La conception du chemin d'alimentation, également appelée partage de charge, alloue à votre appareil un chemin dédié entre la source d'entrée et le système, tandis qu'un chemin séparé recharge la batterie. La charge s'interrompt en fonction de certains seuils de tension et de courant.
Sans cela, un appareil en fonctionnement entre en concurrence avec le chargeur pour le courant. La batterie peut se décharger, le temps de charge s'allonge et le courant de consommation fausse la mesure de fin de charge.
Cela a une incidence sur les fabricants d'équipements des secteurs médical, robotique, de la sécurité, des infrastructures et industriel qui s'approvisionnent en batteries lithium sur mesure. Les compromis varient selon l'application et nécessitent une validation du système.
Les quatre parties suivantes expliquent : l’importance du chemin d’alimentation, les principaux composants du circuit, le fonctionnement pendant la charge et la fin de la charge avec vérification.
Points clés à retenir
La conception du circuit d'alimentation permet à votre appareil de fonctionner sur l'adaptateur pendant que la batterie se charge séparément.
Un budget d'entrée approprié et un contrôleur de chemin d'alimentation peuvent réduire la décharge inutile de la batterie ; le mode d'appoint peut toujours consommer du courant de la batterie.
L'arrêt précis de la charge est possible car le chargeur mesure uniquement le courant de la batterie.
Le démarrage sans batterie ou avec une batterie déchargée dépend du contrôleur, du budget de la source et du profil de charge et doit être testé.
Vérifiez toujours le dessin sur banc d'essai avec des mesures réelles avant de l'approuver.
Partie 1 : Pourquoi la conception du circuit d’alimentation est importante pour les appareils OEM
1.1 Le problème de la simple charge
Un chargeur « compatible » avec votre batterie régule uniquement le courant et la tension. Il ne dit rien de la consommation électrique de votre appareil. C’est là toute la différence entre la compatibilité générale d’un chargeur et le véritable partage de charge.
La conception du circuit d'alimentation comble ce manque. Elle fournit à la charge du système son propre chemin d'alimentation depuis l'adaptateur et réserve un chemin séparé et régulé pour la batterie. Votre appareil ne consomme plus son courant de fonctionnement via la borne de la batterie du chargeur.
Prenons l'exemple d'un moniteur médical portable équipé d'une batterie NMC. Les spécifications de la batterie peuvent autoriser un courant de charge défini, mais l'électronique de l'appareil consomme une part importante de la puissance de l'adaptateur. Un simple chargeur ne peut pas séparer ces deux courants. Un circuit d'alimentation dédié, en revanche, le peut.
1.2 Conflits liés à la consommation de la batterie et au temps de charge
Sans partage de charge, un appareil en fonctionnement et le chargeur se disputent le même courant. Lorsque la consommation dépasse la capacité de l'adaptateur, la batterie compense la différence. La batterie se décharge lorsqu'elle est branchée, et le temps de recharge est allongé.
L'ajout répété de batteries peut affecter le débit d'énergie et la chaleur. Il convient d'évaluer le cycle de fonctionnement réel plutôt que de comptabiliser chaque événement partiel comme un cycle complet.
La chimie est un facteur important. Les batteries LiFePO4, LCO et LMO réagissent différemment aux cycles partiels, et leurs caractéristiques diffèrent de celles de la batterie. Avant tout achat, vérifiez le comportement de ces batteries en vous basant sur leurs caractéristiques techniques et les conditions réelles de votre système.
Partie 2 : Composants clés d'un circuit d'alimentation
2.1 Diode idéale et transistors FET d'entrée
Une diode idéale est placée à l'entrée de l'adaptateur. Elle se comporte comme un interrupteur quasi sans perte, et non comme une diode classique. Lorsque l'adaptateur est branché, elle laisse passer le courant vers le système. Lorsqu'il est débranché, elle bloque le courant inverse, empêchant ainsi la batterie de renvoyer du courant vers l'entrée.
Les transistors FET d'entrée remplissent la même fonction à des courants plus élevés. Leur emplacement influence la conception globale. Les transistors FET côté bas sont placés sur le chemin de masse de la batterie et simplifient le circuit, mais perdent la référence de masse lors des mises en sécurité. Les transistors FET côté haut sont placés sur le chemin positif et maintiennent la batterie et le système sur une masse commune, ce que la plupart des concepteurs privilégient pour des raisons de sécurité.
Distinguez la gestion du chemin d'alimentation du chargeur de la protection des batteries à ports communs ou séparés. Sélectionnez la configuration de commutation en fonction des exigences du circuit et vérifiez le blocage du courant inverse, le courant d'appel et le comportement en cas de défaut.
