Par Trevor Barcelo
Directeur de ligne de produits – Produits de gestion de batterie
Linear Technology Corporation

Généralités

Le monde des applications d’alimentation portables est large et divers. Les produits vont des capteurs sans fil qui consomment en moyenne quelques microwatts aux chariots médicaux ou aux systèmes d’acquisition de données disposant de packs de batteries de plusieurs centaines de watts-heure. Toutefois, en dépit de cette variété, quelques tendances émergent, les concepteurs continuent à vouloir plus de puissance dans leurs produits pour supporter plus de fonctions et souhaitent charger la batterie avec n’importe quelle source d’énergie disponible. La première tendance nécessite des batteries de plus grande capacité. Malheureusement, les utilisateurs sont souvent impatients et ces plus grandes capacités doivent être chargées dans un temps raisonnable, ce qui conduit à augmenter le courant de charge. La seconde tendance impose une grande souplesse de la solution de charge de la batterie. Chacun de ces problèmes sera examiné en détail.

Plus de puissance

Prenez des appareils de poche – aussi bien grand public qu’industriels. Ils peuvent contenir un modem de téléphone cellulaire, un module WiFi, un module Bluetooth, un grand écran rétro-éclairé… et d’autres encore. L’architecture d’alimentation de beaucoup d’appareils de poche est similaire à celle d’un téléphone mobile. Habituellement, une batterie Li-ion de 3,7 V est utilisée comme source d’alimentation primaire en raison de sa grande densité de puissance massique (Wh/kg) et volumétrique (Wh/m3). Dans le passé, beaucoup d’appareils haute puissance utilisaient une batterie Li-ion de 7,4 V pour réduire l’intensité nécessaire, mais la disponibilité de circuits intégrés de gestion d’alimentation 5 V économiques a poussé les concepteurs d’appareils de poche à utiliser une architecture de plus basse tension. Les tablettes illustrent bien ce point. Une tablette comporte de nombreuses fonctions importantes avec un grand écran (pour un appareil portable). Alimentée par une batterie de 3,7 V, la capacité doit être de plusieurs milliers de milliampères-heure. Pour charger une telle batterie en quelques heures, il faut un courant de charge de plusieurs ampères.
Toutefois, ce courant de charge élevé ne doit pas empêcher les utilisateurs d’utiliser un port USB pour charger leurs appareils si un adaptateur secteur n’est pas disponible. Pour répondre à ces demandes, un chargeur de batterie doit pouvoir charger à courant élevé (>2 A) lorsque une prise de courant est disponible, mais doit aussi utiliser efficacement les 2,5 W à 4,5 W disponibles sur un port USB. De plus, le produit doit protéger les composants basse tension, en aval, des surtensions qui peuvent les endommager et fournir à la charge un courant élevé à partir du secteur, du port USB ou de la batterie tout en minimisant les pertes d’énergie. En même temps, le circuit intégré doit gérer en sécurité l’algorithme de charge de la batterie et superviser les paramètres critiques du système.

