Les convertisseurs de puissances prolongent la durée de vie des batteries des appareils domotiques
De nombreux appareils domestiques sont alimentées par batterie. Il peut s’agir par exemple de capteurs, de commutateurs, de compteurs ou de télécommandes portables. La gestion de la consommation d’énergie de tels appareils est primordiale. Elle garantit l’efficacité de la conversion de puissance afin de prolonger de la durée de vie des piles. Analog Devices Inc. (ADI) explique pourquoi les convertisseurs abaisseurs (buck), élévateurs (boost) et abaisseurs-élévateurs (buck-boost) rendent possible l’utilisation de piles ou de systèmes de récolte d’énergie par de nombreux capteurs et appareils domotiques.
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La recherche de facilité est solidement ancrée dans la nature humaine. Malgré le travail que cette démarche représente, nous nous efforçons de dépenser de l’argent pour nous faciliter la vie. À cet égard, la domotique et les technologies domestiques intelligentes ont beaucoup progressé. Nous voulons que nos maisons nous servent mieux et qu’elles nous offrent toujours plus d’avantages, que ce soit dans le domaine de la détente, du confort, de la sécurité ou de l’environnement.
À titre d’exemple, les systèmes classiques de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), d’alarmes de sécurité, d’arrosage automatique et de divertissements existent déjà depuis longtemps. Mais c’est la possibilité de les commander via Internet qui a apporté une réelle facilité. Qui n’a pas ressorti le manuel d’utilisation pour réinitialiser son système d’arrosage en fonction de la lumière du jour ? Aujourd’hui, une simple application sur notre smartphone permet de tout piloter du bout du doigt, voire de prendre certaines décisions élémentaires de manière automatique.
Concevoir une application pour maison intelligente
En général, des capteurs doivent être installés dans toutes les pièces pour que la maison intelligente puisse voir, entendre et ressentir. Les capteurs classiques détectent la lumière, la température et les mouvements, tandis que des capteurs plus modernes peuvent également reconnaître des images ou disposent d’autres capacités de reconnaissance plus sophistiquées. Ces capteurs peuvent par exemple détecter le nombre de personnes présentes dans une pièce donnée, reconnaître un chat du voisinage qui s’approche de la porte d’entrée ou détecter un cambrioleur qui regarde par la fenêtre.
Pour réduire les coûts et offrir la flexibilité nécessaire, ces dispositifs doivent pouvoir fonctionner sans câbles. Il est alors possible de les déployer facilement à l’intérieur d’une maison et aux endroits les plus stratégiques. Grâce aux technologies de communication sans fil, comme le Wi-Fi ou le Bluetooth®, la transmission des données n’est plus un problème. Toutefois, ces capteurs ont besoin d’énergie et dans de nombreux cas, l’alimentation reste une difficulté. On peut avoir recours à la technique de récolte d’énergie au moyen de cellules photovoltaïques, mais les batteries sont encore très souvent la solution privilégiée. Le plus gros problème à surmonter dans les systèmes domestiques intelligents est la durée de vie des batteries. Pour que les batteries soient pratiques et les cellules photovoltaïques rentables, les capteurs ont besoin d’une alimentation électrique à haut rendement. Le courant de veille et le rendement en fonctionnement à pleine charge jouent tous deux un rôle essentiel dans la conception de tout système domotique.
Alimentation à haut rendement avec convertisseur élévateur et à batterie unique
Un capteur distribué peut être alimenté de manière simple à l’aide d’une pile primaire, c’est-à-dire une pile non rechargeable et jetable. Ces piles présentent un bon compromis entre coût de circuit, composants matériels et coût de possession (coût du remplacement ou de la recharge des piles, ainsi que la main-d’œuvre nécessaire). En règle générale, les piles neuves offrent une tension de 1,5 V. Au fur et à mesure qu’elles se déchargent, leur tension diminue pour atteindre des valeurs inférieures à 0,8 V. Selon leur composition chimique, les piles présentent des courbes de tension différentes pendant leur cycle de décharge. Mais dès que la tension franchit le seuil de 0,8 V, elles ne disposent généralement plus d’énergie utile.
Nombre de circuits électroniques exigent en effet une tension de service supérieure à 0,8 V. Pour que la tension d’alimentation corresponde de façon optimale à la tension de service, il est possible d’employer plusieurs piles montées en série, une méthode qui coûte toutefois plus cher et occupe plus d’espace qu’une seule pile. L’utilisation d’un régulateur élévateur (boost) à haut rendement augmente la tension d’une pile primaire classique comprise entre 0,8 et 1,5 V pour fournir la tension nécessaire pour alimenter un apareil domotique, soit 3,3 V, voire 5 V. La figure 1 représente un petit convertisseur élévateur utilisant le convertisseur de la série MAX18000.
