Couverture ElectroniqueS n°127

Un format réduit et des pertes minimales sont des facteurs critiques pour les dispositifs IoT, les wearables en particulier. Un circuit de gestion d'alimentation, doté de trois régulateurs à découpage indépendants et faisant appel à une seule inductance, permet d'obtenir un produit compact, tirant son énergie d'une unique cellule Li+. D ans tous les secteurs, l'Internet des objets (IoT) entraîne une croissance exponentielle de l'acquisition de données. De l'électroménager à l'automobile et au-delà, des objets « intelligents » et autonomes collectent et traitent des données et forment le monde de l'IoT. Dans celui-ci, un objet «intelligent» se définit vaguement comme un nœud qui génère des informations d'une certaine valeur. Cependant, la mise en œuvre du matériel chargé de l'acquisition des données nécessite une conception minutieusement planifiée. Prenons l'exemple d'un dispositif électronique porté sur soi. Pour permettre à ce wearable de fonctionner pendant de longues périodes, il doit être doté d'une gestion d'énergie efficace et présenter un facteur de forme compact. Il s'agit notamment de maximiser la capacité de la batterie disponible et de minimiser la consommation, tout en conservant un très faible encombrement. Étendre l'autonomie de la batterie NORBERTO SÁNCHEZ-DICHI (MAXIM INTEGRATED) Après avoir obtenu ses BSEE et MSEE à l'université d'État polytechnique de Californie (Cal Poly) de San Luis Obispo, Norberto Sánchez-Dichi a rejoint Maxim Integrated en 2016. En qualité de modélisateur pour l'environnement de génération et de simulation de conception EE-Sim, il conçoit des modèles pour les convertisseurs de puissance destinés aux marchés de l'automobile, de l'industrie et de la santé. Les batteries fournissent une alimentation temporaire non régulée aux appareils électroniques portables. Les batteries pri-maires (piles) sont des sources d'énergie à usage unique. Les batteries secondaires offrent en général une densité énergétique deux fois moindre, mais sont rechargeables. Les chimies les plus courantes pour les batteries rechargeables sont le lithium-ion (Li+), avec une tension nominale de près de 3,7V, le LiMn2 O 4 ,leLiCoO 2 (ou LCO), le LiNiO2 ,leLithium Nickel Manganèse oxyde de Cobalt (NCM) et le Lithium Nickel Cobalt oxyde d'Aluminum (NCA). L'une des chimies de batterie rechargeable, le LiFePO4 ,génére une tension nominale d'environ 3,3 V. Pendant qu'elle alimente un appareil, la batterie, qui présente elle-même une résistance interne, fournit un certain courant. Compte tenu de l'intensité qui traverse la charge, la tension disponible aux bornes de la batterie décroît pendant l'utilisation. Plus la charge consomme d'énergie, plus la tension de la batterie et sa capacité effective diminuent. Au fur et à mesure que cette capacité effective décroît, l'autonomie disponible chute elle aussi pour un même courant consommé en aval. La capacité effective de la batterie est également impactée négativement par la température ambiante et les cycles de charge/décharge. Pour ces raisons, la batterie a besoin d'une forme de distribution régulée pour: - assurer la conversion d'énergie pour plusieurs rails de tension, avec le meilleur rendement possible - abaisser la tension d'une batterie complètement chargée, ou augmenter la tension d'une batterie déchargée pour pré-senter une tension c onstan t e à la charge - éviter tout passage sous la tension minimale de coupure-empêcher le dépassement du courant de décharge maximal La tension d'entrée minimale que doit gérer un système de gestion d'énergie est la plus faible tension de batterie permettant au système de fonctionner. Pour maximiser la capacité de la batterie utilisable, l'arborescence d'alimentation doit pouvoir utiliser la tension de batterie la plus basse possible. Notez que les batteries sont spécifiées avec une tension minimale de coupure, en dessous de laquelle la batterie serait trop sollicitée et sa durée de vie diminuerait rapidement. Par conséquent, l'arborescence d'alimentation doit rester opérationnelle jusqu'à la tension minimale de coupure de la batterie, puis doit passer en mode UVLO ( Under Voltage Lock Out , ou verrouillage pour cause de tension insuffisante) en dessous. Maximiser le rendement du système Les wearables IoT légers, dont