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Alimenter un circuit en 3.3V à partir d’une batterie Lithium 1S

Dans de nombreux systèmes, la majorité de l’électronique est alimentée par un rail 3.3V. La plupart des microcontrôleurs modernes ainsi qu’un grand nombre de capteurs et périphériques sont conçus pour fonctionner à cette tension. Cependant, un problème se pose lorsque l’on souhaite alimenter ces circuits à l’aide d’une simple batterie Lithium-ion, dont la tension varie généralement entre 4.2V et 2.8V. Dans cet article, nous allons étudier les différentes solutions permettant de résoudre ce problème et les avantages de chacune d’entre elles.

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Un microcontrôleur, coeur d’un système, peut généralement être alimenté pendant des mois sur une batterie

Solution 1 : Un simple régulateur LDO 3.3V

Cette solution est la plus évidente et se retrouve dans de nombreux circuits.

Pour rappel, un régulateur LDO (Low Drop Out) est un régulateur de type linéaire, c’est-à-dire qu’il agit comme une résistance variable afin de fournir une tension de sortie régulée. La caractéristique LDO indique que la tension de sortie est régulée jusqu’à une différence entre la tension d’entrée et la tension de sortie (« dropout voltage ») faible, variable de 0.5V à 0.05V en fonction des modèles.

Ces régulateurs ont l’avantage d’être très peu chers et faciles à intégrer puisqu’ils ne nécessitent généralement que 2 condensateurs comme composants externes. Ils ne souffrent pas de problèmes de bruit parasites ou radio puisqu’ils ne commutent pas. Ils ont même un effet de filtre anti-bruit, bien que l’efficacité de ce filtre ne soit pas excellente. Leur efficacité est directement liée à la différence entre la tension d’entrée et de sortie, selon la formule suivante :

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Efficacité d’un LDO 3.3V entre 4.2V et 3.4V

L’efficacité varie donc entre 80% et 95% en fonction de la tension de la batterie, ce qui est plutôt bon. A noter également que les LDO on un courant de repos (« quiescent current ») de l’ordre de quelques dizaines de micro-ampères.

Il y a 2 principaux soucis à l’utilisation d’un LDO. Le premier est l’efficacité à plus de 4V. En effet, celle-ci est d’environ 80%, le reste étant dissipé en chaleur par le régulateur lui-même. Le second problème, et le plus important, est la limitation de la plage d’utilisation de la batterie. En effet, la tension de la batterie doit être supérieure à 3.3V + « dropout voltage » pour que la régulation fonctionne. Cela limite donc la batterie à un usage entre 4.2V et 3.5V environ. Si l’on prend l’exemple de la cellule INR18650–35E, d’après le graphique suivant, on ne peut utiliser que 2500 mAh sur les 3500 mAh nominaux.

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Profil de décharge d’une cellule INR18650–35E (source)

Cette perte de capacité peut être acceptable selon le besoin, mais elle est à prendre en compte au moment du design. Il est également possible d’utiliser un système avec un régulateur LDO 3.3V en dessous de la tension minimum régulée. La tension de sortie sera alors égale à la tension d’entrée, moins le « dropout voltage ». Là encore, ce mode de fonctionnement peut être acceptable ou non en fonction du besoin.

Dans ce mode non régulé, en plus de la tension minimum d’alimentation de tous les composants sur le rail 3.3V, il faut alors également prendre en considération le réglage de la fréquence du microcontrôleur qui peut ne pas être disponible à une tension inférieure à 3.3V, la communication avec d’autres composants alimentés par d’autres rails ou encore le changement de la tension de référence des capteurs ou de l’ADC du MCU.

Parmi les LDO les moins chers adaptés à notre cas d’usage, on peut citer le MIC5317–3.3 de chez Microchip. Avec un « dropout voltage » de 0.15V, un courant max de 150 mA et une tension max de 6V, il est parfaitement adapté à l’alimentation d’un microcontrôleur et d’un petit circuit 3.3V par une batterie 1S. D’autres références peuvent avoir un dropout plus faible, comme le MIC5305–3.3, mais sont également plus chères à l’achat.

Solution 2 : Un régulateur Buck-boost

Un régulateur buck-boost est un type de régulateur à découpage produisant une tension de sortie régulée pour une tension d’entrée pouvant être supérieure ou inférieure à la tension de sortie.

Ils sont efficaces sur toute la plage de courant et assurent une tension de sortie de 3.3V pour tout niveau de batterie. Leur « quescient current » est similaire à celui d’un LDO.

Un exemple de régulateur buck-boost adapté à notre cas d’utilisation est le TPS63051 de Texas Instruments. Il permet un courant de sortie jusqu’à 0.5A sur toute la plage d’utilisation de la batterie, avec une efficacité comprise entre 87% et 95%. Ce graphique représente l’efficacité de ce régulateur d’après l’outil webench de TI.

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Efficacité du TPS63051 en fonction du courant de sortie à différents Vin

Le régulateur buck-boost a cependant 2 problèmes principaux. Son coût d’intégration est beaucoup plus élevé que celui d’un LDO simple (1,50€ contre 0,20€ environ pour le LDO). Etant un régulateur à découpage, il introduit également du bruit parasite sur le circuit, qui peut potentiellement poser un problème à d’autres composants. Enfin, du fait de la multitude de composants annexes et notamment l’inductance, leur footprint est plus importante qu’un LDO.

Cette approche n’est donc qu’à conseiller dans des cas spécifiques, si l’efficacité énergétique est cruciale, si l’on ne peut accepter une tension plus basse que 3.3V et/ou si la tension de la batterie est supérieure à 4V la majorité du temps.

