Conversion à faible puissance pour la récupération d'énergie

Il existe beaucoup d'énergie ambiante dans le monde qui nous entoure, et l'approche conventionnelle pour la récupération d'énergie s'appuie sur les panneaux solaires et les générateurs éoliens. Cependant, de nouveaux outils de récupération permettent de produire de l'énergie électrique à partir d'une grande variété de sources ambiantes. En outre, le plus important n'est pas le rendement de conversion d'énergie des circuits, mais plutôt la quantité d'énergie « moyenne récupérée » disponible pour les alimenter. Par exemple, les générateurs thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité, les éléments piézo convertissent les vibrations mécaniques, les dispositifs photovoltaïques convertissent la lumière du soleil (ou toute source de protons) et le galvanisme convertit l'humidité en énergie. Cela permet d'alimenter des capteurs à distance ou de charger un dispositif de stockage comme un condensateur ou une batterie à couches minces afin d'alimenter un microprocesseur ou un émetteur à distance sans source d'alimentation locale.

Néanmoins, c'est vers la limite inférieure du spectre électrique, là où la conversion nanopuissance dans les capteurs ou les réseaux de capteurs sans fil (WSN) est de plus en plus courante, que le besoin en circuits intégrés de conversion pouvant fonctionner à de très faibles niveaux de puissance et de courant se fait sentir. Il s'agit souvent de quelques dizaines de microwatts et de nanoampères. Cependant, la disponibilité de ces produits de conversion de puissance fonctionnant à moins de 1 µA, y compris les chargeurs de batterie, est extrêmement limitée.

Généralement, les caractéristiques de performances nécessaires des circuits intégrés pour intégration dans ces applications sont les suivantes :

• Faible courant de repos en veille : généralement moins de 6 µA et pouvant atteindre 450 nA
• Faibles tensions de démarrage : seulement 20 mV
• Haute tenue en tension d'entrée : jusqu'à 34 V continus et 40 V transitoires
• Prise en charge des entrées CA
• Capacité de sorties multiples et gestion de l'alimentation système autonome
• Contrôle du point de puissance maximale (MPPC) pour les entrées solaires
• Empreintes de solutions compactes avec très peu de composants externes

Un réseau de capteurs sans fil (WSN) est essentiellement un système autonome constitué d'un transducteur pour convertir la source d'énergie ambiante en un signal électrique, généralement suivi d'un gestionnaire et convertisseur CC/CC pour fournir le niveau de tension et le courant appropriés aux composants électroniques en aval. Les composants électroniques en aval comprennent un microcontrôleur, un capteur et un émetteur-récepteur.

Lors de l'implémentation d'un réseau WSN, il convient de se poser la question suivante : quelle est la puissance requise pour le faire fonctionner ? Conceptuellement, cette question semble assez simple, mais en réalité, il est difficile d'y répondre en raison d'un certain nombre de facteurs. Par exemple, à quelle fréquence les relevés doivent-ils être effectués ? Ou, plus important, quelle sera la taille du paquet de données et quelle puissance faut-il pour le transmettre ? Cela est dû à l'émetteur-récepteur qui consomme environ 50 % de l'énergie utilisée par le système pour une seule lecture du capteur et sa transmission. Plusieurs facteurs ont des conséquences sur les caractéristiques de consommation énergétique d'un système de récupération d'énergie ou d'un réseau WSN, et ils doivent tous être pris en compte.

L'énergie fournie par la source de récupération d'énergie dépend évidemment de la durée de disponibilité de la source. Par conséquent, le critère principal pour comparer les sources de récupération est la densité de puissance et non pas la densité d'énergie. La récupération d'énergie est généralement soumise à des niveaux faibles, variables et imprévisibles de puissance disponible. Une structure hybride reliant le récupérateur et une réserve d'énergie secondaire est donc souvent utilisée. Le récupérateur est la source d'énergie du système en raison de sa fourniture d'énergie illimitée et à sa déficience de puissance. La réserve d'énergie secondaire (une batterie ou un condensateur) produit une puissance de sortie plus élevée, mais stocke moins d'énergie, fournissant l'alimentation lorsque cela est nécessaire, mais recevant régulièrement une charge du récupérateur le reste du temps. Par conséquent, dans les situations où il n'y a pas d'énergie ambiante depuis laquelle récupérer de la puissance, la réserve d'énergie secondaire doit être utilisée pour alimenter le réseau WSN. Bien sûr, du point de vue du concepteur de systèmes, cela ajoute un degré de difficulté, car il doit prendre en compte la quantité d'énergie devant être stockée dans la réserve secondaire pour compenser l'absence de source d'énergie ambiante.

