Fiche Générale

QUESTIONS / REMARQUES ATELIER 12/03

• Bien définir la VA des fiches générales pour ne pas aller que sur les fiches Op
• Veiller à renvoyer vers des sources et ne pas trop détailler les différentes technos d'alim (car trop d'infos actuellement) 
• Vision de l'impact des différentes typo d'alim
• Cartographie des différentes caractéristique qui caractérisent le bloc fonctionnel = pour alim = sources d'énergie, usages, technos (classement selon impact environnemental)
• + Préciser les paramètres qui influencent l'impact d'une alimentation (selon les sources d'énergie, usages, technos, ...)
• ... et selon ces différents paramètres, quelle(s) serait(ent) les alimentations idéale / la sources

1. Les sources d’énergied’énergie

Les sources d’énergied’énergie peuvent êtreêtre regroupéesregroupées en 3 familles : le secteur, l'énergieénergie stockéestockée type pile ou batteries et la récupérationrécupération d'énergieénergie (Energy Harvesting).

1.1. Le secteur

Le secteur est la source d'énergieénergie principale. 

MêmeMême si l'utilisation de convertisseurs secteur àà découpagesdécoupages àà large gamme d'entréeentrée facilite le déploiementdéploiement des produits, dans la phase de conception d'un produit, il peut êtreêtre important de prendre en compte les caractéristiquescaractéristiques liéesliées àà la zone géographique,géographique, notamment pour la réalisationréalisation de filtres sélectifssélectifs 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 détailléedétaillée de la répartitionrépartition des tensions et fréquencesfréquences du secteur, Wikipedia, https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:World_Map_of_Mains_Voltages_and_Frequencies,_Detailed.svg

Pour une zone géographiquegéographique donnée,donnée, il faut aussi prendre en compte les variations locale de la tension secteur notamment àà proximitéproximité d'une zone industrielle avec des variation importantes dans les différentesdifférentes tranches horaires.

L'électricitéélectricité est générésgénérés de différentesdifférentes façonfaçon 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 énergiesénergies fossiles : pétrole,pétrole, charbon, gaz naturel

• Le NucléaireNucléaire

• Les énergiesénergies renouvelables

1.2. Energie stockéestockée

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

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

1.2.1 Pile (Primary Battery) non rechargeable

Solution àà usage unique pour des objets peu accessibles et qui nécessitentnécessitent une source d'énergieénergie pendant une longue durée.durée.

En généralgénéral densitédensité de puissance supérieure,supérieure, et capacitécapacité àà générergénérer des courant pics plus élevés.élevés.

DifférentesDifférentes technologies:

• • Alcaline : (1.5V) les principales sont zinc-dioxyde de manganèsemanganèse (Zn-MnO₂) 
  • Zinc-Carbone (Dry Cell) : (1.5V) faible densitédensité d'énergie,énergie, faible coûtcoût et duréedurée de vie sur étagèreétagère limitéelimitée
  • 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 chèreschères (LiFeS2)
  • Lithium-dioxyde de manganèsemanganèse : (3V) densitédensité d'énergieénergie élevé,élevé, longue duréedurée de vie (Li-MnO₂),
  • Oxyde d'argent : (1.55V) en raison de leur cout élevéélevé elles sont généralementgénéralement remplacéesremplacées par des piles Li-MnO2, mais elles sont toujours disponibles sous forme de piles boutons
  • Zinc-Air : (1.65V) elles nécessitentnécessitent un volume important d'oxygèneoxygène pour pemettre le réactionréaction et ne peuvent pas êtreêtre scellées.scellées. Elles sont utiliséeutilisée principalement dans les aides auditives.

