Fiche Générale

1. Les sources d’énergie

Les sources d’énergie peuvent être regroupées en 3 familles : le secteur, l'énergie stockée type pile ou batteries et la récupération d'énergie (Energy Harvesting).

1.1. Le secteur

Le secteur est la source d'énergie principale. 

Même si l'utilisation de convertisseurs secteur à découpages à large gamme d'entrée facilite le déploiement des produits, dans la phase de conception d'un produit, il peut être important de prendre en compte les caractéristiques liées à la zone géographique, notamment pour la réalisation de filtres sélectifs pour l'instrumentation (50Hz vs 60Hz).

Les 2 grandes gammes de tensions sont 220V-240V - 50Hz et 100V-127V - 60Hz avec des variantes dans quelques pays.

Carte détaillée de la répartition des tensions et fréquences du secteur, Wikipedia, https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:World_Map_of_Mains_Voltages_and_Frequencies,_Detailed.svg

Pour une zone géographique donnée, il faut aussi prendre en compte les variations locale de la tension secteur notamment à proximité d'une zone industrielle avec des variation importantes dans les différentes tranches horaires.

1.2. Energie stockée

C'est la source d'énergie privilégié pour l'alimentation de l'électronique dans les objets portable. En fonction de l'espace disponible, ces sources peuvent permettre une alimentation sur plus ou moins long-terme de façon autonome. 

Il existe une grande gamme de technologies avec des densités de puissance et des densités d'énergie différentes, avec des compositions chimiques plus ou moins stables et des nombres de cycles de recharges variés.

1.2.1 Pile (Primary Battery) non rechargeable

Solution à usage unique pour des objets peu accessibles et qui nécessitent une source d'énergie pendant une longue durée.

En général densité de puissance supérieure, et capacité à générer des courant pics plus élevés.

Différentes technologies:

• • Alcaline : (1.5V) les principales sont zinc-dioxyde de manganèse (Zn-MnO₂) 
  • Zinc-Carbone (Dry Cell) : (1.5V) faible densité d'énergie, faible coût et durée de vie sur étagère limitée
  • Chlorure de Zinc (Heavy Duty) : (1.5V) plus performantes que les piles Zinc-Carbones 
  • Lithium-Disulfure de Fer : (1.5V) plus performantes que les piles alcalines, elle sont aussi plus chères (LiFeS2)
  • Lithium-dioxyde de manganèse : (3V) densité d'énergie élevé, longue durée de vie (Li-MnO₂),
  • Oxyde d'argent : (1.55V) en raison de leur cout élevé elles sont généralement remplacées par des piles Li-MnO2, mais elles sont toujours disponibles sous forme de piles boutons
  • Zinc-Air : (1.65V) elles nécessitent un volume important d'oxygène pour pemettre le réaction et ne peuvent pas être scellées. Elles sont utilisée principalement dans les aides auditives.

1.2.2. Batterie (Secondary Battery) rechargeable

 

• • Nickel-Cadmium : (1.2V) NiCd

  • Nickel Metal Hydride : (1.2V) NiMH
  • Lithium-ion : (3.6V)
  • Lithium Cobalt Oxide : (3.6V) LiCoO2
  • Lithium Fer Phosphate : (3.3V) LiFePO4
  • Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxide : (3.7V) (LiNiMnCoO2)
  • Lithium Manganese Oxyde : (3.8V) (LiMn2O4)
  • Lithium Titanate : (2.4V) (L2TiO3)
  • Lithium-Polymère
  • Etat Solide

1.2.3. Supercondensateur

1.2.4. Condensateur

1.3. Récupération d'énergie (Energy Harvesting)

1.3.1. Solaire extérieur (Outdoor solar)

• • • Silicium polycristallin
    • Silicium monocristallin

1.3.2. Solaire intérieur (Indoor solar)

• • • Crystalin
    • Organique

1.3.3. Magnétique

1.3.4. Vibrations

1.3.5. Ondes radio (téléalimentation vs. Energy Harvesting)

Il faut distinguer la récupération d'énergie radiofréquence et la télé alimentation.

La récupération d'énergie radio est une technique qui consiste à positionner un font-end radiofréquence accordé à la bande de fréquence ISM considérée en entrée d'un circuit convertisseur dédié à l'Energy Harvesting. Dans le principe,  cette solution est envisageable lorsque l'on considère le grand nombre de communications dans l'environnement, que ce soit le téléphone, ou les objets connectés en WiFi ou Bluetooth. Mais en pratique pour limiter la consommation des objets et l'occupation de bandes de fréquence, les transmissions radios ne sont réalisées que sur des temps très brefs, et souvent à des niveaux très faibles voir très faible. Pour cette raison l'Energy Harvesting radiofréquence est quasiment impossible.

La télé-alimentation consiste à alimenter un objet à distance en transmettant de l'énergie par onde radio. L'énergie radiofréquence récoltée à été générée volontairement et de façon continue.

1.3.6. Thermique

2. Critères :

·         Taille des composants

o   Volume de matière utilisée (transformateurs et inductances : ferrite + cuivre)

o   Poids du composant

o   Taille de PCB nécessaire

·         Rendement

o   Linéaire vs découpage

o   Fréquence fixe vs fréquence variable (auto PWM/PFM ou Burst/PWM, Forced PWM, eco-mode)

·         Fiabilité

·         Réparabilité

o   Circuit intégré / solution discrète

o   Taille des composants (1206 vs 0201…)

o   Technologie de boitier (BGA or DIE vs QFN vs TQFP or SO or DIP)

·         Poids

• Sensibilité au bruit

Dans le cas ou l’application à alimenter est sensible, l’utilisation d’un régulateur linéaire est souvent souhaitée pour minimiser les perturbations induites par le découpage.

Néanmoins si la différence entre tension d’entrée et tension de sortie est trop importante, la différence est simplement dissipée par effet joule résultant en un très mauvais rendement et une gestion de la thermique.

Deux solutions sont recommandées :

-          cascade d’un convertisseur à découpage (buck, boost, buck-boost…) et d’un régulateur linéaire : cette solution permet de bénéficier des performances du régulateur linéaire sans les pertes

-          on trouve quelques composants du type buck optimisés pour des applications en instrumentation avec des fréquences de fonctionnement très élevées (>MHz) et un filtrage intégré optimisé pour la topologie choisie

Q:  - Sensibilité au bruit découpage (alimentation circuit radio (PLL, instrumentation)

      - forte importance de la consommation: mode économie de conso variation de modes eco-mode 

Questions / Remarques des industriels

à traiter, ventiler ...

Industriel	Verbatim
4MOD	Produit autonome sur batterie, produit sur secteur... ?
LACROIX GUILLEMOT	Alim interne ou externe ?
BODET	Si alimentation sur batterie, quelle est l'objectif d'autonomie souhaité pour l'équipement ? Quelle contrainte est acceptable sur le nombre de cycles de charge, leur durée, etc. pour le client ?
BODET	Si alimentation permanente (type secteur), se donner un objectif exigeant en terme de consommation en veille
EMKA	challenger les fonctions prévues pour les réduire au maximum roue de Brezet : 0 – développer de nouveaux concepts
ATLANTIC	Dimensionnement  (au plus juste)           Quelle marge de fonctionnement ?         Conso max du système + x%
4MOD	Faut-il préférer une batterie rechargeable, des batteries à usage unique ?