Relever les défis d’une alimentation de portables à un seul élément

Bien que les exigences énumérées plus haut semblent impossibles à satisfaire avec un circuit intégré unique, examinez le LTC4155, un gestionnaire PowerPath™ à haut rendement, contrôleur à diode idéale et chargeur de batterie lithium-ion, de forte puissance, commandé par I2C. Il est conçu pour fournir efficacement jusqu’à 3 A à partir d’une variété de sources 5 V, soit plus de 3,5 A disponibles pour la charge de la batterie et l’utilisation du système. Même à ces niveaux élevés de courant, le rendement de 88 à 94 % du LTC4155 facilite la résolution des contraintes thermiques. La topologie de commutation PowerPath du LTC4155 gère harmonieusement la distribution de l’alimentation à partir de deux sources d’entrée comme un adaptateur secteur et un port USB vers la batterie rechargeable lithium-ion de l’appareil tout en alimentant prioritairement le système lorsque la puissance d’entrée est limitée.
Le régulateur à découpage du LTC4155 fonctionne comme un transformateur, permettant au courant de charge sur VOUT de dépasser le courant obtenu sur l’entrée et permet d’améliorer beaucoup l’utilisation de la puissance disponible pour charger la batterie par rapport aux chargeurs habituels en mode linéaire. L’exemple précédent illustre comment le LTC4155 peut charger efficacement jusqu’à 3,5 A, ce qui permet de réduire le temps de charge. A l’encontre des chargeurs de batterie à découpage ordinaires, le LTC4155 présente un fonctionnement immédiat pour garantir une alimentation disponible dès le branchement même avec une batterie vide ou fortement déchargée.
Lorsqu’on charge une batterie à intensité élevée, il est important de superviser la sécurité de la batterie. Le LTC4155 arrête immédiatement la charge si la température de la batterie tombe en dessous de 0° C ou dépasse 40 °C (mesurée à l’aide d’une thermistance à coefficient de température négatif [CTN] externe). Outre cette fonction autonome, le LTC4155 comporte un convertisseur analogique-numérique (CAN) 7 bits à échelle étendue pour superviser la température de la batterie avec une résolution d’environ 1 °C.  Combiné avec les quatre réglages de tension flottante et quinze réglages de courant de charge de la batterie, ce CAN peut être utilisé pour créer des algorithmes de charge personnalisés basés sur la température de la batterie.
Un simple port 2 fils I2C permet l’accès au convertisseur A/N de la CTN, permettant de fixer les réglages de courant et de tension. Le port I2C permet aussi la conformité avec la norme USB en contrôlant 16 réglages de limites de courant d’entrée (comprenant des réglages compatibles avec USB 2.0 et 3.0). Ce bus de communication permet au LTC4155 d’indiquer des informations d’état supplémentaires comme l’état de l’alimentation d’entrée, du chargeur, et un état des pannes. Le support USB On-The-Go fournit une alimentation 5 V au port USB sans composant supplémentaire.
Le multiplexeur prioritaire, à double entrée, du LTC4155 sélectionne de façon autonome l’entrée la plus appropriée, adaptateur secteur ou port USB selon une priorité définie par l’utilisateur (par défaut c’est l’adaptateur secteur). Un circuit de protection contre les surtensions (OVP) protège simultanément les deux entrées de tout dommage provoqué par l’application accidentelle d’une haute tension ou d’une inversion de polarité. Le contrôleur à diode idéale du LTC4155 garantit qu’une puissance suffisante est toujours disponible sur VOUT, même si l’alimentation d’entrée est insuffisante ou absente.
La gestion de deux entrées (par exemple USB et adaptateur secteur) est suffisante pour beaucoup d’applications portables comme les tablettes ou les scanners de codes barre. Toutefois, les concepteurs d’appareils portables continuent à chercher des moyens pour charger la batterie à partir de n’importe quelle source d’énergie disponible.

Circuit d'application typique du LTC4155

Circuit d’application typique du LTC4155

 

Rendement typique du LTC4155

Rendement typique du LTC4155

Sources d’entrée multiples

Les utilisateurs ont plusieurs raisons de vouloir charger les batteries à partir de sources multiples. Certaines applications peuvent devoir être indépendantes du secteur et se tournent vers des panneaux solaires pour fournir l’énergie. D’autres applications doivent pouvoir être chargées avec un adaptateur secteur, une batterie automobile ou une alimentation industrielle ou télécom haute tension. Quelle que soit la raison, ces exigences compliquent sensiblement le système de charge de la batterie. La plupart des chargeurs de batterie utilisent une architecture abaisseuse de tension (à découpage ou linéaire) pour charger une batterie à partir d’une tension d’alimentation supérieure à la tension maximum de la batterie. Les chargeurs existants étaient habituellement limités à des tensions d’entrée d’environ 30 V. Ces limitations empêchent le concepteur d’envisager une alimentation télécom comme alimentation d’entrée valable ou un panneau solaire avec une tension en circuit ouvert de 42 V. Dans certains cas, la plage de tensions des alimentations d’entrée désirées peut être aussi bien inférieure que supérieure à la tension de la batterie. La conception d’une solution relevant ces défis met habituellement en œuvre une compilation d’amplificateurs de mesure de courant de haute précision, des CAN, un microprocesseur pour le contrôle de charge, un convertisseur continu/continu de haute performance et une diode idéale ou un circuit de multiplexage. Linear Technology propose une meilleure solution.

