Par Trevor Barcelo
Directeur de conception, Produits de gestion de batteries
Linear Technology
Les batteries sont utilisées pour alimenter de nombreuses applications différentes dans diverses industries. Dans beaucoup de ces applications, il est difficile ou impossible d’utiliser un connecteur de charge. Par exemple, certains produits exigent des boîtiers étanches pour protéger l’électronique sensible des environnements sévères et pour faciliter le nettoyage et/ou la stérilisation. D’autres produits sont simplement trop petits pour comporter un connecteur, et dans les produits où l’application alimentée par batterie comporte un mouvement ou une rotation, on doit oublier la charge avec des fils. La charge sans fil apporte de la valeur, de la fiabilité et de la robustesse à ces applications et à bien d’autres.
Vue générale d’un système d’alimentation sans fil
Comme on le voit en figure 1, un système d’alimentation sans fil est constitué de deux parties séparées par un vide : un circuit émetteur, comportant un bobinage d’émission, et un circuit récepteur, comportant un bobinage de réception. Le circuit émetteur génère un champ magnétique alternatif de haute fréquence autour du bobinage d’émission. Ce champ magnétique est couplé au bobinage de réception et converti en énergie électrique qui peut être utilisée pour charger une batterie ou alimenter d’autres circuits.
Lors de la conception d’un système de charge sans fil, le paramètre essentiel est la quantité d’énergie de charge qui est réellement apportée à la batterie. Cette énergie reçue dépend de nombreux facteurs, comme la quantité d’énergie émise, la distance et l’alignement entre le bobinage d’émission et le bobinage de réception (c’est-à-dire le couplage entre les bobinages) et enfin la tolérance des composants d’émission et de réception.
L’objectif principal de toute conception d’alimentation sans fil est de garantir la fourniture de la puissance nécessaire dans les conditions de transmission d’énergie les plus défavorables. Il est toutefois aussi important d’éviter tout stress thermique et électrique dans le récepteur lors des conditions les plus favorables. Ceci est particulièrement important lorsque la demande de puissance de sortie est faible ; par exemple lorsque la batterie est complètement chargée ou presque. Dans un tel scénario, la puissance disponible à partir du système sans fil est élevée, mais la demande de puissance est faible. Cette puissance excédentaire conduit habituellement à des tensions redressées élevées ou à la nécessité de dissiper cette puissance excédentaire sous forme de chaleur.
Il y a plusieurs moyens de traiter la puissance excédentaire lorsque la demande la puissance nécessaire au récepteur est faible. La tension redressée peut être limitée par une diode Zener ou un composant Transzorb. Toutefois, cette solution est habituellement encombrante et génère un échauffement considérable. En supposant que le récepteur ne fournisse aucun retour, il est possible de réduire la puissance maximum émise, mais cela va aussi limiter la puissance maximum reçue ou réduire la distance d’émission. Il est aussi possible de communiquer la puissance reçue à l’émetteur et d’ajuster en temps réel, la puissance transmise en fonction de cette information. C’est la technique utilisée par les normes de transmission d’énergie sans fil comme la norme Qi du Wireless Power Consortium. Toutefois, il est aussi possible de résoudre ce problème d’une façon compacte et efficace sans faire appel à des techniques de communication numériques complexes.
Pour gérer efficacement le transfert d’énergie de l’émetteur au récepteur en toute circonstance, le récepteur d’énergie sans fil LTC4120 intègre une technologie brevetée de PowerbyProxi, un partenaire de Linear Technology. Le contrôle d’harmonisation dynamique DHC (Dynamic Harmonization Control) breveté de PowerbyProxi permet une charge sans contact, à rendement élevé, sans problèmes de stress thermique ou électrique dans le récepteur. En utilisant cette technologie, on peut envoyer jusqu’à 2 W à une distance de 1,2 cm.
En modulant la fréquence de résonance du récepteur à partir d’un état « accordé » à un état « non accordé », le DHC garantit la fourniture de puissance dans les conditions les plus défavorables, sans avoir à se préoccuper des conditions dans le cas le plus favorable. Ceci permet au système de charge utilisant un LTC4120 de fonctionner dans une large plage de distances de transmission même avec un alignement médiocre des bobinages. De plus, en contrôlant le transfert d’énergie uniquement du côté récepteur, le système utilisant un LTC4120 élimine tout problème d’interférences dans les communications qui pourrait interrompre la fourniture de la puissance.
Performance du système
Alors, comment cela fonctionne-t-il ? La figure 2 montre la quantité d’énergie de charge de batterie, reçue par un récepteur d’alimentation sans fil LT4120 lorsque l’écart et l’alignement entre le bobinage d’émission et le bobinage de réception varient. Avec un écart de 10 mm, une puissance de charge de 2 W est disponible et le désalignement des bobinages peut être significatif sans réduction sensible de la puissance disponible. Bien que différents émetteurs d’énergie sans fil soient disponibles, les données de la figure 2 ont été générées en utilisant un émetteur continu/alternatif de base. Cet émetteur de base est une conception de référence disponible en open source. Des détails supplémentaires sur cet émetteur push-pull alimenté en courant peuvent être obtenus dans une note d’application sur le site Web de Linear Technology.