le facteur de forme est compact, nécessitent géné-ralement des batteries minuscules à durée de vie limitée. Lorsque le rail de tension n'est pas mis à contribution, le système de gestion d'énergie doit être coupé. Pour gérer efficacement les rails de tension de ces dispositifs IoT, un PMIC offre la souplesse voulue pour activer ou désactiver les différents blocs d'alimentation, selon les besoins. Un tel élément permettra surtout à un wearable de fonctionner plus longtemps entre deux charges. Un PMIC qui intègre l'arborescence d'alimentation offre une souplesse de concep-tion en gérant le séquençage, la commutation, la protection, la surveillance et la commande de puissance. Une arborescence d'alimentation intégrée présente l'avantage de garantir un rendement système maximal, par rapport à une arborescence d'alimentation conçue à partir de composants discrets, c'est-à-dire avec des régulateurs distincts de ceux du PMIC. Lorsque l'accès à tous les circuits se fait au niveau de l'arborescence d'alimentation intégrée, les pertes sont réduites parce qu'il n'y a pas de capacitance due à la charge/décharge aux bornes des différents circuits de puissance. Un système de gestion d'énergie assurera la conversion DC-DC de trois manières, avec des différences au niveau de l'encombrement, de la souplesse et du rendement. Si les régulateurs linéaires peuvent être tout intégrés et sont extensibles en tension, ils n'affichent pas un bon rendement. De leur côté, les régulateurs à découpage à condensateurs peuvent être également tout intégrés, tout en offrant un excellent rendement. Malheureusement, ils ne sont pas extensibles en tension. Enfin, les régulateurs à découpage à inductance sont crédités d'un très bon rendement et sont extensibles en tension, mais ne sont pas toujours tout intégrés. En général, les régulateurs à découpage à condensateurs, aussi appelés pompes de charge, ne sont pas standard en raison de l'extension limitée de leur tension de sortie. Par exemple, les pompes de charge sont considérées comme un bon choix pour les pilotes de grille. Néanmoins, pour les wearables, les pompes de charge ne sont pas en mesure de fournir le courant nécessaire sous certaines tensions. C'est pourquoi, pour ces dispositifs, les régulateurs linéaires et à découpage à inductance offrent une gestion d'énergie bien plus souple. Pour maximiser le rendement, un régula-teur buck (abaisseur de tension ou dévolteur) délivre une tension d'entrée constante à un régulateur linéaire. La figure 1 représente un arbre d'alimentation à simple inductance commune pour un dispositif IoT wearable, et ce pour les blocs suivants: retour haptique, affichage, communication sans fil et cœur du microprocesseur. Dans cette implantation typique, la branche qui part de la batterie Li+ va vers le régulateur buck et aboutit au régulateur linéaire LDO 1,85V. Le rendement global est ici de 81,2%. Si le régulateur linéaire LDO 1,85V était connecté directement à la batterie Li+, le rendement serait de 48,7%. Il en résulterait des pertes dix fois supérieures. Cela démontre en outre l'intérêt d'un régulateur buck dans un système alimenté par une batterie. Les deux équations suivantes donnent les pertes énergétiques PL et le rendement pour les régulateurs linéaires uniquement: - pertes énergétiques: P L (V IN - VOUT )xI L - rendement: VOUT /V IN Les deux relations suivantes donnent les mêmes paramètres, mais pour des régulateurs linéaires ou à découpage: - pertes énergétiques: P L PO x(1- )/ - rendement: PO /P I Comme indiqué à la figure 1, le produit des rendements des différents blocs définit le rendement du système, system 69,1%. La somme des pertes énergétiques de chaque bloc définit la perte globale du système, Psystem 56,7mW. Le LDO 3,3V, dont la tension de déchet maximale est de 100 mV, dicte la tension d'entrée minimale pour le système, en l'occurrence 3,4V. L'empreinte du système ( voir figure 2 ) est déterminée par les tailles du boîtier WLP (Wafer Level Package) de 2,72 x2,47mm du PMIC, des condensateurs au format 0402 (0,04”x0,02”, soit 1x0,5mm) et de l'inductance de 2,2 µH en boîtier 0805 (0,08”x0,05”, soit 2x1,25mm). Considérer le facteur de mérite Dans une arborescence d'alimentation, taille minimale et rendement maximal sont plutôt antinomiques, ce qui impose certains