Les circuits intégrés de booster de batterie étendent idéalement la durée de vie des piles boutons au lithium dans les applications sans fil

L'Internet des objets (IoT) a accéléré la prolifération des capteurs sans fil. Qu'ils soient destinés aux marchés grand public, médical, industriel ou agricole, ces capteurs doivent être compacts, légers et offrir une longue autonomie batterie. De plus, ces dispositifs soumettent les sources d'alimentation à des charges intermittentes à fort courant pendant les modes d'émission et de réception. Par exemple, les rafales de transmission peuvent consommer 100 milliampères (mA) tandis que les opérations de réception peuvent consommer 10 mA, avec des périodes beaucoup plus longues de fonctionnement en mode veille à plus faible courant, de l'ordre du microampère (µA) (Figure 1).

Figure 1 : Le profil de charge d'un dispositif sans fil typique présente de courts intervalles de forte demande en courant pour la transmission (100 mA) et la réception (10 mA), ainsi que des périodes beaucoup plus longues de fonctionnement en mode veille à courant plus faible. (Source de l'image : Nexperia, modifiée par l'auteur)

L'opération de transmission ou de réception dure typiquement quelques dizaines de millisecondes, tandis que le dispositif reste généralement en mode veille pendant des centaines de secondes. Bien que le courant moyen soit faible en raison du rapport cyclique court, les courants de crête élevés posent problème.

Les piles boutons au lithium sont petites et ont une densité d'énergie élevée, mais des courants supérieurs à 10 mA peuvent réduire considérablement leur durée de vie. Elles ont également une résistance interne relativement élevée et sont inefficaces pour fournir ces courants supérieurs. Par exemple, la résistance interne d'une pile bouton neuve est d'environ 10 ohms (Ω). Un courant de 100 mA entraîne une chute de tension de 1 volt (V) au niveau de la résistance interne de la pile. Sous cette forte charge, le taux de réaction chimique de la pile entraîne également une chute de la tension de sortie. Par ailleurs, à mesure que la pile vieillit, la résistance interne augmente. Une alternative possible consiste à utiliser des piles alcalines. Celles-ci présentent des valeurs de courant de crête plus élevées, mais l'inconvénient est qu'elles sont nettement plus grandes que les piles boutons.

Un booster permet d'étendre la durée de vie des piles boutons

Nexperia a développé une solution astucieuse pour prendre en charge les piles boutons. Sa gamme de circuits intégrés de boosters pour augmenter la durée de vie des piles boutons isole les piles boutons des fortes demandes en courant des circuits RF. Ces circuits étendent ainsi la durée de vie des piles dans les applications de capteurs sans fil, ce qui permet d'avoir des boîtiers plus compacts et plus légers avec une excellente autonomie de batterie.

Les boosters utilisent deux étages de convertisseurs CC/CC. Le premier étage puise de l'énergie à faible courant dans la pile bouton pour charger un élément de stockage capacitif à une tension supérieure à celle de la batterie. Une fois le condensateur de stockage chargé, le deuxième convertisseur CC/CC fournit de l'énergie à la demande à la charge intermittente à une tension de sortie régulée. La pile bouton n'est jamais soumise au courant élevé exigé par la charge externe, ce qui prolonge sa durée de vie.

Grâce à cette approche, la durée de vie de la pile peut être multipliée par quatre, voire par dix, dans les applications où le courant de la charge intermittente est élevé, tout en multipliant par 25 le courant de sortie de crête. Il existe deux gammes de dispositifs adaptés aux caractéristiques des piles au lithium-dioxyde de manganèse (LiMnO₂) ou au lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂) (Tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques des gammes NBM5100/NBM7100 de circuits intégrés de booster de durée de vie des piles boutons. (Source du tableau : Art Pini)

Les boosters de batteries sont similaires sur le plan interne (Figure 2).

Figure 2 : Les schémas fonctionnels des dispositifs NBM5100A/B et NBM7100A/B montrent leur similitude sur le plan fonctionnel. (Source de l'image : Nexperia)

Le fonctionnement de ces boosters de batteries est également similaire (Figure 3).

