Introduction
La demande croissante d'appareils électroniques portables a engendré un besoin accru de systèmes de gestion de l'énergie portables et performants. Les chargeurs portables sont devenus des accessoires indispensables, fournissant une source d'alimentation de secours fiable pour les smartphones, les tablettes et autres appareils alimentés par USB. À l'aide de cartes de démonstration, nous avons d'abord créé une solution modulaire de chargeur de batterie portable comme preuve de concept. Ce prototype, assemblé par empilement de cartes de démonstration, a ensuite évolué vers une solution monocarte aux performances améliorées et dotée d'autres optimisations. Cette solution accepte plusieurs sources d'alimentation, telles que des batteries, l'énergie solaire ou des adaptateurs CC, et gère intelligemment le flux d'énergie pour charger la batterie tout en alimentant simultanément la charge.
Cet article a pour objectif d'explorer les capacités de gestion intelligente de l'énergie des circuits intégrés d'Analog Devices dans une conception compacte, sans compromis sur les performances. Il décrit les choix de conception, le concept et l'évaluation des performances de la solution monocarte et met en évidence ses améliorations par rapport à la preuve de concept multicarte.

Conception du circuit :
Cette conception repose sur une architecture compacte et optimisée, capable de gérer deux tensions d'entrée à large plage, provenant notamment d'un panneau solaire et d'un adaptateur secteur. L'alimentation est gérée intelligemment grâce au LTC4416 convertisseur abaisseur LTC4162. Cette configuration permet la charge efficace de diverses batteries lithium-ion, jusqu'à une configuration 4S1P.

Figure 1. Bloc de conception à plaque unique.

Comme illustré sur la figure 1, le système comporte un régulateur de commutation buck-boost, LTC3115-1, qui régule dynamiquement la tension de sortie vers la charge et assure une sortie maximale constante de 5 V et 2 A, tandis que le LTC4162 surveille le niveau de charge de la batterie.

Sélection des composants et conception de l'implantation :
Les trois principaux composants optimisent les performances du système en fonction de la configuration des blocs fonctionnels. Ces composants ont été sélectionnés pour améliorer l'efficacité du système, minimiser les pertes de puissance, réduire l'encombrement du circuit imprimé et diminuer le coût global. Leur schéma est présenté figure 2.

Figure 2. Conception schématique d'une plaque unique.

1. Alimentation double avec le LTC4416.
Une simple configuration de porte OU, utilisant des diodes, permet de commuter entre deux sources d'alimentation. Cependant, cette approche engendre des pertes de puissance importantes dues à la chute de tension directe inhérente aux diodes, même avec des diodes Schottky à faible chute de tension. Le LTC4416 assure une commutation fluide entre deux sources avec une chute de tension directe très faible, réduisant ainsi les pertes de puissance. En pilotant des MOSFET à canal P externes pour émuler des diodes idéales, ce dispositif réduit considérablement les pertes par conduction, améliorant ainsi l'efficacité et la fiabilité globales du système.
Le LTC4416 fonctionne selon six modes différents. Chaque mode dépend de la configuration des broches d'entrée E1 et E2, comme indiqué dans la fiche technique. Dans cette configuration, le mode sélectionné est : V1 est supérieur à V2, E1 étant à l'état haut (Sense) et E2 à l'état bas (0). Cela signifie que la puce privilégie l'alimentation V1. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit intégré est configuré pour privilégier V1 pour une large plage de tensions d'entrée de 15 V à 35 V CC, tandis que la source de tension secondaire, V2, est un panneau solaire (3,6 V à 15 V). Lorsque V1 est supérieur ou égal à 15 V, E1 permet à V1 de devenir la source de tension principale et désactive V2, puisque V1 est supérieur à V2.
Lorsque V1 chute à 13,4 V, V2 devient la source d'alimentation principale et V1 est déconnecté de la sortie. Tant que la tension du panneau solaire est comprise entre 3,6 V et 15 V, V2 continue d'alimenter la charge de sortie jusqu'au rétablissement de V1. Le point de réinitialisation de V1 est fixé à 15 V, comme illustré sur la figure 2.
Les points de défaut et de rétablissement de V1 peuvent être modifiés en changeant les valeurs des résistances R1, R2 et R3 de la figure 2. Ceci peut être réalisé à l'aide de la formule indiquée dans la fiche technique :

Une fois V1 identifié, V2 peut être sélectionné pour garantir la meilleure configuration. En cas de défaillance ou d'indisponibilité de V1, le système bascule automatiquement sur V2 pour maintenir l'alimentation jusqu'au rétablissement du point de fonctionnement, à condition que V1 > V2. L'alimentation étant fournie par la source de tension la plus élevée, le rétablissement ne se produira pas si V2 > V1.