compromis. Pour comparer la puissance dissipée et l'empreinte sur la carte de différentes implantations d'arborescences d'alimentation, on considère le facteur de mérite FoM ( Figure of Merit ) suivant: FoMFP xPL où PL correspond aux pertes énergétiques (en Watts) et FP à l'empreinte (en m²) sur la carte. L'arborescence d'alimentation avec le FoM le plus bas correspond à l'implantation présentant les pertes énergétiques PL les plus faibles, associées à la plus petite empreinte FP. L'arborescence d'alimentation idéale aurait un facteur de mérite FoM égal à zéro. Cependant, en pratique, l'empreinte sur le circuit imprimé n'est jamais nulle et des pertes énergétiques sont inévitables du fait de la conversion d'énergie. Le FoM de l'arborescence à inductance simple commune de la figure 1 est de 1,39 x 10 -3 .Par suite, une arborescence d'alimentation présentant à la fois des pertes énergétiques et une empreinte sur la carte moindres, permet d'obtenir une valeur FoM inférieure. Dans l'arborescence d'alimentation de la figure 1, il est possible d'améliorer le ren-dement du système, les pertes énergétiques et la performance thermique, mais au prix de compromis. Le régulateur linéaire LDO 1,2V sera ainsi remplacé par un second régulateur buck embarqué, ce qui aura pour effet de réduire considérablement les pertes énergétiques. Cette politique présente toutefois les inconvénients suivants: - une inductance supplémentaire d'une épaisseur équivalente à cinq feuilles de papier est exigée - le poids du wearable IoT est augmenté de plus de 1g - l'implantation consomme une surface de carte de 8,3% supérieure - une boucle de commutation supplémentaire est créée, ce qui risque de nuire à la performance du système - la tension d'entrée minimale requise par l'arborescence d'alimentation reste la même Si l'on n'abaisse pas la tension d'entrée minimale requise par l'arborescence d'alimentation, on ne peut pas accéder à toute la capacité de la batterie du dispositif IoT wearable. L'arborescence d'alimentation à inductance unique commune de la figure 1, avec une tension d'entrée minimale de 3,3V, majorée de la chute de tension du régulateur linéaire LDO, ne permet pas d'accéder à toute la capacité d'une batterie LiFePO4 avec une tension nominale en circuit ouvert légèrement inférieure à 3,5V. Si les circuits en aval réclament de brèves rafales d'énergie, l'arborescence d'alimentation à simple inductance commune risque de se verrouiller (mode UVLO), s'il n'y a pas assez de marge entre la tension de charge de la batterie LiFePO4 et la tension d'entrée minimale requise par l'arborescence d'alimentation pour fonctionner. Ce dilemme classique peut être résolu grâce à une topologie SIMO ( Single Inductor Multiple Output , ou simple inductance sorties multiples) pour abaisser autant que possible le facteur de mérite FoM et la tension d'entrée minimale requise. Réduire pertes et empreinte avec un PMIC SIMO Pour obtenir un rendement élevé et de bonnes performances thermiques, il est tentant d'éviter le recours à des régulateurs linéaires en raison de la présence d'un transistor série toujours passant dans la boucle de régulation. Mais ensuite, il faut tenir compte des contraintes de place sur le circuit imprimé du dispositif wea-rable. Dans ces conditions, un régulateur linéaire est sûrement la meilleure option et offre l'avantage supplémentaire de fournir une tension d'alimentation “propre”, telle que demandée par les produits électroniques sensibles au bruit. À cet égard, nous citerons les oxymètres de pouls, les prothèses auditives ou les frontaux analogiques à biopotentiel. Ces compromis au niveau de la conception sont inévitables. En réalité, ce genre de situation est l'occasion de concevoir une arborescence d'alimentation offrant un bon rendement et un faible facteur de mérite. Une arborescence d'alimentation, capable de fonctionner depuis la tension nominale maximale de la batterie jusqu'à sa tension minimale de coupure, nécessite un régulateur DC-DC générant une tension constante quelle que soit la tension d'en-trée. Un régulateur buck-boost (dévolteursurvolteur) non-inverseur offre cette fonc-tionnalité. Avec ce type de régulateur, on p e u t aussi b i e n réduire la tension d'une batterie neuve ou fraîchement rechargée, qu'augmenter la tension d'une batterie