Appareils portables : comment tester l`alimentation

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Solutions
INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE
Appareils portables :
comment tester
l’alimentation
▼
Les téléphones mobiles, les PDA, les notebooks et plus généralement tous les appareils portables sont équipés de systèmes
de gestion de la consommation qui leur permettent de disposer d’une autonomie de plus en plus importante. De nombreux
circuits intégrés ont été développés pour cela. Pour le concepteur de l’équipement portable, l’évaluation des performances
de ces circuits nécessite de réaliser des tests. Il existe pour cela des alimentations spécialisées, aussi bien pour simuler le fonctionnement de la batterie que celui du chargeur. C’est ce qu’explique ici Agilent Technologies.
C
es dernières années, de gros progrès ont été accomplis au niveau
de l’autonomie des équipements
portables et/ou de terrain alimentés sur batterie. Ceux-ci s’expliquent en
grande partie par l’incorporation de systèmes
de gestion de l’énergie consommée par les
différents sous-ensembles de l’équipement.
Ces systèmes de gestion d’énergie se présentent sous la forme de circuits intégrés qui
comportent divers blocs de fonction tant
analogiques
que
L’essentiel
numériques. Citons les
L’utilisation de composants
principaux.
basse consommation et
Le bloc “chargeur de
l’amélioration des batteries
batterie”surveille la batsont pour beaucoup dans
terie, l’entrée du charl’augmentation de l’autogeur et le mode d’alinomie des appareils portables.
mentation (soit par la
Les gains obtenus sur l’aubatterie,soit par le chartonomie s’expliquent aussi
geur externe) de l’équipar l’efficacité des syspement. Enfin, il gère la
tèmes de gestion de la
charge de la batterie et
consommation incorporés
éteint l’équipement (si
dans les appareils.
la batterie est vide).
Pour tester l’efficacité de
Les blocs “convertisces systèmes, il faut être
capable de simuler le comseurs continu/continu”
portement de la batterie et
fournissent une énergie
celui du chargeur.
régulée à partir d’une
Des alimentations spécialientrée non régulée. On
sées, avec plusieurs sorties
leur demande de déliet des relais d’isolement,
vrer de plus en plus de
facilitent cette tâche.
puissance, par exemple
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pour alimenter l’écran rétro-éclairé, les microprocesseurs et DSP (processeur numérique
du signal), de plus en plus présents dans les
équipements portables, et très gourmands en
énergie.
Les blocs “régulateurs LDO” (“Low Drop
Out”) sont des régulateurs individuels,chacun
assurant l’alimentation programmable d’un
sous-ensemble de l’équipement. Dans un téléphone mobile, on peut dénombrer jusqu’à
une douzaine de régulateurs LDO, qui alimentent séparément le DSP de gestion de la
bande de base, la sonnerie et le vibreur, l’amplificateur audio, le rétro-éclairage, l’amplificateur de puissance RF ou encore les circuits
émetteur et récepteur.
Parmi les autres blocs de fonction analogiques
présents dans le système de gestion d’énergie de l’équipement, on trouve un ou deux
blocs “amplificateurs audio”. Les nouveaux
amplificateurs de classe D sont de plus en plus
présents, du fait de leur faible dissipation
d’énergie.
De tous ces blocs fonctionnels, le bloc “chargeur de batterie” mérite une attention particulière. Quel que soit le système de gestion de l’énergie utilisé, on retrouve toujours
un peu le même type de bloc “chargeur de
batterie”. Celui-ci commence par identifier
le type de batterie utilisé : nickel-cadmium
(Ni-Cad), nickel-hydrure métallique (NiMH) ou Litium-Ion (Li-Ion). Ensuite, il
applique le régime de charge le mieux adap-
té au type de batterie.
Pour gérer les différentes phases de la charge, le bloc “chargeur” surveille la tension de
batterie, la température, la tension de l’adaptateur et le courant de charge. Le mode de
fonctionnement dans lequel se trouve l’équipement (sur batterie ou sur chargeur/secteur) est également souvent pris en compte,
en raison des limites qu’il impose en termes
d’alimentation et de dissipation thermique.