2. Gestion intelligente de l'alimentation.
Pour les applications telles que les chargeurs portables et autres appareils nécessitant l'utilisation et la charge simultanées de la batterie, la gestion intelligente de l'alimentation est une solution idéale. Cette approche optimise les performances de la batterie et prolonge sa durée de vie en gérant efficacement la distribution de l'énergie entre le système et la batterie. Le système gère intelligemment l'alimentation en sélectionnant parmi trois sources : l'adaptateur secteur, le panneau solaire ou la batterie. L'adaptateur secteur ou le panneau solaire est principalement utilisé pour charger la batterie.
En cas de panne de l'adaptateur secteur et si la tension du panneau solaire chute en dessous du seuil minimal, le système bascule automatiquement sur la batterie de secours chargée pour alimenter la charge. La sortie du circuit d'alimentation LTC4416 alimente le LTC4162-L, qui prend en charge des tensions d'entrée jusqu'à 35 V.
Le LTC4162-L permet un fonctionnement immédiat même avec une batterie déchargée ou absente et intègre un système de suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour améliorer l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire.
En plein soleil, le panneau solaire fonctionne dans deux régimes : faible impédance à tension constante et haute impédance à courant constant. Ce comportement garantit la stabilité de la boucle de contrôle du dispositif lorsqu'il fonctionne à une impédance plus faible (par exemple, dans la zone de tension plus élevée). Cependant, comme le circuit intégré utilise la tension d'entrée pour déterminer le MPPT, la tension du panneau solaire chute en raison de l'impédance plus élevée (par exemple, dans la zone de tension plus basse), ce qui déstabilise la boucle de contrôle. Dans cette conception, l'entrée du panneau solaire fonctionne à une impédance élevée (

3. Batterie lithium-ion de secours.
Le chargeur de batterie LTC4162 prend en charge les configurations jusqu'à huit cellules lithium-ion connectées en série (8S) et est disponible en plusieurs variantes optimisées pour différentes chimies de batteries : LTC4162-L pour les batteries lithium-ion, LTC4162-F pour les batteries lithium-fer-phosphate (LiFePO4) et LTC4162-S pour les batteries au plomb. Dans cette conception, nous avons implémenté la compatibilité avec des configurations jusqu'à 4S (alimentation de 1S à 4S) de cellules lithium-ion empilées, comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1. Paramètres de configuration de la batterie

Cette configuration est définie à l'aide des broches CELLS1 et CELLS0, en suivant les directives d'affectation fournies dans le tableau 1.

4. Régulateur à découpage.
La sortie du LTC4162-L est régulée par un régulateur à découpage buck-boost synchrone. Le LTC3115-1 est un convertisseur CC-CC buck-boost synchrone monolithique à haut rendement, conçu pour les applications exigeant une large plage de tensions d'entrée et un faible niveau de bruit. Il fonctionne entre 2,7 V et 40 V et peut fournir jusqu'à 2 A de courant continu. Ce régulateur à découpage offre également une tension de sortie programmable, une transition progressive entre les modes buck et boost, et des fonctions de protection robustes, ce qui le rend adapté aux applications industrielles et alimentées par batterie.
Il a été choisi pour cette conception en raison de son excellent rendement et de son fonctionnement silencieux. Le convertisseur peut fournir jusqu'à 2 A lorsque la tension d'entrée dépasse 6 V, et 1 A pour les tensions supérieures à 3,6 V, ce qui le rend très adaptable aux variations de l'alimentation électrique. Pour toutes les configurations de batterie (1S, 2S, 3S, 4S), un verrouillage de sous-tension (UVLO) a été configuré via le connecteur, comme indiqué sur la figure 2 (connecteur J5).