Il est évident que les réseaux WSN doivent utiliser des niveaux d'énergie très bas lorsque ces derniers sont disponibles. Cela signifie que les composants utilisés dans le système doivent être capables de fonctionner à ces niveaux de puissance très bas. Bien que cela soit déjà possible avec les émetteurs-récepteurs et les microcontrôleurs, ce n'est pas le cas en ce qui concerne la conversion de la puissance et la charge de batterie. Cependant, Linear Technology a développé les dispositifs LTC3388-1/-3 et LTC4071 pour répondre spécifiquement à ces exigences.

Le LTC3388-1/-3 est un convertisseur abaisseur synchrone à capacité d'entrée de 20 V pouvant fournir jusqu'à 50 mA de courant de sortie continu dans un boîtier de 3 mm x 3 mm (ou MSOP10-E). Voir Figure 1. Il peut fonctionner sur une plage de tensions d'entrée de 2,7 V à 20 V, ce qui en fait le convertisseur idéal pour une vaste gamme d'applications de récupération d'énergie et alimentées par batterie, y compris pour l'alimentation d'entretien, de capteurs et du contrôle industriel.

Figure 1 : Schéma de l'application typique du LTC3388-1/-3

Le LTC3388-1/-3 utilise un redressement synchrone à hystérésis pour optimiser le rendement sur une plage étendue de courants de charge. Il peut offrir un rendement supérieur à 90 % pour des charges s'étendant de 15 µA à 50 mA, et il ne nécessite que 400 nA de courant de repos, ce qui lui permet de prolonger la durée de vie de la batterie utilisée pour l'alimentation auxiliaire.

Le LTC3388-1/-3 inclut une fonctionnalité de verrouillage en cas de sous-tension (ULVO) de précision pour désactiver le convertisseur lorsque la tension d'entrée descend en dessous de 2,3 V, réduisant ainsi le courant de repos à seulement 400 nA. Une fois en régulation (à vide), le LTC3388-1/-3 passe en mode veille pour réduire le courant de repos à seulement 720 nA. Le convertisseur abaisseur s'active et se désactive alors selon les besoins pour maintenir la régulation de sortie. Un mode veille supplémentaire désactive la commutation si la sortie est en régulation pour des charges de courte durée, comme les modems sans fil, qui nécessitent une faible ondulation. Cette conception à faible courant de repos et haut rendement est idéale pour la récupération d'énergie qui nécessite de longs cycles de charge accompagnés de courtes charges en rafale pour alimenter les capteurs et les modems sans fil.

Souvent, une batterie est utilisée en tant qu'alimentation de secours auxiliaire dans les réseaux WSN, mais le défi de conception pour la charger à partir de faibles sources de puissance n'est pas facile à relever. Le LTC4071 de Linear est un système de chargeur de batterie shunt qui inclut une protection du bloc-batteries intégrée et une fonctionnalité de déconnexion de batterie faible pour protéger les batteries basse capacité contre les dommages causés par l'autodécharge. C'est un protecteur et un chargeur de batteries lithium-ion polymère simple et pourtant sophistiqué. Son courant de fonctionnement ultrafaible de 550 nA permet la charge à partir de sources de charge intermittentes ou continues à très faible courant auparavant inutilisables, comme celles provenant des applications de récupération d'énergie. Un conditionneur de batterie thermique interne réduit la tension régulée pour protéger les cellules Li-ion/polymère, les piles boutons ou les batteries à couches minces à hautes températures. Fourni dans un boîtier DFN extra-plat à 8 sorties de 2 mm x 3 mm, le LTC4071 constitue une solution de chargeur complète et ultracompacte, n'exigeant qu'une résistance externe en série avec la tension d'entrée.

Même si les applications portables et les systèmes de récupération d'énergie peuvent fonctionner correctement sur une vaste plage de niveaux de puissance, allant de quelques microwatts à plus de 1 W, il existe de nombreux circuits intégrés de conversion disponibles pour les concepteurs de systèmes. Cependant, c'est vers la limite inférieure de la plage de puissance, aux niveaux nanopuissance, que le choix s'avère limité.

Heureusement, il existe des solutions de conversion de puissance et de charge batterie que le concepteur peut sélectionner avec des courants de repos inférieurs à un microampère pour étendre l'autonomie des batteries des circuits d'entretien dans les capteurs basse puissance et dans la nouvelle génération de réseaux WSN.