Les règles de conception des semi-conducteurs plus petits ont également permis de réduire les tensions de fonctionnement, ce qui simplifie la conception des circuits alimentés par batterie et permet à une seule pile alcaline (1,5 V) ou au lithium (3,6 V) de garantir une longue durée de vie. Les améliorations apportées aux circuits intégrés de gestion de l'énergie (comme les modes veille et inactivité à faible consommation proposés par des dispositifs tels que les microcontrôleurs) ont également permis d'obtenir des durées de vie plus longues.
Cependant, les attentes des utilisateurs finaux entrent souvent en conflit avec les objectifs des concepteurs, qui visent à optimiser l'autonomie des batteries. Parmi les autres contraintes imposées aux batteries de nombreux appareils portables modernes figure la tendance aux grands écrans couleur dotés de fonctionnalités plus nombreuses, qui sollicitent fortement le processeur (comme les commandes tactiles multiples). De même, la demande de fonctionnalités et de performances accrues est constante, qu'il s'agisse de petits capteurs industriels ou de smartphones offrant des services à valeur ajoutée tels que le stockage et la lecture de fichiers multimédias, l'accès à Internet mobile et des appareils photo numériques pour la photo et la vidéo.
Ces facteurs influent à la fois sur la capacité requise de la batterie et sur sa capacité à fournir des courants de décharge élevés, indispensables pour des applications telles que les appareils multimédias numériques. En général, les concepteurs doivent proposer des fonctionnalités supplémentaires dans des dimensions identiques ou inférieures à celles de la génération précédente. Cela les empêche d'utiliser simplement une batterie plus grande, mais de capacité accrue.
Choix des piles :
Les principaux types de piles utilisés dans les appareils portables sont les piles bouton au lithium-manganèse, comme la CR2032 de 3 V (20 mm de diamètre x 3,2 mm) ; les piles de 1,5 V comme la LR44 (11,6 mm de diamètre x 5,4 mm) ; ou encore les piles alcalines ou au lithium aux formats standard AA (51 mm x 14 mm de diamètre) ou AAA (44,5 mm x 10,5 mm de diamètre).
Les caractéristiques des piles, telles que la densité énergétique, le courant de décharge et le coût, sont déterminées par leur composition chimique. De manière générale, les piles au lithium-manganèse ne supportent pas les décharges à courant élevé, mais offrent une capacité énergétique relativement importante (mAh) dans un format compact et fin. Leur courant d’autodécharge peut être aussi faible que 250 nA.
Les piles alcalines AA ou AAA offrent une capacité supérieure et supportent des courants de décharge plus élevés, mais elles sont beaucoup plus volumineuses. Les piles primaires au lithium non rechargeables sont également disponibles aux formats AA ou AAA et offrent une capacité énergétique comparable, supportant des courants de décharge plus élevés. De plus, une pile au lithium peut être jusqu'à 30 % plus légère que son équivalent alcalin.
Les piles bouton ou les piles AA/AAA sont généralement utilisées dans les appareils où la pile est remplacée par l'utilisateur une fois déchargée. Certains équipements, comme les appareils installés et ne nécessitant aucun entretien pendant plusieurs années, peuvent être mis au rebut une fois la pile déchargée. Les piles à faible autodécharge, telles que les piles au lithium, sont privilégiées pour les applications à longue durée de vie ou scellées à vie, notamment dans les équipements d'urgence comme les détecteurs de fumée.
Les piles rechargeables nickel-métal hydrure (NiMH) AA ou AAA offrent une capacité en mAh comparable à celle des piles alcalines et conviennent aux applications à forte décharge. Elles supportent des centaines de cycles de recharge, mais leur taux d'autodécharge est relativement élevé ; elles ne peuvent donc pas fonctionner longtemps sans entretien ni recharge. Le tableau I récapitule les avantages des piles au lithium, alcalines et NiMH les plus courantes.
Pour les applications exigeant des dimensions particulièrement réduites ou fines, et lorsque le marché le permet, une batterie lithium-ion conçue sur mesure peut offrir une densité énergétique élevée, une capacité de décharge importante et une faible autodécharge.
Alimentation :
Si une pile au lithium de type CR2032 est utilisée, le microcontrôleur de l'application doit généralement consommer moins de 1 µA en veille afin d'optimiser l'autonomie de la pile. Les dispositifs basse tension, tels que les microcontrôleurs embarqués, peuvent être alimentés par une CR2032 lorsque la tension de la pile chute de 3,0 V à 2,5 V. Cependant, cette méthode n'exploite pas pleinement la capacité énergétique de la pile. Un convertisseur élévateur permet d'utiliser une plus grande partie de l'énergie de la pile, en augmentant la tension pour maintenir la tension d'alimentation du circuit intégré au-dessus du niveau requis à mesure que la pile se décharge.
Le régulateur élévateur synchrone MCP1624 de Microchip en est un exemple. Il est conçu pour générer la tension d'alimentation nécessaire à tout microcontrôleur PIC de Microchip à partir d'une tension de batterie comprise entre 0,65 V et 1,8 V. Ainsi, n'importe quel microcontrôleur PIC peut être alimenté par une simple batterie de 1,5 V. Le MCP1624 élève la tension de la batterie entre 2,0 V et 5,5 V pour alimenter le microcontrôleur. Une tension initiale de 0,65 V est requise, mais le régulateur peut maintenir le fonctionnement même si la tension de la batterie chute à 0,35 V. Le MCP1624 dispose d'un mode veille dans lequel le courant consommé est réduit à moins de 19 µA. Ceci permet de réduire la charge sur la batterie lorsque l'application est inactive ou en veille.
Gestion de l'alimentation :
Si la batterie supporte la consommation de courant maximale de l'application, une gestion efficace de l'alimentation et une sélection rigoureuse des composants basse consommation, comme le microcontrôleur principal, permettent aux concepteurs d'utiliser une batterie de capacité minimale tout en atteignant l'autonomie cible. L'autonomie de la batterie est déterminée par le courant moyen consommé sur toute la durée de fonctionnement. Pour le composant principal, tel que le microcontrôleur du système, le courant moyen est la somme des courants consommés en modes économie d'énergie et veille. Par conséquent, le temps passé dans chaque mode a un impact significatif sur l'autonomie de la batterie. Ainsi, outre le choix de composants à faible consommation en modes veille et veille prolongée, les concepteurs doivent exploiter pleinement les modes basse consommation des composants.
Plusieurs fabricants développent des microcontrôleurs fonctionnant efficacement sur batterie. Ces derniers consomment non seulement très peu d'énergie en mode actif et en veille, mais proposent souvent des modes de veille supplémentaires où seules certaines fonctionnalités restent actives. Le microcontrôleur peut ainsi reprendre son fonctionnement plus rapidement qu'à partir d'une veille complète, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie supplémentaires pendant l'exécution de l'application. Parmi les autres fonctionnalités d'économie d'énergie, on peut citer la possibilité de désactiver individuellement les circuits des périphériques lorsqu'ils ne sont pas utilisés.
Conclusion :
Le désir d’en faire plus avec moins est inhérent à la nature humaine, comme en témoignent les exigences croissantes du marché en matière de produits électroniques. Bien que la nature limite les performances des batteries en raison de leur composition chimique, une conception soignée et des fonctionnalités innovantes dans les circuits intégrés de gestion de l’énergie permettent d’envisager des améliorations significatives.
Auteur:
Jo Brook, chef de produit, Farnell.