5. Sortie USB Type-C
La sortie a été configurée avec un port USB Type-C en mode sans alimentation (PD) pour charger tout appareil portable nécessitant une sortie régulée de 5 V avec un courant allant jusqu'à 2 A. Le tableau 2 décrit le choix des valeurs de résistance pour différentes sources de courant pour le port USB.

Tableau 2. Courant fourni par USB Type-C sans PD

Performances de la carte unique :
La carte a été spécialement conçue comme un circuit imprimé à 4 couches afin de garantir un fonctionnement stable, silencieux et efficace, comme illustré sur la figure 3. L’agencement suit une configuration SIG/Power – GND – GND – SIG/Power, et les recommandations de placement des composants fournies dans la fiche technique sont respectées. La carte est alimentée par deux entrées, V1 et V2, qui servent à charger la batterie et à alimenter la charge. En cas de coupure de l’alimentation principale, le panneau solaire prend le relais lors des périodes de forte luminosité et alimente la charge tout en chargeant la batterie. La nuit ou lorsque la luminosité est faible et que la tension du panneau solaire chute, le système détecte automatiquement cette baisse et bascule sur l’alimentation par batterie pour maintenir l’alimentation de la charge.

Figure 3. Solution monocarte en fonctionnement et testée.

Figure 4. Analyse de la réponse transitoire et indicielle.
Avec une batterie 1S, si sa tension chute en dessous de 3,3 V, le LTC3115-1 se coupe automatiquement pour protéger la batterie grâce à la fonction UVLO. Ce mécanisme prévient les décharges profondes, susceptibles d'endommager la batterie ou de réduire sa durée de vie. Le seuil UVLO est réglable avec précision pour chaque configuration de batterie en modifiant les valeurs des résistances R7, R19, R27 et R21. Ce réglage s'effectue à l'aide de la formule UVLO fournie dans la fiche technique du LTC3115-1. La limite de tension minimale peut ainsi être fixée à 3,0 V, selon les besoins de l'application.
Pour protéger le circuit contre les branchements incorrects de la batterie, une protection contre l'inversion de polarité est intégrée à l'aide d'une diode (D3) et d'un fusible (FUSE1). De plus, l'entrée est protégée contre les tensions inverses par les diodes de substrat des MOSFET Q1, Q4 et Q3, qui bloquent les courants indésirables.
Le comportement dynamique du système sous différentes conditions de charge est illustré par ses caractéristiques de réponse indicielle et transitoire, comme le montre la figure 4. Celle-ci démontre les performances de la boucle de contrôle et l'efficacité du réseau de compensation appliqué sur une large plage de conditions de fonctionnement. La figure 5 illustre le comportement de commutation prioritaire de la sortie du LTC4416 lorsque la tension V1 diminue d'une valeur élevée à 15 V. La sortie du dispositif bascule de manière transparente sur V2 à 8 V, garantissant ainsi que le rendement de la charge de sortie (ee) reste inchangé malgré la variation de tension. Par ailleurs, le point de réinitialisation de V1 est fixé à 16,8 V.

Figure 5. Commutation prioritaire LTC4416 de V1 (15 V) à V2 (8 V) avec une tension de charge de sortie constante (VOUT fixe = 5 V ; courant de charge = 1 A, R1 = 281 kΩ et R3 = 24,9 kΩ).

Comparaison de plusieurs cartes de démonstration avec une carte unique.
Cette section présente une comparaison détaillée entre la configuration prototype à plusieurs cartes de démonstration et la nouvelle solution à carte unique. Le prototype utilisait trois cartes de démonstration indépendantes : la LTC4416 pour la commande du chemin de puissance par diode idéale, la LTC4162-L pour la charge de la batterie et la gestion de l’alimentation, et la CN0509. La CN0509 se distinguait notamment par sa large plage de tension d’entrée (de 5 V à 100 V) et sa capacité à fournir une sortie régulée de 5 V jusqu’à 2 A. Elle combine le LTC7103 convertisseur flyback isolé LT8302 pour assurer l’isolation galvanique entre l’entrée et la sortie.

Figure 6. Dimensions de la carte de démonstration empilée prototype par rapport à celles de la carte unique.