Les circuits de commande internes du bloc
“chargeur” traitent tous ces paramètres afin
de délivrer une commande au régulateur de
charge et d’informer l’utilisateur sur l’état
de charge de son équipement.
Un cycle de charge en trois phases
Un cycle de charge typique d’une batterie
se décompose en trois phases.
D’abord, on teste l’état de la batterie. L’une
des méthodes consiste à appliquer une brève impulsion de courant à la batterie et à
mesurer sa réponse en tension. À partir de
là, il est possible de connaître le type de batterie utilisé, son état de charge et son impédance.
Ensuite, il faut appliquer le bon régime de
charge, en fonction du type de batterie. La
charge des batteries Ni-Cad et Ni-MH est
réalisée en appliquant un courant constant.
C’est un peu différent pour les batteries LiIon : il faut appliquer un courant constant,
suivi d’une tension constante.
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La troisième phase du cycle de charge, c’est
la fin de la charge. Pour les batteries Ni-Cad
et Ni-MH, la fin de la charge est définie par
un changement de la tension montante/descendante de la batterie et une augmentation
de la température de la batterie. Pour les batteries Li-Ion, la charge est terminée lorsque
l’on constate un “décrochage” du courant
de charge.
L’utilisation d’une alimentation programmable
permet de simuler les conditions de charge les
plus diverses.
En mode normal, une batterie est faite pour
fournir un courant. Mais pendant la charge,
c’est l’inverse qui se produit : elle absorbe
un courant. Dans les deux cas, la tension aux
bornes est relativement constante.
Le plus difficile : la simulation
physique de la charge et
de la décharge de la batterie
Les fabricants de circuits intégrés ont développé de nombreux dispositifs de gestion de
l’énergie des équipements portables. Si ceuxci assurent peu ou prou la même fonction,
leurs performances sont très variables et
dépendent du type d’utilisation de l’équipement. Pour choisir la solution optimale, les
ingénieurs de conception des équipements
doivent évaluer les performances des dispositifs qui leur semblent les mieux adaptés, et
donc de pratiquer des tests.
Pour tester le bloc “chargeur de batterie” d’un
système de gestion de l’énergie, il faut remplacer le chargeur et la batterie par une alimentation de laboratoire qui va simuler ces deux éléments.
Simulation d’un cycle de charge/décharge.
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L’alimentation qui émule la charge et la
décharge de la batterie doit être conçue pour
fonctionner à plein dans deux quadrants. Elle
peut faire office à la fois de source et d’élément dissipateur de courant, tout en maintenant une tension stable. La plupart des alimentations sont conçues pour ne servir que
de source de courant.
Comparaison de deux approches
Critère
Approche classique
Agilent 66319B
Capacité de charge et
décharge de la batterie
Résistance de sortie
de la batterie
Réponse de tension impulsionnelle
de la batterie
Relation entre le niveau de
la charge et la tension
Température de la batterie
Alimentation à courant continu (cc),
2 quadrants
Réseau de résistances programmable
par relais, développé sur mesure
Oscilloscope
Fonctionnement
dans 2 quadrants
Résistance de sortie
programmable
Numérisation des signaux de
tension et de courant de sortie
Tension de sortie programmable
Validation de la fin de
charge d’une batterie Li-Ion
Courant résiduel débité par la batterie
lorsque l’équipement est éteint
Tension de sortie programmable
Deuxième alimentation à
courant continu programmable
Lecture du courant
dans 2 quadrants
Multimètre numérique séparé
Utilisation de la deuxième sortie
de l’appareil
Lecture du courant
dans 2 quadrants
Gamme de mesure de courant
en µA
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Réponse en tension
de la batterie
Temps en ms
Processus de charge
Transistor FET
Résistance de mesure de contrôle externe
de courant
de la charge
Batterie
Température
de la batterie
Etat de
charge
Courant de fin
de charge
0,1 A
Temps en h
Cette opération se fait d’abord avec un courant de charge constant qui fait lentement grimper
la tension.Une fois celle-ci arrivée à son palier,le courant de charge décroît jusqu’à la fin du
cycle de charge.