Figure 1. Convertisseur élévateur simple à haut rendement pour pile unique
Ce circuit compact requiert seulement quelques composants externes. Le convertisseur à découpage continu-continu est livré dans un boîtier de 1,07 mm x 1,57 mm. Il est doté de deux transistors 3,6 A internes. Le courant de repos est de seulement 512 nA lorsque la tension de sortie est activée. Le rendement crête est de 95 % et le rendement à faible charge reste au-dessus de 90 % avec un courant dans la charge supérieur à 20 µA. La plage de tension d’entrée est comprise entre 0,5 et 5,5 V, ce qui permet de « booster » des tensions très basses (0,8 V) pour obtenir des tensions système supérieures utiles.
Alimentation à haut rendement avec un convertisseur abaisseur-élévateur
D’autres capteurs fonctionnent avec plusieurs piles ou, éventuellement, une batterie Li-Ion. Les tensions sont alors un peu plus élevées que dans l’exemple précédent. En règle générale, les valeurs se situent autour de 3,7 V dans le cas d’une batterie lithium-ion entièrement chargée. Lorsque les piles se déchargent, une tension de 2,8 V représente le niveau minimum avant que l’énergie stockée soit épuisée. Cette plage de tension (de 2,8 à 3,7 V) requiert un convertisseur abaisseur-élévateur (buck-boost) pour générer une tension nominale de 3,3 V permettant de faire fonctionner les circuits électroniques d’un capteur classique. C’est pourquoi les convertisseurs abaisseurs-élévateurs sont devenus particulièrement populaires avec l’arrivée des batteries Li-Ion.
L’utilisation de trois piles primaires de 1,5 V montées en série nécessite une solution similaire. Elles fournissent 4,5 V à pleine charge, mais seulement 2,4 V lorsqu’elles sont presque déchargées. Là encore, une solution buck-boost est nécessaire pour appliquer au capteur une tension fixe de 3,3 V.
La figure 2 présente une solution buck-boost intégrant un convertisseur abaisseur-élévateur de la série MAX77837. Cette solution requiert peu de composants externes, et la surface nécessaire sur le circuit imprimé est donc extrêmement réduite. De plus, la puce elle-même est livrée dans un boîtier ultra-compact qui occupe une surface de seulement 1,84 mm × 1,03 mm. Il existe également un boîtier QFN de 2,5 mm x 2 mm pour les fabricants de capteurs qui souhaitent utiliser un pas supérieur (distance entre les broches). Pour que la pile dure aussi longtemps que possible, cette solution exige un courant de repos de seulement 430 nA. Lorsqu’il est éteint, le convertisseur ne consomme que 10 nA, ce qui peut s’avérer utile dans les applications où un condensateur de stockage d’énergie est logé à proximité de la pile principale. Le convertisseur continu-continu peut alors rester à l’arrêt pendant un certain temps avant de se réactiver et de recharger le condensateur. Cette configuration permet d’enregistrer des économies d’énergie supplémentaires au fil du temps et de prolonger davantage le temps de fonctionnement avec une pile donnée.
Figure 2. Ce convertisseur abaisseur-élévateur (buck-boost) à haut rendement génère une tension supérieure ou inférieure à la tension d’entrée
Simplifier la conception avec un outil de simulation
Les concepteurs de capteurs alimentés par piles doivent répondre à des questions élémentaires sur les capacités et les limites du circuit d’alimentation électrique. Le calcul et la simulation de circuit sont intéressants à ce stade, car ils permettent de gagner du temps et de réduire le risque de concevoir un système matériel avec un circuit intégré inadapté. Pour bien démarrer, ADI propose l’outil gratuit EE-Sim® Power. Il suffit au concepteur d’indiquer la tension d’entrée, la tension de sortie et le courant nécessaire pour que l’outil calcule un circuit adapté. La figure 3 montre un circuit simulé avec l’outil EE-Sim® Power.
Sur la base de ce calcul et des valeurs de composants externes réels, il est possible de simuler un circuit et de générer les formes d’onde de différents courants et tensions. Il est également possible de simuler des échelons de charge, des boucles en courant alternatif, des transitoires de ligne ou le niveau de rendement.
Figure 3. Conception et simulation de circuit avec l’outil EE-Sim® Power
Du matériel pour démarrer
La théorie et la simulation, c’est important, mais la situation peut être différente avec le matériel réel. En plus des cartes d’évaluation associées aux différents convertisseurs, des systèmes de capteur sont également disponibles, tels que le détecteur de fumée « Multistandard Micropower Verified Smoke Detection System-on-Module » où le circuit MAX77837 et le régulateur ADP162 font fonctionner un détecteur de fumée composé du module optique intégré ADPD188BI pour la détection de fumée, ainsi que du microcontrôleur MAX32660 avec algorithme de détection de fumée et d’incendie, et le capteur de température numérique MAX31875. Tous les fichiers de conception sont téléchargeables ici ; ils facilitent la création de capteurs domotiques de qualité élevée dotés de fonctionnalités nano-puissance. Ce capteur optimisé et vérifié inclut le logiciel nécessaire et démontre les capacités des circuits de gestion de puissance.
Figure 4. Système sur module micro-puissance multistandard de détection de fumée
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