À l'inverse, la conception sur une seule carte consolide ces fonctionnalités en remplaçant les LTC7103 et LT8302 par un seul composant : le LTC3115-1. Cette transition visait à améliorer les performances globales du système, avec une efficacité accrue, une taille physique réduite et un coût de fabrication plus avantageux. Si certaines fonctionnalités, comme la sortie isolée, ont dû être sacrifiées, ce compromis a permis d'obtenir une conception plus simple et pratique, parfaitement adaptée aux applications évolutives.

Taille de la carte physique
: La mise en œuvre d’une solution monocarte optimise considérablement la conception globale du système en réduisant la nomenclature d’environ 30 % et sa taille, comme illustré sur la figure 6.
De plus, la compacité de cette solution monocarte contribue à une architecture d’alimentation plus efficace. L’intégration de multiples fonctionnalités sur une plateforme unifiée permet une conception plus compacte, autorisant des formats plus petits sans compromettre les performances. Ceci est particulièrement avantageux pour les applications où l’espace est un facteur critique, comme les appareils électroniques portables.

Efficacité :
L'une des améliorations les plus remarquables de cette carte réside dans sa capacité à fournir une alimentation électrique à haut rendement. L'optimisation de la distribution d'énergie réduit les pertes, ce qui permet d'allonger la durée de fonctionnement et d'améliorer les performances thermiques. Un rendement élevé est essentiel pour les appareils alimentés par batterie, car les économies d'énergie se traduisent directement par une durée de vie accrue des batteries. En minimisant le gaspillage d'énergie et en maximisant son utilisation, la solution monocarte joue un rôle crucial dans l'amélioration des performances du système. La figure 7 montre que cette solution atteint un rendement maximal de 92,94 % avec une tension d'entrée de 8 V et de 91 % avec une tension d'entrée de 10 V. À titre de comparaison, le prototype de carte de démonstration empilée n'a atteint qu'un rendement maximal de 73,79 % avec une tension d'entrée de 10 V. Le faible rendement de ce prototype est clairement dû aux pertes de puissance dans les câbles de connexion des différentes cartes, ainsi qu'aux pertes dans le convertisseur flyback.
En cas de défaillance des deux sources d'entrée, la batterie prend automatiquement le relais. Avec une configuration de batterie 2S d'une tension nominale de 7,4 V, la solution monocarte atteint un rendement maximal de 94,52 %, contre 77,12 % pour le prototype de carte de démonstration empilée. Ceci indique que la conception monocarte permet une meilleure gestion de l'énergie de la batterie pendant le fonctionnement du système, comme illustré sur la figure 7. La solution monocarte optimisée fournit un courant de sortie maximal de 2 A à partir d'une tension d'entrée de 6 V, tandis que le prototype précédent nécessitait 12 V pour atteindre ce même courant maximal, comme le montre également la figure 7.

Figure 7. Régulation du courant de sortie et efficacité (carte unique vs. carte de démonstration empilée prototype).

Conclusion :
Une solution de batterie externe compacte et intégrée sur une seule carte a été développée à partir de composants ADI. Cette conception optimisée présente une disposition améliorée, ce qui accroît l’efficacité globale et réduit l’encombrement. Son architecture polyvalente et adaptable la rend compatible avec une large gamme d’applications utilisant des appareils alimentés par batterie. Elle prend en charge une gestion intelligente de l’alimentation, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.
Ce concept peut être utilisé dans les systèmes automobiles intégrés pour combiner l’énergie photovoltaïque avec d’autres sources d’alimentation et des batteries de secours dans le cadre d’une production à grande échelle. Dans de telles configurations, des produits ADI haute puissance tels que le LTC4020.

Référence :
Diarmuid, Carey. « Comment créer un prototype de chargeur de batterie portable sans concevoir de matériel spécifique. » Analog Dialogue, février 2023.

À propos de l'auteur

Le Dr Uchechukwu Maduagwu travaille comme ingénieur d'applications au sein de l'équipe centrale des applications à Dublin. Il a rejoint Analog Devices en 2023 et apporte son soutien à la conception des solutions de gestion de l'énergie, au service des clients sur l'ensemble du marché européen. Le Dr Uchechukwu est titulaire de plusieurs diplômes.