Etat de la
charge en
sortie
Fin du cycle de charge
Architecture type d’un bloc de gestion de la consommation d’un appareil portable.De nombreux paramètres sont pris en compte :tension
et température de batterie,courant de charge…
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Fin de charge d’une
batterie Li-Ion. Pendant la seconde phase
de la charge, la tension
d’une batterie Li-Ion
“flotte” et augmente
jusqu’à atteindre la
tension de sortie du
chargeur. Cette évolution, conjuguée avec la
résistance série de la
batterie, induit une
diminution progressive du courant de charge, jusqu’à ce que la
batterie soit considé-
Tension de
la batterie
Tension en V
tie. Il faut également pouvoir capturer le signal
de réponse en tension qui en résulte.
Relation de dépendance entre l’état de la
charge et la tension. La tension de la batterie
varie en fonction de son niveau de charge.
C’est l’un des paramètres clés pour établir les
points de fin de charge et de fin de décharge.
La possibilité de programmer avec précision
la tension de sortie, avec un afficheur restituant la valeur avec une précision de 0,2 %
ou mieux, est indispensable pour établir la
relation entre l’état de charge de la batterie et
la tension de sortie, et déterminer ainsi le
moment de fin de charge de la batterie.
Température de la batterie.La température de
batterie est un précieux indicateur : celle-ci est
Courant de charge constant
Fin de charge
lors d’une chute
de 50 à 100 mV
et/ou une
élévation de
température
rapide
Température en °C
Tension
de charge
Courant en A
Courant de
charge
Courant en A
Montage
de contrôle Tension de
de la charge la batterie
Résistance à
coefficient
de température négatif
(NTC)
Tension en V
Tension de
la batterie
Bloc de charge
de la batterie
Tension
d’entrée de
référence
Tension de
charge constante
à 4,2 V/cellule
Courant de
charge
constant 1A
Courant de charge
Courant
de charge
Impulsion du courant
de charge
En appliquant une brève impulsion de courant de charge,on est capable de déterminer l’état et les
caractéristiques de la batterie testée.
Exemple de bloc de fonction “chargeur de batterie”
implémenté dans un appareil portable
Adaptateur
ca/cc
Test de charge de la batterie
Courant en A
surveillée à l’aide d’une
thermistance à coefficient de température
négatif (CTN) noyée
dans la batterie.Ce capteur délivre une tension
proportionnelle à la
température, qui est
exploitée par le bloc de
fonction “chargeur”de
la batterie.
Lors d’un test, un
signal de tension peut
habituellement remplacer une résistance
pour simuler la température de la batterie.
Tension en V
Résistance de sortie et réponse en tension
de la batterie. Lors de l’évaluation des performances d’un système de gestion de
l’énergie, la question de la résistance de sortie est aussi à considérer. N’étant pas une source de tension idéale, la batterie présente typiquement une résistance en sortie série de
quelques dizaines, voire de centaines de milliohms. Lors d’un test, la tension de la batterie
dépend principalement de cette résistance.
Certains blocs de fonction “chargeur de batterie” offrent la possibilité de fournir le
niveau de charge de la batterie incorporée
dans l’équipement portable. Pour tester la
performance de cette fonction, il est intéressant que l’équipement de test permette de
simuler par programme la résistance de sor-
Température de la batterie
Temps en h
La fin de charge dépend du type de batterie.Pour les batteries Ni-Cad et Ni-MH,la fin du processus
est déclenchée par une baisse de la tension de batterie et conjuguée par l’élévation de sa température.
Pour une batterie Li-Ion,c’est la baisse du courant de charge tiré par la batterie qui déclenche la fin
de charge.
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Deux appareils seulement
rée comme pleinement chargée.
Pour émuler la fin de charge de la batterie
Li-Ion, il faut donc pouvoir programmer à
la fois la tension en sortie et la résistance de
sortie série. Une lecture précise du courant
négatif (second quadrant) est nécessaire pour
valider le point de fin de charge.
