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Nouvelles tendances pour les périphériques portables alimentés par batterie

13/02/2007 17h02, par Tony Armstrong

L’année 2006 a été une année marquante pour les dispositifs électroniques portables alimentés par batterie. Au cours de cette année, les consommateurs ont acheté plus de 950 millions de téléphones portables, 220 millions d’ordinateurs portables, 140 millions de lecteurs MP3, 90 millions d’appareils photo numériques et 10 millions de systèmes GPS. Une dernière catégorie se compose de versions hybrides de deux, voire trois de ces appareils, tels que les baladeurs multimédias et les modules DMB. Ces appareils utilisent également une batterie au lithium-ion comme alimentation principale et gravissent rapidement les échelons de l’électronique grand public.

 Les baladeurs multimédias offrent l’avantage d’être compatibles avec les formats MP3 et MP4. Un seul appareil permet donc d’écouter de la musique et de regarder un film à partir d’un DVD ou d’un CD, voire de lire un fichier téléchargé à partir d’un site Internet. La plupart de ces baladeurs multimédias sont dotés d’un disque dur haute capacité. L’appareil peut donc accueillir plus de 150 heures de vidéo ou 1 200 heures de musique. Toutefois, les fabricants de ces baladeurs multimédias sont sans cesse contraints d’inclure toutes ces fonctionnalités dans un boîtier de plus en plus petit, tout en proposant des durées de fonctionnement de plus en plus longues.

Puisque la plupart de ces périphériques se veulent à la fois des lecteurs vidéo et des lecteurs MP3, l’électronique interne nécessite plusieurs départs basse tension à des niveaux de puissance variables. La raison est claire : la majorité des circuits numériques à haute intégration présentent une tension de fonctionnement maximale de 1,5 V.  De plus, les exigences en termes de mémoire et de tension E/S peuvent varier entre 2,5 et 3,3 V. Il s’avère donc peu pratique d’utiliser plusieurs modules de convertisseurs DC/DC « Point Of Load » (POL) directement à partir de la batterie Li-Ion. Les concepteurs se tournent dès lors de plus en plus vers une approche intégrée.

 De même, les téléphones cellulaires vont plus loin et ne permettent plus uniquement aux gens de communiquer. En effet, la majorité des téléphones « intelligents » permettent de naviguer sur Internet, de transférer des courriers électroniques grâce au réseau sans fil, de prendre des photos, de lire des vidéos en direct, de recevoir des chaînes de télévision, et peuvent même parfois être utilisés comme un système GPS. Il arrive même qu’un disque dur miniature soit inclus avec ce type d’appareil afin d’offrir à ces téléphones intelligents une plus grande capacité de stockage. La plupart des disques durs sont composés de plateaux dont le diamètre est inférieur à 1 pouce. Plusieurs micro-disques de 10 Go sur un seul plateau et pour un diamètre de 1 pouce ont déjà été testés et mis sur le marché. Les disques de 0,8 pouce de diamètre arriveront très prochainement. Les disques de 1 pouce de diamètre nécessitent seulement 300 mA à 3,3 V pour une utilisation normale. Toutefois, en cas de rotation, le courant de crête peut atteindre 500 mA. Les modèles de 0,8 pouce disponibles bientôt nécessiteront un courant nominal plus faible et leur courant de crête sera inférieur à 400 mA.

 

Utilisation d’un disque dur avec un baladeur multimédia ou un téléphone intelligent

 La recherche de systèmes de stockage compacts d’une capacité supérieure offrant une lecture et une écriture faciles a favorisé l’essor du disque dur sur les baladeurs multimédias et les téléphones intelligents. Prenons le cas du baladeur multimédia : il peut être facilement alimenté par un adaptateur secteur, un câble USB ou par la batterie Li-ion. Toutefois, le contrôle du schéma de puissance pour ces sources d’alimentation est un véritable défi sur le plan technique.