faible. Ainsi, la batterie sera apte à alimenter le dispositif sur toute sa plage de tension, en maximisant le temps de fonctionnement en fonction du courant consommé. L'adoption d'une topologie buck-boost comme pré-régulateur améliore le régulateur linéaire en cascade. De cette façon, si la tension de la batterie s'approche de la tension minimale de coupure, le régulateur linéaire voit une alimentation à tension constante provenant du régulateur buck-boost. Un pré-régulateur buck-boost procure la possibilité de configurer une tension d'entrée pour le régulateur linéaire à une valeur juste au-dessus de la tension de dropout (c'est-à-dire la chute de tension aux bornes du régulateur LDO), pour abaisser les pertes et améliorer le rendement. Avec une marge de sécurité de quelques pourcents au-dessus de la tension de dropout , il est envisageable d'encaisser une charge transitoire importante, tout en maintenant la tension d'entrée du régulateur linéaire au-dessus de la valeur UVLO qui provoquerait le verrouillage du régulateur. Une arborescence d'alimentation qui présente le FoM le plus bas possible a les qualités suivantes: - un PMIC très intégré doté de fonctions de contrôle et de protection, ainsi que de fonctions spécifiques à la topologie, le tout dans un seul boîtier - une inductance unique partagée entre plusieurs sorties buck-boost indépendantes, ainsi qu'un algorithme de contrôle de la commutation, capable de maintenir toutes les sorties dans un régime de régulation, tout en partageant un même composant magnétique. La modulation PFM ( Pulse Frequency Modulation , ou modulation d'impulsions en fréquence) fournit chaque rail de sortie avant que la tension ne commence àsor-tir du régime de régulation - un faible courant de repos Iq Un PMIC SIMO réduit les pertes énergétiques ainsi que l'empreinte sur la carte, ce que montre la figure 3. Le produit des rendements des différents blocs définit le rendement global du système, system 78,5 %. La somme des pertes de chaque bloc de puissance définit la perte de puissance du système qui est Psystem loss 35,5mW. La logique interne du MAX77650/1 impose la tension d'entrée minimale requise par le système, soit 2,7V. L'empreinte réelle du système FP est déterminée par les tailles du boîtier WLP du MAX77650/1 (2,75 x2,15 mm), du condensateur CBST 0201 (0,3x0,6mm), des condensateurs 0402 et de l'inductance de 2,2µH au format 0805 ( voir figure 4 ). Une topologie SIMO résout le problème de l'empreinte sur la carte grâce au partage d'une inductance unique entre les multiples sorties buck-boost indépendantes. Avec une empreinte sur la carte à peu près égale à 10 têtes d'épingle, le MAX77650/1 est d'implantation simple, avec une faible capacitance des broches qui, sinon, dissiperaient de l'énergie pendant la décharge. Une arborescence d'alimentation intégrée permet aussi le partage des condensateurs de découplage en raison de la proximité des broches de sortie du boîtier. C'est le cas des broches SYS et IN_SBB d'un côté, des broches IN_LDO et SBBO de l'autre. Partager les condensateurs de découplage lorsque c'est possible, et réduire la valeur de ces condensateurs pour les rails de tension en mode basse puissance ou à l'arrêt, se traduit souvent par davantage de puissance pour les fonctions standards de l'appareil. Grâce à l'intégration de trois sorties indépendantes associées à une même inductance, la topologie buck-boost à pont en H du MAX77650/1 fournit l'arborescence d'alimentation SIMO telle que présentée à la figure 3, avec un facteur de mérite de 0,682x10 -3 .Cette valeur est quasiment de moitié inférieure à celle d'une arborescence d'alimentation à inductance simple commune ( voir tableau ci-dessus ). De plus, en passant en mode PFM en présence de faibles charges, le SIMO ne fournit de l'énergie en sortie que lorsque c'est nécessaire afin de conserver un bon rendement. Si les différents blocs d'un appareil passent souvent en mode faible consommation ou en mode veille, alors la modulation PFM devient nécessaire. Grâce à cette approche, les sorties qui en ont besoin reçoivent un cycle de charge, tandis que les autres sont ignorées. La modulation PFM limite les pertes énergétiques en réduisant les pertes de commutation lorsque la charge diminue. n

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