2.2 Contrôleur de charge et chemin de charge du système
Le contrôleur de charge régule le courant et la tension d'entrée de la batterie. Le circuit de charge du système se connecte directement à l'adaptateur. Ensemble, ils forment un nœud intermédiaire, souvent appelé troisième nœud, entre l'entrée, la batterie et le système. Ce nœud permet un démarrage instantané. Votre appareil démarre à partir de l'adaptateur même lorsque la batterie est fortement déchargée ou absente.
Le système de gestion de la batterie supervise le pack situé derrière ce nœud. Un étage d'entrée analogique détecte les signaux des cellules et signale les défauts. Un indicateur de niveau de charge estime l'état de charge et l'état général de la batterie. Un microcontrôleur assure les diagnostics et les communications, et un protecteur secondaire renforce la sécurité. L'équilibrage des cellules permet de gérer les déséquilibres au sein des groupes en série, le cas échéant. Pour en savoir plus sur ces fonctions, consultez la documentation. Page BMS et PCMUne bonne conception du circuit d'alimentation associe le contrôleur à un système de gestion de batterie (BMS) qui fournit des données précises sur les cellules.
Partie 3 : Fonctionnement de la conception des chemins d'alimentation pendant le fonctionnement
3.1 Alimentation du système à partir de la source d'entrée
L'adaptateur alimente d'abord le système. La conception Power-Path achemine le courant d'entrée directement vers l'électronique de l'appareil, tandis que la batterie est connectée à un circuit séparé. Votre appareil fonctionne sur secteur, et non sur la batterie.
Le budget d'entrée fixe la limite. Prenons l'exemple d'un adaptateur fournissant un courant fixe, dont la carte consomme la majeure partie en période de pointe. Seul le reste peut alimenter la batterie. Dimensionnez l'adaptateur en fonction de la somme de la charge maximale et du courant de charge cible, puis vérifiez la répartition en laboratoire. Ces valeurs sont données à titre indicatif uniquement. Votre budget réel dépend des spécifications de l'adaptateur, de celles de la cellule et de la validation du système.
Vérifiez les courbes de déclassement de l'alimentation et du chargeur sélectionnés, la température de l'enceinte et les conditions de refroidissement réelles. Il n'existe pas de point de déclassement ambiant universel, d'exigence de débit d'air ou de pourcentage de réduction de convection universel.
La commutation automatique assure la continuité de service de l'appareil en cas de déconnexion de l'adaptateur. Les dispositifs médicaux tels que les pompes à perfusion et les respirateurs dépendent de ce fonctionnement. Prévoyez un budget pour la sécurité des batteries conformément à la norme IEC 62133 et pour la prise en compte du vieillissement des cellules, et pas seulement pour le circuit de commutation.
Définissez la chute de tension et l'interruption autorisées par rapport aux exigences réelles de l'hôte. Testez le retrait et la reconnexion de l'adaptateur, les variations de charge et les transitions de protection ; le nom de l'application seul ne détermine pas la tolérance aux interruptions.
3.2 Chargement de la batterie en parallèle
Le régulateur de charge gère le circuit de la batterie pendant le fonctionnement du système. Il maintient un courant régulé dans la batterie, puis le réduit progressivement à mesure que celle-ci approche de sa tension limite. En fonctionnement normal sur secteur, le circuit du système est indépendant du circuit de charge de la batterie. Veuillez vérifier séparément le fonctionnement en mode d'appoint et dans les autres modes.
Cette indépendance est essentielle. Un chargeur simple mesure un courant unique qui mélange le courant de charge et le courant de décharge. Un chargeur à circuit dédié mesure uniquement le courant de charge. Cette séparation permet une terminaison précise, qui est traitée dans la partie 4.
Partie 4 : Gestion de la résiliation des frais
4.1 Seuil de tension et de courant
Un chargeur de batteries lithium-ion fonctionne en deux phases. En phase de courant constant, il fournit un courant fixe à la batterie. Lorsque celle-ci atteint sa tension limite, le chargeur passe en mode tension constante et la maintient. Le courant de charge diminue ensuite progressivement à mesure que les cellules se remplissent.
Pour de nombreuses implémentations de chargeurs CC/CV, l'arrêt dépend de la tension et du courant de charge de la batterie, lesquels sont définis par des temporisateurs, des modes de fonctionnement et une logique de température spécifiques au contrôleur. Consultez la documentation du contrôleur et de la cellule choisis, et non un pourcentage universel du courant nominal.
Les limites de tension dépendent de la chimie et des spécifications de la cellule. Ces valeurs sont données à titre indicatif et doivent être vérifiées à l'aide de la fiche technique de votre cellule.