Un autre problème de taille pour le convertisseur DC/DC est la génération d’une tension de sortie régulée se trouvant dans la large plage des tensions d’entrée. Pour clarifier un peu cela, il peut être intéressant de considérer un baladeur multimédia alimenté par une batterie Li-Ion à cellule unique et une ligne d’alimentation de 3,3 V. Une cellule classique avec cathode aux oxydes de lithium et de cobalt permet un profil de décharge de 3 à 4,2 V. Cependant, la ligne d’alimentation du système nécessite une sortie de 3,3 V. La tension de sortie est donc inférieure ou égale à la plage de tensions d’entrée de la batterie Li-ion.

Généralement, pour résoudre ce problème, on utilise un convertisseur SEPIC ou un convertisseur Buck-Boost. Ces types de convertisseurs assurent une tension de sortie fixe lorsque la tension de départ est supérieure, inférieure ou identique à la tension de sortie. Les convertisseurs SEPIC présentent toutefois certains inconvénients importants :

  •  Une conception difficile due aux multiples inductances ou au volumineux transformateur nécessaires.
  •  La boucle de régulation est complexe et difficile à stabiliser en présence d’une large plage de tensions d’entrée, comme avec les batteries Li-Ion.
  • Le système s’avère particulièrement encombrant et relativement haut.
  • Le rendement de conversion est faible (généralement entre 75 et 80 %).
  • Des problèmes de température peuvent se présenter à des niveaux de puissance de sortie supérieurs.

 
Une approche efficace consisterait à utiliser un convertisseur utilisant une seule inductance capable de contrôler quatre commutateurs internes autorisant les modes abaisseur, élévateur et suiveur. Ce type de convertisseur Buck-Boost à quatre commutateurs est avantageux car il est facile à concevoir, il dispose d’une densité élevée et il permet un rendement élevé en raison de son fonctionnement en mode synchrone.

 
Alimentation de 3,3 V à 500 mA en cas de rotation du disque dur

 
Il est clair que les concepteurs des baladeurs multimédias disposent d’un certain nombre d’options pour faire en sorte que l’autonomie de la batterie soit optimisée en présence d’une configuration donnée. L’association de circuits ASSP multifonctions peut fournir les tensions et les niveaux de puissance nécessaires afin de garantir l’efficacité du système en faisant en sorte que la batterie soit moins sollicitée en cas d’utilisation normale.

 Le circuit ASSP peut cependant être incapable d’utiliser l’intégralité de l’énergie des nouvelles batteries Li-Ion à haute densité telles que celles qui composent la gamme Nexelion de Sony. En effet, une fois que la tension de la batterie sera inférieure au niveau requis, à savoir 3,3 V, le circuit ASSP ne pourra pas intervenir pour élever la tension de sortie jusqu’au niveau demandé. Étant donné que les batteries Nexelion présentent des tensions comprises entre 2,5 et 4,2 V, plus de 30 % de leur énergie demeurera inutilisée. Une nouvelle approche, plus simple, se veut donc une excellente solution de rechange pour alimenter un disque dur au cours des cycles de décharge classiques de ce nouveau type de batterie Li-Ion. Dans ce cas, la solution idéale serait un convertisseur Buck-Boost synchrone monolithique qui délivrerait une tension de 3,3 V que la tension d’entrée soit supérieure, égale ou inférieure à la tension de sortie. Par chance, Linear Technology a récemment mis au point un nouveau convertisseur Buck-Boost capable de répondre à ces besoins. Il s’agit du LTC3532.

 

Le LTC3532 possède un rendement élevé, une fréquence fixe et une structure Buck-Boost capable de réguler une tension de sortie supérieure, inférieure ou égale à la tension d’entrée à l’aide d’une seule inductance. La plage de tensions d’entrée s’étend de 2,4 à 5,5 V et la plage de tensions de sortie est comprise entre 2,4 et 5,25 V. Le courant de crête en sortie peut atteindre 500 mA pour une tension de sortie de 3,3 V. La structure du LTC3532 offre une fonction de transfert continue pour n’importe quel mode d’utilisation (abaisseur, suiveur et élévateur). Cela fait du LTC3532 le produit idéal pour allonger la durée de fonctionnement d’une batterie en présence d’une cellule unique Li-Ion, de batteries alcalines équipées de plusieurs cellules ou de batteries NiMH, qui se caractérisent par une baisse de la tension d’entrée au fur et à mesure que la batterie se décharge.

