important dans la prolongation de la durée de vie de la batterie et la garantie de performances optimales du système.