Solution 3 : Alimenter à une tension plus faible

Un grand nombre de composants 3.3V peuvent être alimentés avec une tension inférieure, comme 2.5V ou 1.8V. Si c’est le cas pour tous les composants du rail, c’est une approche qui a de nombreux avantages puisque ces tensions sont inférieures à la tension minimum d’une batterie. Dés lors, on peut utiliser un régulateur « step-down » uniquement et assurer la tension délivrée pour tous niveaux de batterie.

Il y a ainsi 2 possibilités, utiliser un régulateur linéaire LDO comme dans la solution 1, ou utiliser un « buck converter », c’est-à-dire un régulateur à découpage abaisseur de tension.

La solution du régulateur LDO ne présente réellement qu’un avantage par rapport à la solution 1 : l’assurance d’une tension définie régulée. En effet, en choisissant un régulateur 2.5V avec un « dropout » de 0.15V, on peut descendre sans problème à 2.8V, tension minimum de la plupart des batteries Lithium. Cette solution a cependant un inconvénient majeur, son efficacité, comme le montre ce graphique :

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Efficacité d’un LDO 2.5V en fonction de la tension d’entrée

Pour la majorité de la plage d’utilisation d’une batterie, c’est-à-dire entre 4.2V et 3.4V, l’efficacité est comprise entre 60% et 75%. C’est donc une solution qui n’est recommandable que dans un cas, si l’efficacité n’est pas une priorité, que le coût est un facteur clé et que la tension d’alimentation doit être constante.

La deuxième solution est beaucoup plus intéressante niveau efficacité. Elle utilise un régulateur « buck » qui est un régulateur à découpage qui ne fonctionne qu’en abaisseur de tension (« step-down »). Ils sont plus efficaces que les LDO pour la majorité des plages d’utilisation, avec une efficacité généralement supérieure à 90%.

Par exemple, Texas Instruments propose le TPS62808 qui permet une efficacité de 95% minimum (comme indiqué sur le graphique suivant, avec une tension de sortie de 2.5V), d’un courant de sortie maximum de 0.6A et dispose d’un « quiescent current » inférieur à 10 uA. Il a également un mode « 100% duty cycle » permettant de l’utiliser en passthrough si la tension d’entrée est inférieure à la tension régulée.

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Efficacité du TPS62808 en fonction du courant de sortie à différents Vin

Tout comme le buck-boost présenté précédemment, le principal inconvénient de cette solution est la complexité de sa mise en œuvre. Elle nécessite plusieurs composants externes, notamment une inductance, augmentant le coût et la taille du circuit. Le coût est cependant plus faible qu’un buck-boost puisque le régulateur lui-même est moins cher. Le total revient donc aux alentours de 0,80€, la moitié du coût d’un buck-boost. Cette solution introduit également du bruit parasite potentiellement problématique pour d’autres composants.

Cette dernière possibilité est donc la plus adaptée dans de nombreux cas s’il est possible d’utiliser une tension de 2.5V et si l’efficacité est un critère important.

Comparaison des solutions via un cas pratique

Nous allons maintenant comparer les différentes solutions présentées à travers un cas pratique afin de déterminer l’efficacité et donc la durée de vie sur batterie d’un système.

Prenons un système composé d’un microcontrôleur, d’un capteur et d’une radio fonctionnant sur une simple batterie Samsung INR18650–35E. On ne prend pas en compte la décharge naturelle de la batterie pour simplifier les calculs.

Le fonctionnement du système est le suivant :

- Toutes les minutes, le microcontrôleur lit les données du capteur pendant 5 secondes. Durant cette période, le système consomme 5 mA.

- Toutes les heures, le système envoie les données qu’il a capté pendant 30 secondes. Durant cette phrase, la consommation du système est de 15 mA.

- En dehors de cette phases, le système se met en veille, ne consommant que 50 uA.

Le fonctionnement est résumé de la façon suivante :

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On modélise également la batterie en définissant la quantité d’énergie à chacun de ses niveaux de tension, par palier de 0.1V, en se basant sur l’INR18650–35E :

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Ensuite, on crée un modèle pour chaque convertisseur de puissance qui donne l’efficacité dudit convertisseur pour chaque niveau de tension et pour chaque niveau de charge du système. Ici le modèle pour le LDO 3.3V :

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Enfin, on peut calculer la durée de vie sur batterie du système en calculant la durée pour chaque palier puis en y appliquant le facteur d’efficacité de chaque convertisseur calculé précédemment. En faisant la somme de la durée à chaque palier, on obtient la durée de vie totale du système sur batterie :

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Les convertisseurs les plus efficaces sont donc, dans l’ordre :

- Le buck 2.5V (95.9%)

- Le buck-boost (93.3%)

- Le LDO 3.3V incluant les tensions non régulées (84.4%)

- Le LDO 3.3V coupant à 3.3V (66.2%)

  • Le LDO 2.5V (65.8%)
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Pour le système défini, on peut donc obtenir une autonomie améliorée de 45% en utilisant un buck 2.5V plutôt qu’un LDO 2.5V. Si l’on devait compenser cette perte d’efficacité par une augmentation de la taille de la batterie, il faudrait utiliser une batterie de 5100 mAh au lieu de 3500 mAh, ce qui correspond aux batteries au format 21700 les plus performantes. Le surcoût entrainé par ce changement serait alors probablement bien plus important que le changement de convertisseur correspondant, sans prendre en compte la problématique de taille.

Le choix du convertisseur de puissance est donc un point essentiel du design d’un produit puisqu’il a un impact très important sur l’autonomie. Si vous avez besoin d’aide pour réaliser votre projet, contactez-nous.

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