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Techniques

Mise en fonctionnement et protection des circuits électroniques

Par Pinkesh Sachdev, Ingénieur marketing produit, Analog Devices

Publication: 17 juillet

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Pour un ingénieur spécialisé dans les systèmes d’alimentation, les dispositifs électroniques alimentés par batterie posent de multiples difficultés...
 

A lire dans le N°116 d’Electronique Mag http://www.electronique-mag.net/pag...

En théorie, les circuits relatifs aux batteries (avant conversion CC/CC) se répartissent en quatre fonctions : sélection de l’alimentation, charge (pour les batteries rechargeables), contrôle et protection. La sélection de l’alimentation consiste à hiérarchiser les différentes sources possibles, en général, dans un système alimenté par batteries, par exemple un adaptateur mural, un port USB et une batterie interne, ce qui implique que le circuit de charge doit être personnalisé en fonction du procédé chimique spécifique à la batterie. Le circuit de contrôle renvoie des informations sur l’état de la batterie (tension, charge, température) et assure un fonctionnement fiabilisé grâce à l’utilisation conjointe d’un circuit de protection. Cet article est destiné à explorer les caractéristiques et les avantages d’un nouveau dispositif de protection de batterie pour microalimentation, idéalement adapté aux applications de batterie pour l’automobile, le médical ou les produits grand public.

Éléments à prendre en compte pour la conception d’une alimentation par batterie

Au-delà des risques d’incendie ou d’explosion, les problèmes de batterie les plus simples peuvent ternir la réputation d’un produit. Il est donc nécessaire d’accorder une attention particulière à la conception des fonctionnalités de sécurité. Une batterie est caractérisée par des courants de charge et de décharge spécifiques ; en cas de dépassement de ces niveaux, la batterie chauffe, ce qui conduit au mieux à une réduction de sa durée de vie, et au pire à une explosion. Il est possible d’assurer une protection contre les surintensités par des fusibles. Cependant, ils sont encombrants, réagissent lentement et se caractérisent par des tolérances importantes concernant le seuil de déclenchement (Figure 1). Pour éviter tout dommage irréparable, il est nécessaire de déconnecter les batteries rechargeables avant de procéder à une décharge complète. Pour une cellule Li-Ion 3,7 V, ce niveau est d’environ 2,5 V. Un circuit de verrouillage à minimum de tension (UVLO) est nécessaire pour déconnecter la batterie de la charge. Il est possible de le réaliser avec un comparateur, une tension de référence et un interrupteur à semi-conducteurs. Il n’est pas nécessaire de disposer d’une pompe de charge pour activer un interrupteur côté positif MOSFET à canal P, en abaissant l’intensité du courant de batterie, mais le choix des MOSFET à canal P est plus limité et ils sont plus coûteux que les MOSFET à canal N pour une résistance identique à l’état passant. À l’inverse, si la ligne de masse est flottante, il sera possible d’utiliser un interrupteur côté négatif MOSFET à canal N, plus efficace. Le seuil de tension minimum doit bénéficier d’une hystérésis suffisante, faute de quoi le circuit UVLO va entrer en oscillation « off-on-off » puisque la tension de batterie va remonter après désactivation de la charge.

Après la protection de la batterie, vient celle de la charge. Les dispositifs de suppression de tensions transitoires assurent la protection contre les surtensions fugitives comme les suroscillations, les pics d’intensité ou de tension, mais aussi contre les risques d’incendie en cas de surtension prolongée ou de tension continue excessive (OV). Un autre comparateur est donc nécessaire pour protéger la charge contre les surtensions en entrée. En cas d’insertion erronée d’une batterie avec inversion des polarités, il est possible que la charge soit endommagée si elle ne peut pas accepter de tension négative. Une diode en série est donc utilisée pour bloquer cette tension. Cependant, en polarisation directe, cette diode absorbe de l’énergie et entraîne une chute de tension significative.

