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.

L'électricité est générés de différentes façon suivant les pays. Les sources principales en ratio sont les suivantes : (source: Ember (2026); Energy Institute - Statistical Review of World Energy (2025) – with major processing by Our World in Data)

• Les énergies fossiles : pétrole, charbon, gaz naturel

• Le Nucléaire

• Les énergies renouvelables

1.2. Energie stockée

C'est la source d'énergie privilégiée 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) densité d'énergie élevée, nombre élevé de cycles de charge/décharge, charge rapide, mais effet mémoire et autodécharge, l'utilisation du cadmium est un problème, (NiCd)

  • Nickel Métal Hydrure : (1.2V) , relativement haute densité d'énergie, effet mémoire réduit comparé au NiCd, relativement faible impact environnemental, mais charge lente, autodécharge importante, durée de vie limitée, (NiMH)
  • Lithium-ion : (3.6V) densité d'énergie élevée, charge rapide, cycle de vie élevé, faible autodécharge, mais cout élevé, problème de sécurité en raison de la chimie, disponibilité limité des matériaux et risques environnementaux dans l'exploitation (Li-ion)
  • Lithium Cobalt Oxyde : (3.6V) densité d'énergie relativement élevée, nombre important de cycles, mais prix élevé (LiCoO2)
  • Lithium Fer Phosphate : (3.3V) densité d'énergie élevé, nombre plus importants de cycles de cycles charge/décharge, charge rapide, sécurité de la technologie, gamme de température d'utilisation étendue, stabilité de la tension de sortie dans la décharge, mais cout élevé, la mise en oeuvre d'un BMS est plus complexe, (LiFePO4)
  • Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxyde : (3.7V) densité d'énergie élevée, peuvent délivrer des courants élevés (électronique de puissance), cout modéré, mais moins stables que les LiFePO4, cycle de vie plus court, (LiNiMnCoO2)
  • Lithium Manganèse Oxyde : (3.8V) grande densité de puissance, cout faible, charge rapide, mais capacité limité (LiMn2O4)
  • Lithium Titanate : (2.4V) technologie plus confidentielle, très grand cycle de vie, possibilité de charge très rapide et décharge à courant élevé, gamme de température étendue, mais densité d'énergie moyenne et cout élevé. (Li4Ti5O12)
  • Lithium-Polymère : (3.7V), plus légères (pas de boitier métal), pas d'effet mémoire, la forme et épaisseur du boitier peut être adaptée à l'application, faible résistance série, mais cycle de vie limité, sensible aux paramètres de recharge, risque de gonflement en cas de mauvais usage (LiPo).
  • Etat Solide (Solid State) : (Different voltages) Densité de puissance élevée, volumes réduits, charge très rapide, sécurité accrue, mais faible production, cout élevé, durée de vie courte (technologie récente)
  • Silicium-Carbone : () très forte densité d'énergie, durée de vie importante, charge rapide, mais cout élevé et charge initiales incomplètes, procédés de fabrication complexes(SCC55)

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

• • Cellules solaires à base de Péroskite

• • Les cellules tandem

1.3.2. Solaire intérieur (Indoor solar)

• • Film fin de Silicium Amorphe (Amorphous Silicon PhotoVoltaic technolog a-Si PV)

• • Film organique photovoltaïque (Organic PhotoVoltaic Film)

• • 
    

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 :

Comment choisir une topologie d'alimentation.

Dans les premiers critères il faut considérer le type d'application et le domaine :

• appareil de table : il peut être alimenté sur le secteur
• appareil portatif, appareil portable, appareil personnel porté (wearable), capteur embarqué : il faut une source d'alimentation stockée ou une source d'énergie ambiante 
• solution grand publique, solution industrielle, solution médicale : ces contraintes vont guider sur le besoin d'isolement et de protection de la solution

L'appareil peut-il être alimenté sur le secteur, doit-il être alimenté par une batterie, dans ce cas est-il facilement accessible pour la recharge, la fonction est-elle très faible consommation et donc compatible avec une source d'énergie ambiante (Energy Harvesting).

L'électronique intégrée est-elle sensible (instrumentation) nécessitant une solution faible bruit qui nécessitera une alimentation linéaire ou un filtrage important. 

Dans le cas d'une alimentation médicale il faut des précautions particulières d'isolation pour la sécurité du patient. Cette contrainte peut être réduite avec l'utilisation de batteries mais doit être prise en compte pour la partie recharge.

Dans la conception d'un système complet on a souvent besoin de générer différentes tension. Il est possible de mettre les différents convertisseurs en série ou en parallèle. Pour des questions de rendement, on préfèrera générer les différentes tensions depuis la tension principale plutôt que de chainer les convertisseurs. Cela permet par ailleurs de piloter indépendamment les différentes sortie est éventuellement de dévalider l'une ou l'autre sortie 

Tension d'entrée 12V, rendement typique d'un convertisseur de type Buck n = 95%

       

	Sortie	5V	3.3V	1.8V	1.2V
Rendement	Alimentations en série	95.00%	90.25%	85.74%	81.45%
	Alimentations en parallèle	95.00%	95.00%	95.00%	95.00%

Outre de meilleurs rendements, les alimentations peut être dimensionnées au plus juste ce qui permet notamment de réduite la taille des composants (inductances, transistors, condensateurs)et de réduire les pertes, mais aussi de réduire les couts.

Un contre exemple est le cas de l'alimentation d'une carte complexe avec les blocs numériques et des blocs analogiques sensibles. Dans ce cas il est souhaitable de mettre en oeuvre des régulateurs linéaires. 

 partie sensible de l'électronique nécessitant régulateur linéaire (LDO). Comme on peut le voir dans le chapitre sur le LDO, cette topologie n'est pas adaptée pour la génération d'une basse tension depuis une haute tension en raison des besoins de dissipation des pertes par effet joule. Dans ce cas deux solutions sont recommandées :

•          cascade d’un convertisseur à découpage (buck, boost, buck-boost…) et d’un régulateur linéaire : cette solution permet de bénéficier du bon rendement du convertisseur à découpage et des performances du régulateur linéaire sur la tension de sortie, tout en minimisant les pertes

 

 

Note: on trouve maintenant des alimentations à découpage 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 et qui permet d'obtenir en sortie une tension régulé

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

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

 

·         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

·         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

·         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

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 ?