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Introduction

Dans l’univers de l’Internet des objets (IdO), les défis ne manquent pas, et les nœuds de capteurs qui peuvent être situés en de multiples endroits figurent parmi les plus techniques. Ces capteurs ont pour rôle de mesurer des paramètres tels que la température et l’humidité (dans les foyers connectés), les contraintes mécaniques des ponts autoroutiers (surveillance de la maintenance en temps réel) ou la consommation de gaz ou d’eau (télérelevé intelligent du débit). Les données sont collectées et traitées par des serveurs, et une zone de couverture étendue est indispensable pour constituer un solide réseau capable de les recueillir avec fiabilité. La transmission de ces données en mode sans fil entre les capteurs et le système hôte centralisé représente une technologie cruciale pour ce type d’infrastructure.

Pour réaliser un réseau aussi vaste, un autre aspect entre en ligne de compte : le nœud de capteurs doit afficher d’un bout à l’autre une très grande autonomie opérationnelle. Plus la durée de vie est longue, plus le coût de la maintenance sera bas. Grâce à l’optimisation de la consommation des microcontrôleurs et à l’utilisation de batteries telles que les éléments primaires au lithium-chlorure de thionyle (LiSOCl2), ces processeurs peuvent fonctionner pendant 10 ans, voire plus !

Jusqu’à présent, la transmission par radiofréquences (RF) n’était guère utilisée pour transférer sur de longues distances les données collectées par les capteurs. Ce mode de transmission sans fil ajoute un niveau de complexité supplémentaire à la problématique de consommation du système. En effet, un nœud de capteurs sans fil doit consommer le moins d’énergie possible en moyenne, tout étant capable d’afficher des courants de pointe élevés lorsque des données sont transmises.

Du point de vue de la consommation d’énergie, cette situation implique une combinaison des courants de repos les plus bas dans le système de capteurs et d’une importante tenue en puissance élevée au niveau de l’amplificateur de puissance. Une telle exigence constitue un défi de taille au moment de choisir des appareils, sans oublier l’architecture de puissance proprement dite.

Faible courant de repos et longue durée de vie

Pour que les capteurs intelligents (connectés à l’Internet des objets) deviennent une réalité, leur exploitation doit être rentable. Une fois installé et activé, un capteur doit fonctionner le plus longtemps possible en maximisant l’intervalle entre deux interventions de maintenance afin d’abaisser les coûts. Ce qui signifie, d’une part, que les matériaux et composants choisis doivent être durables et, d’autre part, que les circuits internes doivent afficher une consommation de courant aussi basse que possible et fonctionner plus longtemps en recevant de la part de la batterie une quantité d’énergie donnée. Actuellement, ces applications utilisent des batteries primaires spécifiques. Des chimies telles que le lithium-chlorure de thionyle (LiSOCl2) dont la densité d’énergie est très élevée — c’est-à-dire supérieure à 1 Wh/cm³ — sont largement disponibles sur le marché. Ces éléments primaires assurent un taux d’autodécharge très faible — une autre caractéristique qu’il convient de prendre en compte —, ce qui en fait un choix très intéressant pour les concepteurs d’applications nécessitant une longue durée de vie.

Pour tirer pleinement parti de ces paramètres, le courant de batterie doit être limité à moins de 5 mA. Des courants plus élevés augmentent en effet le taux d’autodécharge, ce qui réduit la durée de vie des éléments. De plus, des courants supérieurs provoquent une baisse de la tension aux bornes [de la batterie ??] en raison de l’impédance interne. Outre la batterie, les composants consommateurs d’énergie et l’architecture de puissance doivent être optimisés afin de minimiser les courants de fuite.

Des microcontrôleurs ultra-basse consommation proposés sous forme de système sur puce (SoC) disposent de plusieurs modes opérationnels permettant de diminuer la consommation de courant. À ce titre, le circuit CC430F5147 de TI est l’un des systèmes sur puce les plus couramment utilisés. Il prolonge la durée de vie des applications grâce à son mode « veille » (standby) qui permet au produit de consommer environ 2 µA lorsqu’il est directement connecté à la batterie. La Figure 1 illustre le courant d’alimentation en mode basse consommation (LPM3). La consommation de courant est fonction de la tension d’alimentation (courbe verte). La consommation de courant diminue encore lorsque des systèmes sur puce sont associés à un convertisseur « buck » ultra-basse consommation pour diminuer la tension d’alimentation. Exemple de convertisseur-abaisseur de type « buck », le TPS62740 consomme un courant de repos IQ de seulement 360 nA.

La courbe bleue représente le courant consommé par l’application une fois que la tension d’alimentation a été abaissée à 2,1 V. Plus la tension de batterie est élevée, plus les économies d’énergie obtenues en abaissant la tension seront importantes. Sous une tension typique de 3,6 V aux bornes de la batterie LiSOCl2, la consommation globale de courant diminue de 30 % par rapport à une connexion directe à la batterie.

Puissance de crête et transmission sans fil

Mis à part les questions liées au courant de repos IQ, le capteur doit transmettre les données recueillies et traitées à une station de base, par exemple un concentrateur de données local, ce qui est souvent le cas avec les compteurs de gaz intelligents installés dans les immeubles. Outre le bus de mesure sans fil (Wireless M-Bus), il peut également s’agir de l’infrastructure mobiles GSM utilisée par les nœuds de capteurs installés sur les ponts autoroutiers.

Généralement, la collecte et le traitement de données ont lieu tout au long de la journée, tandis que les données collectées sont transmises plusieurs fois par jour. Du point de vue de la consommation d’énergie, ceci signifie qu’une consommation de courant moyenne peu élevée — de l’ordre de quelques micro-ampères — est généralement nécessaire, épisodiquement assortie de courants plus élevés pendant plusieurs millisecondes.