Comme l’indique le schéma ci-après, un certain nombre de composants discrets et de circuits sont nécessaires pour mettre en oeuvre une protection complète des systèmes alimentés par batterie. Parallèlement, la consommation de courant de repos de ces circuits doit être maintenue au minimum pour ne pas réduire les temps de fonctionnement et de veille de la batterie. À titre d’exemple, le bilan de la consommation électrique en veille d’un module électronique embarqué dans une automobile est inférieur à 100 μA pour éviter la décharge de la batterie lorsque le véhicule est à l’arrêt pendant quelques semaines. Il est également possible d’utiliser un relais pour déconnecter de la batterie les circuits générant de fortes intensités. Les relais sont également utilisés pour connecter et déconnecter une charge, mais ils sont encombrants et empêchent la réduction du format des circuits. Il est donc nécessaire de proposer une méthode de protection plus simple et efficace.

Contrôle et protection d’une alimentation par batterie à faible courant de repos

Le circuit LTC4231 est un contrôleur à très faible courant de repos (IQ) permettant une insertion et un retrait en cours de fonctionnement de la carte ou de la batterie pour des tensions comprises entre 2,7 V et 36 V (Figure 2). La gamme de tensions de fonctionnement de 2,7 V à 36 V convient à une large gamme de batteries de différentes caractéristiques chimiques, notamment les éléments au plomb ou Li-ion, et les batteries NiMH, NiCad ou alcalines à plusieurs éléments.

Figure 2. Le contrôleur et coupe-circuit LTC4231, activable en cours de fonctionnement, ne consomme que 4 μA de courant de repos. Une solution idéale pour les systèmes alimentés par batterie

Le circuit LTC4231 contrôle un MOSFET canal N externe à faible perte pour gérer la mise sous tension progressive des condensateurs de la carte, ce qui permet d’éviter les claquages, la détérioration des connecteurs et les dysfonctionnements du système. Le contrôleur permet d’adapter l’intensité du courant de démarrage progressif ou d’appel grâce à un ensemble résistif-capacitif connecté à la grille du MOSFET. En fonctionnement normal (transistors MOSFET à l’état passant), la protection à double niveau contre les surintensités est effectuée par un coupe-circuit temporisé et un limiteur de courant rapide. Pour les surcharges mineures, un temporisateur de défaut est activé. À la fin de la temporisation, les transistors MOSFET sont ouverts pour déconnecter la charge. En cas de surcharge lourde ou de court-circuit en sortie, le temporisateur de défaut est activé et le courant de sortie est limité à 60% au-dessus du seuil du coupe-circuit. Selon l’option choisie, le circuit LTC4231 reste désactivé après le défaut de surintensité ou est activé automatiquement après une période de refroidissement de 500 ms.

La protection contre les surtensions déconnecte les batteries dont la tension est insuffisante pour éviter une décharge complète et l’hystérésis ajustable permet d’éviter les oscillations liées à la remontée de la tension de batterie après la déconnexion de la charge. La surtension d’entrée déconnecte la charge, ce qui permet d’éviter toute détérioration. Le circuit LTC4231 reste ainsi pleinement fonctionnel et protège également les circuits aval contre toute inversion des polarités, jusqu’à - 40 V, en commandant les transistors MOSFET canal N dos-àdos (Figure 3). Un seul transistor MOSFET suffit si la protection de l’entrée contre la polarisation inverse est inutile.

Figure 3. En cas d’insertion d’une batterie avec inversion des polarités, par exemple - 24 V sur l’entrée IN, le contrôleur LTC4231 protège la charge en bloquant la propagation de la tension négative vers la sortie (OUT). Les transistors MOSFET dos-à-dos (représentés sur la Figure 2) sont nécessaires pour assurer la protection de l’entrée contre l’inversion des polarités.