Courant résiduel de la batterie.Lorsque la batterie n’est pas en charge et que l’équipement
portable est éteint,la batterie ne doit pas débiter
un courant important. Ce courant est typiquement de l’ordre de quelques micro-ampères.
Pour évaluer la performance du système de
gestion d’énergie pour ce courant résiduel,
l’instrument de mesure utilisé doit être
capable de mesurer des courants très faibles,
et avec une bonne précision.
Émulation et remplacement de batterie
Source
d’énergie
programmable
du 2ème
Quadrant
Source
d’énergie
programmable
du 1er
Quadrant
Lecture précise
de la tension
Port
batterie
Température
de
la batterie
Lecture précise
du courant
Port
adaptateur
Relais de
déconnexion
Système de
charge de la
batterie
Émulation et remplacement d’adaptateur
Pour tester l’efficacité du système de gestion de la consommation incorporé sur un appareil portable,il faut disposer d’instruments capables
de faire des mesures mais aussi de simuler le fonctionnement de la batterie et du chargeur.Le banc d’essai réalisé avec des instruments à
usage général peut comporter un nombre conséquent d’instruments…
sion d’environ 0,2 %.
Il faut que cette tension puisse varier entre
les limites maximum
et minimum du chargeur utilisé.
Limites du courant de
sortie.Souvent,les dispositifs de charge des
équipements doivent
maintenir un niveau
de courant constant
lorsque la batterie est à
pleine charge.
Pour tester ce com-
Fonctionnement dans deux quadrants pour la
simulation physique de la batterie
Tension de sortie
Batterie débitant de l’énergie. Apport d’énergie à tension constante
L’alimentation utilisée pour simuler le fonctionnement de la batterie peut servir de source de courant,mais également de consommation de courant.
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Fonctions à mettre en œuvre pour tester
un système de gestion de l’énergie
d’un appareil portable
Batterie d’émulation et
de remplacement Agilent 66319 B
Batterie d’émulation et
de remplacement Agilent 66312 C
Sortie principale
Porte
batterie
Sortie secondaire
Température
de batterie
Sortie principale
Port
adaptateur
Système de
charge de la
batterie
… Il existe heureusement des instruments spécialisés qui simplifient les montages de mesure.On
le voit ici,avec deux appareils seulement,il est possible de réaliser l’ensemble des tests.
Courant de sotie
Batterie en charge dissipation de l’énergie, à tension
constante
Lecture précise
du courant
jusqu’au µA
Référence de
tension
programmable
Plus facile : la simulation physique
du chargeur
La simulation du comportement de la batterie ne suffit pas pour tester complètement le système de gestion d’énergie d’un
équipement portable. Il faut aussi voir
comment ce système se comporte en fonction du chargeur. Il faut donc pouvoir également simuler le fonctionnement du
chargeur. Comparativement à la simulation de la batterie, cette opération est relativement simple.
Limites de la tension de sortie. Le chargeur délivre un niveau de tension de
sortie spécifique à l’équipement portable. Cette tension est quasiment
constante (elle peut varier de quelques
pour cent).
Une alimentation à courant continu permet de
simuler cette tension de sortie. Cette dernière
doit pouvoir être programmée avec une préci-
Résistance séries
de sortie
programmable
portement, l’alimentation utilisée doit permettre de pouvoir
programmer un courant constant.
Lecture du courant
de charge. Le bloc
chargeur offre souvent
un affichage du courant de charge de la
batterie. L’alimentation utilisée pour
simuler physiquement un tel chargeur
doit pouvoir donner précisément la valeur
du courant de charge.
Simulation de la déconnexion du chargeur. Lorsque le chargeur est éteint ou
déconnecté, il ne doit pas présenter de résistance sur le port du chargeur présent sur
l’équipement portable. Pour simuler physiquement cette absence de résistance, le plus
simple est d’incorporer un relais entre l’alimentation et le système de gestion d’énergie
sous test, afin d’obtenir une isolation totale.
Edward Brorein
Ingénieur d’applications
Agilent Technologies
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