La question :
Mon application ne dispose pas de batterie. Est-il possible de l’alimenter en mode sans fil ?
La réponse :
Absolument ! Il existe une solution simple et intégrée, optimisée pour les sources de très faible puissance qui a été initialement conçue pour la récupération d’énergie.
Un système de transmission d’énergie sans fil (WPT — Wireless Power Transfer) se compose de deux parties isolées par un entrefer : un circuit émetteur (Tx) avec sa bobine d’émission, et un circuit récepteur (Rx) avec sa bobine de réception (voir figure 1). Comme dans un transformateur classique, le courant alternatif généré dans la bobine d’émission induit un courant alternatif dans la bobine de réception par l’intermédiaire d’un champ magnétique. Cependant, et contrairement aux systèmes à transformateur ordinaire, le couplage entre le primaire (l’émetteur) et le secondaire (le récepteur) est généralement très faible. Ce phénomène est dû à la couche d’air (entrefer), un matériau non magnétique.
Figure 1. Système de transmission d’énergie sans fil.
Actuellement, la plupart des applications de transmission d’énergie sans fil sont configurées comme des chargeurs de batterie sans fil. Une batterie rechargeable est placée côté récepteur et se charge « sans fil » dès qu’elle est en présence d’un émetteur. Une fois la charge effectuée et la batterie séparée du chargeur, la batterie rechargeable peut alimenter l’application finale. Les charges en aval peuvent être connectées à la batterie de trois manières : 1) directement ; 2) indirectement par l’intermédiaire d’un PowerPath™ à diode idéale ; ou 3) en sortie d’un régulateur alimenté par batterie et incorporé au circuit intégré du chargeur. Dans les trois scénarios (voir figure 2), l’application finale peut fonctionner en étant ou non alimentée par le chargeur.
Figure 2. Chargeurs de batterie à réception sans fil avec charges connectées à (a) une batterie, (b) une diode idéale PowerPath et (c) en sortie d’un régulateur.
Mais que faire si une application n’est pas associée à une batterie et que l’on souhaite simplement délivrer une tension régulée lorsqu’une alimentation sans fil est disponible ? Les exemples ne manquent pas dans le domaine des capteurs déportés, des compteurs ou des systèmes de diagnostics utilisés dans les secteurs de l’automobile et de la santé. À titre d’exemple, si un capteur déporté ne requiert pas une alimentation constante, une batterie sera inutile pour l’une des deux raisons suivantes : il faudra la remplacer périodiquement (pile simple) ou la recharger (accumulateur). S’il sert uniquement à fournir une valeur lorsque l’utilisateur se trouve à proximité, le capteur peut être alimenté sans fil, à la demande.
Figure 3. Système de transmission d’énergie sans fil (WPT) utilisant un circuit LTC3588-1 pour appliquer une tension régulée de 3,3 V.
Avec le LTC3588-1, Analog Devices propose une alimentation à récupération d’énergie optimisée pour les sources de très faible puissance. Bien que conçu à l’origine pour les applications de récupération d’énergie (energy harvesting) alimentées par un transducteur piézoélectrique ou solaire, le LTC3588-1 peut également être utilisé avec des alimentations sans fil. La figure 3 représente une solution de transmission d’énergie sans fil complète (émetteur et récepteur) intégrant ce circuit. Côté émission, un simple émetteur sans fil en boucle ouverte architecturé autour d’un oscillateur au silicium LTC6992 de la famille TimerBlox® est utilisé. Pour ce design, la fréquence d’excitation est fixée à 216 kHz, inférieure donc à la fréquence de résonance du circuit LC, qui est de 266 kHz. Le rapport exact entre la fréquence fLC_TX et la fréquence fDRIVE est déterminé de manière empirique dans le but de minimiser les pertes de commutation dans le transistor MOSFET M1 en raison de la commutation au zéro de la tension (ZVS — Zero Voltage Switching). S’agissant du choix des bobines et de la fréquence de fonctionnement, les considérations de conception côté émetteur ne diffèrent guère de celles des autres solutions de transmission d’énergie sans fil. D’autre part, il n’y a rien d’exceptionnel à utiliser un LTC3588-1 côté récepteur.
Côté récepteur, la fréquence de résonance du circuit LC est fixée à une valeur égale à la fréquence d’excitation fDRIVE, soit 216 kHz. Dans la mesure où de nombreuses applications de récupération d’énergie nécessitent un redressement alternatif/continu (comme pour la transmission WPT), le circuit LTC3588-1 est équipé de cette fonction, ce qui permet au circuit LC de se connecter directement aux broches PZ1 et PZ2 du LTC3588-1. Le redressement est à large bande, du continu à plus de 10 MHz. À l’image de la broche VCC sur les circuits LTC4123/LTC4124/LTC4126, la broche VIN du LTC3588-1 est régulée à un niveau permettant de délivrer de l’énergie en sortie. Dans le cas du LTC3588-1, la sortie est celle d’un régulateur abaisseur continu-continu à hystérésis au lieu d’un chargeur de batterie. Quatre tensions de sortie peuvent être sélectionnées au niveau des broches : les tensions de 1,8 ; 2,5 ; 3,3 ; et 3,6 V sont disponibles avec un courant de sortie continu pouvant atteindre 100 mA. Le condensateur de sortie peut être dimensionné pour appliquer des salves de courant plus élevées à court terme, sous réserve que le courant de sortie moyen ne dépasse pas 100 mA. Bien entendu, pour bénéficier de la pleine capacité de 100 mA en sortie, il est nécessaire de disposer d’un émetteur de taille adaptée, d’une paire de bobines et d’un couplage suffisant.
Si la demande de la charge est inférieure à ce que la puissance d’entrée sans fil disponible peut accepter, la tension VIN augmentera. Le LTC3588-1 intègre en entrée un régulateur de protection capable d’absorber jusqu’à 25 mA si la tension VIN atteint 20 V, mais cette fonction peut s’avérer inutile. Lorsque la tension VIN augmente, la tension alternative crête sur la bobine de réception augmente également, ce qui correspond à une baisse du courant alternatif pouvant être délivré au circuit LTC3588-1 et non à sa simple circulation dans le circuit de réception. Si la tension à vide (VOC) de la bobine réceptrice est obtenue avant que la tension VIN atteigne 20 V, le circuit en aval est protégé sans perte de chaleur dans le circuit récepteur.
Résultats des essais : concernant l’application représentée en figure 3 avec un entrefer de 2 mm, le courant de sortie maximum mesuré à 3,3 V est de 30 mA, et la tension VIN sans charge de 9,1 V. Pour un entrefer proche de zéro, le courant de sortie maximum délivrable augmente pour atteindre environ 90 mA, tandis que la tension VIN sans charge ne dépasse pas 16,2 V, soit nettement au-dessous de la tension du régulateur de protection d’entrée (voir figure 4).
Figure 4. Courant de sortie maximum délivrable sous 3,3 V pour diverses distances.
En ce qui concerne les applications sans batterie pour lesquelles une source d’alimentation sans fil est disponible, le circuit LTC3588-1 représente une solution intégrée simple, capable de délivrer une tension régulée à faible courant avec une protection complète en entrée.
Mark Vitunic, design manager, Power by Linear™, Analog Devices
Source : com-trail.fr