Même avec l’ensemble de ces fonctionnalités, le courant de repos du circuit atteint à peine 4 μA en fonctionnement normal. Lorsque le mode Arrêt du circuit LTC4231 est activé, le courant IQ passe à 0,3 ìA et désactive les transistors MOSFET à canal N externes pour déconnecter les circuits aval, ce qui prolonge le temps de fonctionnement de la batterie en mode Veille. Pour assurer un fonctionnement à courant minimal, les diviseurs résistifs de définition des tensions minimale (sous-tension) et maximale (surtension) sont reliés à la masse par échantillonnage périodique, ce qui divise par 50 leur consommation de courant moyenne.

Techniques pour réduire le courant de repos

Le circuit LTC4231 utilise deux techniques innovantes pour réduire la consommation de courant en fonctionnement normal tout en assurant une protection tout à fait inégalée par rapport à d’autres contrôleurs énergivores. Pour activer les transistors MOSFET à canal N externes et réduire leur résistance à l’état passant, le contrôleur LTC4231 utilise une pompe de charge interne afin de générer une tension de grille d’au moins 10 V audessus de la tension d’entrée. Pour d’autres contrôleurs, la pompe de charge fonctionne en permanence, même lorsque les grilles sont activées, conduisant pour l’essentiel à un état de repos, mais avec une contribution significative au courant de repos. En revanche, le circuit LTC4231 désactive la pompe de charge dès que la grille du transistor MOSFET atteint sa tension crête. Si la tension de grille chute sous l’effet d’une fuite, la pompe de charge est activée pour générer une impulsion de charge, actualisant ainsi la tension de grille. Cette situation est illustrée par la Figure 4, par exemple pour des intensités de fuite de 0,1 μA et 1 μA au niveau de la grille. Cette technique permet de diviser par 50 à 100 le courant de la pompe de charge, avec une intensité de 200 μA lorsqu’elle est active, mais seulement 2 μA en mode Veille.

La deuxième technique pour réduire le courant de repos du circuit LTC4231 consiste à échantillonner la tension d’entrée toutes les 10 ms pour déterminer si elle a atteint le seuil de tension minimale (sous-tension) ou maximale (surtension). Une connexion de masse échantillonnée (GNDSW) est prévue pour le diviseur résistif appliqué à la tension d’entrée externe (Figure 5). L’échantillonnage périodique permet de diviser par 50 le courant absorbé par le diviseur résistif. Ce facteur de 50 est obtenu en divisant la période d’échantillonnage (10 ms) par la durée de la fenêtre d’échantillonnage (200 μs). Les comparateurs chargés de contrôler les broches UVL, UVH et OV sont activés pendant la fenêtre d’échantillonnage, ce qui divise également par 50 le courant absorbé moyen. Une période d’échantillonnage de 10 ms fonctionne bien pour les batteries puisque leur tension n’évolue que lentement au fil du temps. Cependant, en situation de minimum (sous-tension) ou de maximum de tension (surtension) au démarrage, le contrôleur LTC4231 bloque les transistors MOSFET pour empêcher la tension située hors de cet intervalle de se propager jusqu’à la charge.

Conclusion

La plupart des nouvelles applications électroniques capteurs sans fil, moniteurs d’activité physique, lunettes à réalité augmentée, drones, robots sont alimentées par batteries pour des raisons de fonctionnalité, de portabilité et de commodité. Les batteries possédant une forte densité énergétique, notamment les modèles Li-Ion, ont mis publiquement en évidence les problèmes de sécurité. D’où l’intérêt du contrôleur LTC4231, qui apporte une solution de microalimentation simple, compacte et renforcée, avec la possibilité d’une mise en service en cours de fonctionnement et d’une protection des batteries. Particulièrement destiné aux applications basse consommation, le contrôleur permet de protéger le système des décharges complètes, des surcharges en sortie, des courts-circuits, des surtensions et de l’inversion des polarités de la batterie.

Figure 5 : La tension d’entrée fait l’objet d’un contrôle toutes les 10 ms dans une fenêtre de 200 μs (rapport cyclique 2%) pour diviser par 50 le courant absorbé par le contrôle des tensions (UV/OV). Pendant la fenêtre d’échantillonnage, le point GNDSW est relié à la masse (GND) par un interrupteur interne d’une résistance de 80 Ω.

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