Une solution de charge puissante avec une souplesse inégalée

Le LTC4000 convertit n’importe quelle alimentation continu /continu, à compensation externe, en chargeur de batterie complet avec contrôle PowerPath™. Les topologies de convertisseur continu /continu habituelles qui peuvent être commandées par le LTC4000, sont à mode, sans que ce soit exclusif, abaisseur, élévateur, abaisseur-élévateur, Sepic et flyback. Ce composant comporte une régulation de précision des courants d’entrée et de charge et fonctionne dans une large plage de tensions d’entrée et de sortie de 3 V à 60 V, permettant la compatibilité avec une variété de sources de tension d’entrée, et de batteries chimiques. Les applications typiques sont très larges, en raison de la configuration d’usage général de ce composant et comprennent les systèmes chargeurs de batterie haute puissance, les instruments portables de hautes performances, les systèmes de sauvegarde sur batterie, les appareils industriels sur batterie et les ordinateurs bloc-notes et miniatures.
Le fonctionnement haute tension du LTC4000, ajouté au fait qu’il peut être combiné à différentes topologies de conversion continu/continu, lui permet de créer une puissante solution de charge de batterie avec virtuellement n’importe quelle alimentation d’entrée. Pour garantir que l’énergie de ces entrées va bien à la charge appropriée, le LTC4000 comporte une topologie intelligente PowerPath qui fournit préférentiellement l’énergie au système quand la puissance d’entrée est limitée. Le LTC4000 commande des PFET externes pour assurer une protection à faible perte contre le courant inverse, une charge et une décharge de batterie à faible perte et un fonctionnement instantané pour garantir que l’alimentation du système est disponible dès le branchement, même avec une batterie vide ou fortement déchargée. Des résistances de mesure externe fournissent les informations sur les courants d’entrée et de charge de la batterie, permettant au LTC4000 de fonctionner avec des convertisseurs qui couvrent une plage de puissance de quelques milliwatts à plusieurs kilowatts.
Le contrôleur de charge de batterie polyvalent du LTC4000 convient à une variété de chimies de batteries comprenant lithium-ion/polymère/phosphate, plomb/acide étanche (SLA), et nickel. Ce chargeur de batterie comporte aussi une mesure d’intensité de précision qui permet la mesure des tensions plus basses dans les applications à courant élevé.

Application de chargeur abaisseur 60 V à LTC4000 utilisant un chargeur convertisseur abaisseur 10 A, 48 V à 10,8 V, pour trois éléments LiFePO4

Application de chargeur abaisseur 60 V à LTC4000 utilisant un chargeur convertisseur abaisseur 10 A, 48 V à 10,8 V, pour trois éléments LiFePO4

Conclusion

Le concepteur de produits portables modernes a de nombreux défis à relever, particulièrement quand il s’agit de l’alimentation. Les clients réclament des fonctions qui nécessitent plus de puissance, et par conséquent des batteries plus grosses. Ils veulent en même temps la possibilité de charger ces batteries à partir de n’importe quelle source d’énergie. Alors que ces tendances posent des problèmes de conception, les LTC4155 et LTC4000 facilitent considérablement ce travail. Dans les systèmes basse tension, le LTC4155 fournit efficacement un courant de charge jusqu’à 3,5 A avec de nombreuses fonctions de haute performance. Le LTC4000 crée une solution de charge puissante à partir de virtuellement n’importe quelle entrée, avec une performance et une souplesse inégalées.

Source: zellercom.com