Utilisation d’un disque dur avec un baladeur multimédia ou un téléphone intelligent

 La recherche de systèmes de stockage compacts d’une capacité supérieure offrant une lecture et une écriture faciles a favorisé l’essor du disque dur sur les baladeurs multimédias et les téléphones intelligents. Prenons le cas du baladeur multimédia : il peut être facilement alimenté par un adaptateur secteur, un câble USB ou par la batterie Li-ion. Toutefois, le contrôle du schéma de puissance pour ces sources d’alimentation est un véritable défi sur le plan technique.

 
Un autre problème de taille pour le convertisseur DC/DC est la génération d’une tension de sortie régulée se trouvant dans la large plage des tensions d’entrée. Pour clarifier un peu cela, il peut être intéressant de considérer un baladeur multimédia alimenté par une batterie Li-Ion à cellule unique et une ligne d’alimentation de 3,3 V. Une cellule classique avec cathode aux oxydes de lithium et de cobalt permet un profil de décharge de 3 à 4,2 V. Cependant, la ligne d’alimentation du système nécessite une sortie de 3,3 V. La tension de sortie est donc inférieure ou égale à la plage de tensions d’entrée de la batterie Li-ion.

Généralement, pour résoudre ce problème, on utilise un convertisseur SEPIC ou un convertisseur Buck-Boost. Ces types de convertisseurs assurent une tension de sortie fixe lorsque la tension de départ est supérieure, inférieure ou identique à la tension de sortie. Les convertisseurs SEPIC présentent toutefois certains inconvénients importants :

 

  • Une conception difficile due aux multiples inductances ou au volumineux transformateur nécessaires.
  • La boucle de régulation est complexe et difficile à stabiliser en présence d’une large plage de tensions d’entrée, comme avec les batteries Li-Ion.
  • Le système s’avère particulièrement encombrant et relativement haut.
  • Le rendement de conversion est faible (généralement entre 75 et 80 %).
  • Des problèmes de température peuvent se présenter à des niveaux de puissance de sortie supérieurs.

 

Une approche efficace consisterait à utiliser un convertisseur utilisant une seule inductance capable de contrôler quatre commutateurs internes autorisant les modes abaisseur, élévateur et suiveur. Ce type de convertisseur Buck-Boost à quatre commutateurs est avantageux car il est facile à concevoir, il dispose d’une densité élevée et il permet un rendement élevé en raison de son fonctionnement en mode synchrone.

 

Alimentation de 3,3 V à 500 mA en cas de rotation du disque dur

Il est clair que les concepteurs des baladeurs multimédias disposent d’un certain nombre d’options pour faire en sorte que l’autonomie de la batterie soit optimisée en présence d’une configuration donnée. L’association de circuits ASSP multifonctions peut fournir les tensions et les niveaux de puissance nécessaires afin de garantir l’efficacité du système en faisant en sorte que la batterie soit moins sollicitée en cas d’utilisation normale.

 Le circuit ASSP peut cependant être incapable d’utiliser l’intégralité de l’énergie des nouvelles batteries Li-Ion à haute densité telles que celles qui composent la gamme Nexelion de Sony. En effet, une fois que la tension de la batterie sera inférieure au niveau requis, à savoir 3,3 V, le circuit ASSP ne pourra pas intervenir pour élever la tension de sortie jusqu’au niveau demandé. Étant donné que les batteries Nexelion présentent des tensions comprises entre 2,5 et 4,2 V, plus de 30 % de leur énergie demeurera inutilisée. Une nouvelle approche, plus simple, se veut donc une excellente solution de rechange pour alimenter un disque dur au cours des cycles de décharge classiques de ce nouveau type de batterie Li-Ion. Dans ce cas, la solution idéale serait un convertisseur Buck-Boost synchrone monolithique qui délivrerait une tension de 3,3 V que la tension d’entrée soit supérieure, égale ou inférieure à la tension de sortie. Par chance, Linear Technology a récemment mis au point un nouveau convertisseur Buck-Boost capable de répondre à ces besoins. Il s’agit du LTC3532.