Figure 3 : Graphiques de la tension et du courant du NBM5100/7100 pour les cycles de charge (en haut à droite) et de charge active (en bas à droite). (Source de l'image : Nexperia)

Le booster de batterie utilise deux convertisseurs CC/CC à haut rendement pour protéger la pile contre les transitoires de charge à fort courant de courte durée. Dans le premier étage de conversion, un convertisseur élévateur est utilisé pendant le cycle de charge. Ce cycle est initié avant une période de courant de charge intense. Lors de la charge, l'énergie est transférée de la batterie vers un condensateur de stockage externe dont la tension (V_CAP) est supérieure à celle de la cellule de batterie. Le cycle de charge consomme un faible courant constant (I_VBT) depuis la batterie. En raison de sa résistance interne, le faible courant de charge produit une chute de la tension de sortie de la batterie (V_VBT). Une fois le condensateur chargé, le convertisseur CC/CC régulateur abaisseur gère le cycle actif en transférant l'énergie du condensateur de stockage vers la sortie (V_VDH), fournissant ainsi un fort courant de charge (I_VDH) à une tension régulée avec un rendement jusqu'à 90 %.

Il est à noter que le courant de batterie absorbé (I_VBT) reste très faible pendant le cycle de charge et négligeable pendant le cycle actif. Cela diminue la contrainte répétitive exercée sur la batterie et étend la capacité utilisable de la cellule. En dehors du cycle de charge ou du cycle actif, la sortie tombe à un état de repos ou de veille, consommant moins de 50 nanoampères (nA).

Les circuits intégrés de booster de batterie utilisent un algorithme d'apprentissage adaptatif qui surveille les caractéristiques des impulsions de charge et optimise intelligemment le transfert et le stockage de l'énergie au niveau du condensateur. Jusqu'à 63 profils de charge peuvent être retenus pour ajuster le processus de charge.

Modes de fonctionnement des boosters

Les dispositifs NBM5100/7100 fonctionnent en modes automatique, continu et à la demande (versions NBM5100A et NBM7100A uniquement). Le mode continu est utilisé dans les applications exigeant une réponse instantanée à la charge transitoire. Le condensateur de stockage est chargé et le convertisseur CC/CC est inactif. La tension du condensateur de stockage est surveillée et actualisée si nécessaire. À la réception d'une commande active, la sortie régulée du condensateur de stockage est immédiatement disponible. Le condensateur de stockage est rechargé après avoir fourni l'énergie requise à la charge. Lorsqu'il est entièrement chargé, le signal de disponibilité est défini.

Le mode à la demande est utilisé pour les applications exigeant une autonomie batterie maximum. Il démarre à l'état de veille. Le mode à la demande est initié à l'aide de l'interface E/S pour définir le bit approprié. Le condensateur de stockage est chargé lorsque cela est nécessaire, rendant l'énergie stockée disponible, comme indiqué par le signal de disponibilité.

Le mode automatique utilise le signal de démarrage pour initier le fonctionnement à la demande sans utiliser l'interface E/S. Le signal de disponibilité indique que le condensateur de stockage est entièrement chargé et disponible.

Les séries NBM5100/NBM7100 sont contrôlées à l'aide d'interfaces E/S série. Les dispositifs NBM5100ABQX et NBM7100ABQX utilisent une interface I²C, tandis que les circuits intégrés NBM5100BBQX et NBM7100BBQX sont équipés d'interfaces SPI.

Ces dispositifs d'extension de la durée de vie des batteries surveillent le nombre de cycles de charge et indiquent la charge restante dans la pile bouton. Ils signalent l'état de charge de la batterie via un registre d'indicateur de niveau de charge disponible dans l'interface série.

Les dispositifs d'extension de la durée de vie des piles boutons séries NBM5100/NBM7100 sont disponibles en boîtier à 16 broches SOT763-1 (DHVQFN16) et présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C.

Nexperia propose les cartes d'évaluation NEVB-NBM5100A-01 et NEVB-NBM7100A-01 pour les dispositifs NBM5100ABQX et NBM7100ABQX, respectivement. Ces cartes permettent l'évaluation rapide et pratique des boosters de batteries. Elles peuvent être connectées à une carte en cours de développement et contrôlées depuis un PC via une connexion USB avec une interface utilisateur graphique (GUI).

Conclusion

Les boosters de batteries NBM5100/NBM7100 étendent la durée de vie des piles boutons au lithium dans les applications IoT sans fil avec des charges transitoires élevées qui pourraient autrement nécessiter l'utilisation de piles AA ou AAA beaucoup plus grandes. Ils constituent donc un moyen idéal de réduire la taille des dispositifs tout en diminuant les coûts.