La quantité d’énergie requise pour transmettre les données dépend de la distance et, par conséquent, du protocole RF employé. Les normes les plus couramment utilisées sont les standards Wireless M-Bus et GSM. La table 1 ci-dessous compare les trois protocoles les plus courants. Chaque standard se caractérise par un niveau d’amplification de puissance radio typique ainsi que le niveau de courant nécessaire pendant la durée de la transmission.

Dans certains cas, des courants pouvant atteindre 2,5 A sont requis par l’amplificateur radio. Une telle intensité ne peut être délivrée par les batteries décrites précédemment. Il convient d’éviter les courants de plus de 5 mA afin de ne pas raccourcir la durée de vie des batteries LiSOCl2 de type « bobine ».

Mise en tampon de l’énergie

Pour permettre le fonctionnement en charge pulsée comme décrit ci-dessus, de nouveaux concepts de gestion de la consommation doivent être pris en compte. Dans la mesure où la batterie ne peut délivrer le courant nécessaire, l’énergie requise doit être stockée lorsque la radio est inactive, avant d’être utilisée lorsque la radio est activée. Pour ce faire, un nouveau concept doit être envisagé afin de mettre l’énergie en « tampon » et découpler les pics de charge de la batterie. En raison de leur capacité élevée et de leur haute densité d’énergie, les condensateurs de stockage représentent un excellent moyen de mettre l’énergie en tampon.

Avec une alimentation à découpage (SMPS), un condensateur peut être efficacement chargé sous une tension différente de celle de la batterie. Il est possible d’effectuer cette opération à un niveau de courant limité, ce qui définit ensuite le courant de charge de la batterie. Une fois l’énergie stockée dans un condensateur, la tension est convertie à la valeur désirée : par exemple 1,9 V pour le microcontrôleur, ou 3,7 V pour l’amplificateur de puissance radio. Cette conversion « sépare » l’énergie du condensateur tampon et découple la charge de la batterie (Figure 2).

Avec une architecture mise en tampon avec SMPS, deux concepts de base s’appliquent pour stocker l’énergie :

1. Boost-stockage-buck

2. Buck-stockage-boost

Le premier concept élève la tension de la batterie à une valeur supérieure et charge un condensateur. La tension est ensuite abaissée aux valeurs souhaitées pour le système sur puce ou l’amplificateur. Ce concept utilise des valeurs de condensateurs inférieures car l’énergie stockée est proportionnelle au carré de la tension du condensateur. Plus la tension est élevée, plus la quantité d’énergie stockée dans le même condensateur sera importante. Une fois que l’énergie est stockée dans le condensateur, la tension est abaissée à la valeur souhaitée. L’énergie nécessaire à la transmission de données est extraite du condensateur, et ainsi découplée de la batterie.

La deuxième architecture utilise un convertisseur de tension de type « buck » qui est directement connecté à la batterie. La tension est abaissée pour charger un condensateur de stockage. Ici, la valeur de la capacité de stockage doit être plus élevée, étant donné que la tension est inférieure. Cependant, cette technique permet d’utiliser des condensateurs à double couche électrique (EDLC), qui sont largement disponibles avec une capacité de plusieurs farads. Après le condensateur de stockage, la tension est élevée jusqu’à la valeur désirée (Figure 3).

Figure 3 : Schéma d’alimentation d’un nœud de capteurs sans fil, avec mise en tampon de type « buck-stockage-boost » Outre une capacité disponible plus élevée, ce concept présente trois avantages :
 En raison de la tension inférieure du condensateur de stockage, les paramètres de sécurité sont moins stricts qu’avec un condensateur chargé sous une tension supérieure.
 La tension déjà abaissée peut être utilisée pour alimenter directement le microcontrôleur, ce qui réduit la consommation de courant globale, une seule alimentation à découpage étant active en permanence.
 La tension moins élevée permet d’utiliser des condensateurs de type EDLC qui sont disponibles avec des valeurs de capacité élevées. En utilisant un concept « buck-stockage-boost » dans un capteur sans fil (Figure 3), la tension des condensateurs EDLC la plus basse est définie par la tension d’alimentation minimale requise par le microcontrôleur. L’énergie est ensuite mise en tampon en chargeant le condensateur à sa tension maximale de 2,7 V juste avant la transmission par liaison radio. Cette technique permet de maintenir la tension d’alimentation moyenne à proximité de la tension minimale, soit environ 1,9 V. Au cours de la transmission radio, le condensateur EDLC est déchargé à la tension minimale définie. La conception de référence PMP9753 de Texas Instruments est un exemple de ce concept.

Conclusion

L’utilisation de composants à courant de repos minimum associés à une puissance élevée représente un défi pour les architectures de puissance. Le concept de mise en tampon de l’énergie de type « buck-stockage-boost » permet de découpler les pics de charge en stockant l’énergie nécessaire dans un condensateur à double couche électrique (EDLC). Par ailleurs, la consommation d’énergie globale est réduite grâce à la tension d’alimentation inférieure du microcontrôleur. Les problèmes de sécurité sont minorés, étant donné que le condensateur de stockage fonctionne sous une tension moins forte. En associant la mise en tampon de l’énergie dans un condensateur de stockage et une consommation de courant globale réduite, ce concept prolonge la durée de vie des applications. Références

 Topologie de référence de la mise en tampon de l’énergie : http://www.ti.com/tool/pmp9753
 Convertisseur-abaisseur à faible courant de repos IQ : http://www.ti.com/product/tps62740
 Microprocesseur avec cœur RF : http://www.ti.com/product/cc430f5147