 Le LTC3532 possède un rendement élevé, une fréquence fixe et une structure Buck-Boost capable de réguler une tension de sortie supérieure, inférieure ou égale à la tension d’entrée à l’aide d’une seule inductance. La plage de tensions d’entrée s’étend de 2,4 à 5,5 V et la plage de tensions de sortie est comprise entre 2,4 et 5,25 V. Le courant de crête en sortie peut atteindre 500 mA pour une tension de sortie de 3,3 V. La structure du LTC3532 offre une fonction de transfert continue pour n’importe quel mode d’utilisation (abaisseur, suiveur et élévateur). Cela fait du LTC3532 le produit idéal pour allonger la durée de fonctionnement d’une batterie en présence d’une cellule unique Li-Ion, de batteries alcalines équipées de plusieurs cellules ou de batteries NiMH, qui se caractérisent par une baisse de la tension d’entrée au fur et à mesure que la batterie se décharge.

 

Dans un baladeur multimédia alimenté par une batterie Li-Ion, un disque dur miniature de 1 pouce nécessite une tension constante de 3,3 V à un courant nominal de 300 mA présentant un courant de crête de 500 mA. La tension de sortie de la batterie Nexelion de Sony est comprise entre 2,5 et 4,2 V. Le LTC3532 fonctionnera donc en mode abaisseur tandis que la tension de la batterie diminue de 4,2 à 3,3 V. À 3,3 V, le LTC3532 passera en mode « Buck-Boost à 4 commutateurs ». Cela permet un passage en douceur entre le mode Buck et le mode Boost en évitant ainsi toute instabilité, ondulation ou bruit. Une fois que la tension de la batterie descend sous 3,3 V pour atteindre 2,5 V, le LTC3532 passe en mode élévateur. À la différence des abaisseurs classiques, le LTC3532 peut prolonger la durée de vie de la batterie de plus de 30 %.

 Un convertisseur DC/DC multiple pour 4 lignes faible puissance

Les propos ci-dessus montrent bien l’intérêt grandissant pour un convertisseur DC/DC relativement intégré capable d’alimenter efficacement plusieurs sorties à des courants modérés. Un tel convertisseur conviendrait parfaitement aux lecteurs multimédias portables et aux téléphones intelligents. Linear Technology a récemment présenté le LTC3544, destiné à offrir une solution optimisée et compacte à ces appareils. Le LTC3544 est un convertisseur DC/DC abaisseur synchrone quadruple opérant à 2,25 MHz. Il présente quatre sorties indépendantes générant respectivement un courant continu de 300 mA, deux fois 200 mA et 100 mA. La plage de tensions d’entrée se trouve entre 2,25 et 5,5 V. Il convient donc aux appareils alimentés par des batteries Li-Ion ou polymères. La haute fréquence de commutation, associée à un boîtier CMS de 3 mm x 3 mm permet l’utilisation d’inductances et condensateurs de petites tailles et assurent un encombrement minimal. Enfin, les commutateurs synchrones internes augmentent le rendement et éliminent le besoin de diodes Schottky externes.

Conclusion

Les concepteurs de périphériques portables alimentés par batterie disposent d’un certain nombre de possibilités quant à l’intégration d’un disque dur dans leurs appareils ou d’un convertisseur DC/DC compact pour les lignes basse tension. Par chance, Linear Technology propose toute une gamme de produits destinés à simplifier la tâche de ces concepteurs.

 

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