Déterminez les limites de charge du pack à partir des spécifications approuvées des cellules, du nombre de cellules en série, des tolérances et des paramètres de protection. Assurez-vous qu'aucune cellule individuelle ne dépasse ses conditions admissibles.
Spécifiez simultanément la tension et le courant de charge, les critères d'arrêt, les conditions de redémarrage et les limites de température. Un courant d'arrêt plus faible n'est pas forcément préférable ; vérifiez le temps de charge, l'exposition thermique et les exigences relatives aux cellules.
4.2 Minuteries, contrôles de sécurité et vérification
Le courant seul ne devrait pas interrompre une charge. Ajoutez une minuterie de sécurité qui arrête le cycle après un délai défini, même si le système ITERM ne se déclenche jamais. Intégrez un contrôle de la température de la batterie et suspendez la charge en dehors de la plage autorisée par la fiche technique de la cellule. Surveillez toute batterie qui n'atteint jamais sa tension limite et signalez-la comme défectueuse.
Établissez votre liste d'exigences avant d'approuver un design :
Partage de charge : vérifiez que le système fonctionne à partir de l’adaptateur pendant que la batterie se recharge.
Budget d'entrée du chargeur : dimensionnez l'adaptateur pour la charge la plus défavorable plus le courant de charge cible.
Seuil de terminaison : définir la tension de charge et l’ITERM à partir de la fiche technique de la cellule, puis vérifier sur banc d’essai.
Limites thermiques : vérifier la courbe de déclassement dans les conditions ambiantes internes les plus défavorables.
Commutation d'alimentation : définir le comportement en cas de défaillance de l'adaptateur et le tester en charge.
Vérifiez chaque élément par des mesures en laboratoire, et non par les hypothèses de la fiche technique. Enregistrez le courant de charge, la tension de la batterie et la température de la carte sur un cycle complet.
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Un chemin d'alimentation validé sépare la charge du système de la mesure du courant de la batterie et contrôle les transitions de source. Il ne remplace pas la protection indépendante de la batterie et ne garantit pas la sécurité au niveau du composant. Ne validez la conception qu'après avoir vérifié le profil de charge réel, le bilan énergétique, les limites de température et les réponses aux défauts.
QFP
En quoi le partage de charge diffère-t-il d'un chargeur qui revendique la compatibilité avec les batteries ?
La compatibilité indique seulement que le chargeur régule le courant et la tension de la batterie. Elle ne dit rien sur la consommation d'énergie de votre appareil. Le partage de charge ajoute un chemin distinct entre l'adaptateur et le système, empêchant ainsi vos appareils électroniques de consommer du courant via la borne de la batterie du chargeur.
Comment choisir la taille de l'adaptateur pour un appareil qui se recharge pendant son fonctionnement ?
Ajoutez la charge maximale de votre système à votre courant de charge cible, puis vérifiez la répartition en laboratoire. Contrôlez la courbe de déclassement de l'alimentation à la température ambiante interne la plus élevée, et non à température ambiante. Pour une alimentation sans ventilateur, utilisez la valeur nominale en convection, généralement inférieure à celle en ventilation forcée.
Pourquoi la charge système perturbe-t-elle la terminaison de charge ?
Un chargeur simple mesure un courant unique qui combine charge et consommation. Si votre appareil consomme suffisamment, ce courant combiné risque de ne jamais descendre en dessous du seuil ITERM, empêchant ainsi la fin du cycle. La conception du chemin d'alimentation, quant à elle, mesure uniquement le courant de charge, garantissant ainsi une décision de fin de charge précise.
Mon appareil peut-il démarrer avec une batterie très faible ou manquante ?
Oui, si le circuit comporte un nœud intermédiaire entre l'entrée, la batterie et le système. Ce troisième nœud permet à l'appareil de démarrer directement depuis l'adaptateur. Vérifiez ce comportement sur votre propre matériel, car le démarrage instantané dépend de votre contrôleur et du profil de charge.
Que dois-je vérifier avant d'approuver un schéma de circuit électrique ?
Enregistrez le courant de charge, la tension de la batterie et la température de la carte sur un cycle complet. Testez la commutation sous charge lorsque l'adaptateur se déconnecte. Vérifiez la tension de charge et les paramètres ITERM par rapport à la fiche technique de la cellule et contrôlez la marge thermique dans les conditions ambiantes les plus défavorables. Chaque résultat dépendra du cycle de service.
Partie 5 : Référence technique principale
Texas Instruments explique la séparation du courant du système et de la batterie dans son Article technique sur le chargeur de chemin d'alimentationLe comportement spécifique du composant doit tout de même être vérifié par rapport à la fiche technique du contrôleur sélectionné.