Lors du choix d’un émetteur, plusieurs facteurs doivent être considérés. Est-ce que la puissance de veille de l’émetteur (quand un récepteur n’est pas présent) est importante ? Est-ce que l’émetteur doit faire la différence entre un récepteur valide et un objet métallique étranger ? Quelle est la sensibilité des circuits environnants aux interférences électromagnétiques ?
L’émetteur de base est une solution très simple et économique. Grâce à un filtrage résonant passif, le spectre d’interférences électromagnétiques est très bien contrôlé à la fréquence fondamentale de l’émetteur (environ 130 kHz). Toutefois, il émet à pleine puissance que le récepteur utilisant un LTC4120 soit présent ou non. De ce fait, la puissance en veille est relativement importante. Il ne fait pas non plus de différence entre un LTC4120 et des objets métalliques étrangers et peut provoquer l’échauffement de ces objets en raison des courants de Foucauld induits.
On peut se procurer deux émetteurs standard de production chez PowerbyProxi : Proxi-Point et Proxi-2D. Les performances de distance et de tolérance d’alignement de ces émetteurs sont virtuellement identiques à celles de l’émetteur de base. Cependant, ces émetteurs plus avancés peuvent détecter si un récepteur utilisant un LTC4120 est présent ou non. Cette fonction leur permet de réduire la puissance de veille si aucun récepteur n’est présent et d’arrêter la transmission d’énergie si des objets métalliques étrangers sont à proximité.
Grâce à la topologie abaisseuse, à découpage, à grand rendement, du chargeur LTC4120 et à la technologie DHC, le rendement global du système est d’environ 50 – 55 %. Pour calculer cette valeur, on divise la puissance de charge de la batterie par la puissance fournie sur l’entrée courant continu de l’émetteur. Le rendement global dépend étroitement du couplage et de la charge. Pour charger une batterie Li-Ion à élément unique sous 400 mA, les composants de la carte de réception utilisant un LTC4120 restent à moins de 10 °C au-dessus de la température ambiante. Le récepteur utilisant un LTC4120 est présenté en figure 3.
Autres considérations sur le système
Le système de charge utilisant un LTC4120 peut charger une batterie sous 400 mA avec un écart impressionnant entre émetteur et récepteur. Les batteries rechargeables au lithium équipent beaucoup d’applications portables et les packs de 1 élément (3,7 V nominal) et de 2 éléments (7,4 V nominal) sont courants. Leur cycle de vie accru et leurs caractéristiques de sécurité supérieures créent également un marché important pour les batteries LiFePO4. De plus, il y a une grande variété de tensions de charge pour ces packs de batteries parce que les clients peaufinent des compromis entre la capacité initiale de la batterie, son cycle de vie et la capacité restante au fil du temps. Capable de s’adapter à ces différents cas, le LTC4120 n’a pas besoin de circuit extérieur pour charger des batteries Li-Ion à 1 et 2 éléments ainsi que des batteries LiFePO4 à 1, 2 et 3 éléments. Le courant de charge peut être programmé de 50 mA à 400 mA, et la tension de charge peut être programmée de 3,5 V à 11 V.
En plus d’un algorithme intégré de charge à courant constant/tension constante, le LTC4120 comporte de multiples fonctions de sécurité de batterie. Un temporisateur d’arrêt achève en toute sécurité un cycle de charge. Une entrée CTN permet la supervision de la température de la batterie et suspend automatiquement la charge lors de conditions de température dangereuses. Deux broches d’état de charge fournissent des informations sur le cycle de charge et de pannes.
Conclusion
La charge sans fil peut apporter de la valeur, de la fiabilité et de la robustesse à beaucoup d’applications différentes. Il est important de considérer quelle puissance est nécessaire à l’application, et à quelle distance cette puissance doit être transmise et quelle est la tolérance d’alignement. La détermination de la puissance de charge maximum, dans les conditions les plus défavorables, avec un couplage minimum entre l’émetteur et le récepteur, est souvent la partie la plus facile. La gestion de la puissance disponible supplémentaire en cas de charge faible ou à vide, avec un couplage maximum, peut poser des problèmes. Pour résoudre ces problèmes, Linear Technology a développé le LTC4120, un nouveau circuit intégré qui fournit tout ce qui est nécessaire pour fabriquer un chargeur de batterie sans fil, compact et de haut rendement. Sa technologie DHC permet un écart important entre émetteur et récepteur, ainsi qu’une grande insensibilité aux défauts d’alignement entre bobinages émetteur et récepteur. Le LTC4120 est un composant essentiel dans un chargeur sans contact, robuste.
Source: zellercom.com