L'émulation de la batterie d'un dispositif IoT : une tâche délicate

Levez la main si vous vous êtes déjà retrouvé en difficulté avec l'émulation de la batterie d'un dispositif IoT. Nous vous comprenons parfaitement : la création d'une configuration aussi réaliste que celle du produit fini avec la batterie à proximité des composants électroniques est tout simplement un véritable défi. Aujourd'hui, nous aimerions vous faire part de quelques précieux conseils pour y arriver.

Voici un résumé condensé à lire en un clin d'œil pour ceux qui sont pressés :

• Plus la distance est grande, plus la résistance est élevée. N'oubliez pas que la batterie, dans le produit, est très proche des composants électroniques, tandis que votre configuration de test comporte certainement des câbles plus longs qui empêchent cette proximité.
• Prenez garde à la résistance élevée : elle peut s'avérer fatale. C'est le cas par exemple lorsqu'une pointe soudaine de courant crée une chute de tension, ce qui provoque une réinitialisation du système.
• Astuce n°1 pour la résistance : réduisez la résistance en choisissant des câbles courts et massifs.
• Astuce n°2 pour la résistance : créez un réservoir d'énergie en connectant un ou plusieurs condensateurs directement à l'entrée de tension du dispositif.
• N'oubliez pas de choisir soigneusement le bon condensateur (résistance série équivalente + taille optimales).
• Vérifiez vos données : l'astuce n°2 pour la résistance aura une incidence sur vos mesures.

Vous vous sentez d'attaque pour poursuivre ? Super ! Ne nous arrêtons pas en si bon chemin.

Plus la distance est grande, plus la résistance est élevée

Dans les produits réels, la batterie est (presque) toujours branchée à proximité des composants électroniques. Cette configuration n'est pas une coïncidence : des fils courts engendrent une faible résistance au niveau du trajet du courant entre la batterie et la charge. Ça a l'air plutôt pas mal, non ?

Lorsque l'on simule une batterie, on se retrouve souvent avec de longs fils (ou en tout cas avec des fils plus longs) qui créent une résistance indésirable. C'est grave, docteur ? Malheureusement, oui ! La pointe de courant crée une chute de tension due à la résistance dans les câbles. Si cette chute de tension est trop importante, elle peut empêcher le bon fonctionnement des composants électroniques.

Qu'est-ce qui provoque une pointe de courant ?

Le pire des scénarios se produit lorsqu'un dispositif est privé de source de tension pendant un moment. La situation est désespérée, car les condensateurs intégrés sont vides et doivent alors faire le plein d'énergie.

Pendant les premières nanosecondes d'une pointe de courant soudaine, tous les condensateurs de découplage (avant d'être rechargés) agissent comme des courts-circuits. Cela vaut pour tous les condensateurs répartis sur la carte à circuit imprimé, qu'ils fassent 100 nF ou qu'ils aient une valeur supérieure. Ces condensateurs provoquent alors un important courant d'appel qui crée une chute de tension momentanée dans tous les composants résistifs qui se trouvent sur le chemin, notamment les câbles, les connecteurs et les pistes de circuit imprimé.

Pensez à vérifier les résistances sur le trajet du courant

Comment vérifier s'il y a des résistances ? Certains dispositifs utilisent un indicateur de charge : le courant est mesuré au niveau d'une résistance connectée en série avec la batterie. Les batteries Li-Po et Li-Io doivent toujours être dotées d'un circuit de protection de la batterie. Si votre configuration inclut ce circuit, elle présente également une résistance sur le trajet du courant. N'oubliez pas non plus le trajet retour du courant. Toutes les résistances qui se trouvent sur le trajet comptent, y compris les plans de masse.

Deux astuces simples pour la résistance

Pour éviter les problèmes énumérés ci-dessus, nous vous conseillons de prendre les mesures de sécurité suivantes lors de l'émulation de la batterie d'un dispositif IoT :

1. Choisissez des câbles courts et massifs pour réduire la résistance au niveau des fils qui relient votre émulateur de batterie à votre dispositif (voir Figure 1). Jetez un œil à ce tableau de calibre de fils très pratique.
2. Créez un réservoir d'énergie en connectant un ou plusieurs condensateurs directement à l'entrée de tension du dispositif.

Figure 1 : Astuce n°1 pour la résistance – Réduisez la résistance en choisissant des câbles courts et massifs. (Source de l'image : Qoitech)

Le fait de connecter le ou les condensateurs crée un réservoir de charge, ce qui permet de répondre instantanément aux exigences de charge du circuit à l'échelle locale. En d'autres termes, la charge n'a pas besoin de traverser la résistance des fils d'alimentation.

Prenons un exemple : un téléphone portable peut facilement consommer 4 A en l'espace d'une brève impulsion lors du démarrage. Dans ce cas, il est important de créer un réservoir d'énergie conséquent et à faible résistance à proximité du connecteur de batterie (voir Figure 2).

Figure 2 : Pensez à créer un réservoir d'énergie conséquent et à faible résistance à proximité du connecteur de batterie. (Source de l'image : Qoitech)

Choisir le ou les bons condensateurs

Avant que vous vous lanciez, nous aimerions dire quelques mots à propos de la sélection des bons condensateurs pour votre dispositif. Pour ne pas vous tromper, posez-vous les questions suivantes :

1. Quelle est la résistance série équivalente (ESR) optimale ?
   Tout comme le nombre de microfarads, il est essentiel de choisir la bonne résistance série équivalente pour le condensateur. Pour les applications qui impliquent des pointes de courant courtes et élevées, il vous faut une faible résistance ESR. Si vous avez besoin de réduire la résistance ESR, vous pouvez utiliser plusieurs condensateurs en parallèle. Jetez un œil à ce tableau contenant les valeurs typiques de résistance ESR pour les condensateurs.
2. Quelle est la taille de condensateur optimale ?
   Pour être honnête, la réponse à cette question nécessite de faire des tests et parfois des erreurs. Choisissez un condensateur de taille suffisante pour assurer le bon démarrage de votre dispositif. Mais ne le choisissez pas trop grand, car il agira en tant que filtre passe-bas, ce qui modifiera le temps de montée des impulsions de courant et aura une incidence sur vos mesures (continuez à lire pour en savoir plus). Assurez-vous également de choisir un condensateur présentant une fuite minimale. La taille du réservoir dépend de la source d'énergie requise (période et courant de crête) et de la chute de tension acceptable, sans que le système se réinitialise.

Quelques mots à propos des mesures

Un condensateur situé immédiatement à l'entrée de tension du dispositif aura une incidence sur vos mesures. En effet, le condensateur doit faire le plein d'énergie, et cela prend du temps. En utilisant l'astuce n°2 pour la résistance, les temps de montée et de descente des impulsions de courant seront plus lents. Les résultats sont les mêmes que lorsqu'un filtre passe-bas est connecté en série entre votre équipement de mesure de la batterie et votre dispositif. Pas de panique : si vous utilisez les bons condensateurs, le faible courant de fuite du condensateur constituera la seule et unique erreur de mesure.

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