1.2.2. Batterie (Secondary Battery) rechargeable

• • Nickel-Cadmium : (1.2V) densitédensité d'énergieénergie élevée,élevée, nombre élevéélevé de cycles de charge/décharge,décharge, charge rapide, mais effet mémoiremémoire et autodécharge,autodécharge, l'utilisation du cadmium est un problème,problème, (NiCd)

  • Nickel MétalMétal Hydrure : (1.2V) , relativement haute densitédensité d'énergie,énergie, effet mémoiremémoire réduitréduit comparécomparé au NiCd, relativement faible impact environnemental, mais charge lente, autodéchargeautodécharge importante, duréedurée de vie limitée,limitée, (NiMH)
  • Lithium-ion : (3.6V) densitédensité d'énergieénergie élevée,élevée, charge rapide, cycle de vie élevé,élevé, faible autodécharge,autodécharge, mais cout élevé,élevé, problèmeproblème de sécuritésécurité en raison de la chimie, disponibilitédisponibilité limitélimité des matériauxmatériaux et risques environnementaux dans l'exploitation (Li-ion)
  • Lithium Cobalt Oxyde : (3.6V) densitédensité d'énergieénergie relativement élevée,élevée, nombre important de cycles, mais prix élevéélevé (LiCoO2)
  • Lithium Fer Phosphate : (3.3V) densitédensité d'énergieénergie élevé,élevé, nombre plus importants de cycles de cycles charge/décharge,décharge, charge rapide, sécuritésécurité de la technologie, gamme de températuretempérature d'utilisation étendue,étendue, stabilitéstabilité de la tension de sortie dans la décharge,décharge, mais cout élevé,élevé, la mise en oeuvre d'un BMS est plus complexe, (LiFePO4)
  • Lithium Nickel ManganèseManganèse Cobalt Oxyde : (3.7V) densitédensité d'énergieénergie élevée,élevée, peuvent délivrerdélivrer des courants élevésélevés (électroniqueélectronique de puissance), cout modéré,modéré, mais moins stables que les LiFePO4, cycle de vie plus court, (LiNiMnCoO2)
  • Lithium ManganèseManganèse Oxyde : (3.8V) grande densitédensité de puissance, cout faible, charge rapide, mais capacitécapacité limitélimité (LiMn2O4)
  • Lithium Titanate : (2.4V) technologie plus confidentielle, trèstrès grand cycle de vie, possibilitépossibilité de charge trèstrès rapide et déchargedécharge àà courant élevé,élevé, gamme de températuretempérature étendue,étendue, mais densitédensité d'énergieénergie moyenne et cout élevé.élevé. (Li4Ti5O12)
  • Lithium-PolymèrePolymère : (3.7V), plus légèreslégères (pas de boitier métal)métal), pas d'effet mémoire,mémoire, la forme et épaisseurépaisseur du boitier peut êtreêtre adaptéeadaptée àà l'application, faible résistancerésistance série,série, mais cycle de vie limité,limité, sensible aux paramètresparamètres de recharge, risque de gonflement en cas de mauvais usage (LiPo).
  • Etat Solide (Solid State) : (Different voltages) DensitéDensité de puissance élevée,élevée, volumes réduits,réduits, charge trèstrès rapide, sécuritésécurité accrue, mais faible production, cout élevé,élevé, duréedurée de vie courte (technologie récente)récente)
  • Silicium-Carbone : () trèstrès forte densitédensité d'énergie,énergie, duréedurée de vie importante, charge rapide, mais cout élevéélevé et charge initiales incomplètes,incomplètes, procédésprocédés de fabrication complexes(SCC55)

1.2.3. Supercondensateur

1.2.4. Condensateur

1.3. RécupérationRécupération d'énergieénergie (Energy Harvesting)

1.3.1. Solaire extérieurextérieur (Outdoor solar)

• • Silicium polycristallin

• • Silicium monocristallin

• • Cellules solaires àà base de PéroskitePéroskite

• • Les cellules tandem

1.3.2. Solaire intérieurintérieur (Indoor solar)

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

• • Film organique photovoltaïquephotovoltaïque (Organic PhotoVoltaic Film)

• • 
    

1.3.3. MagnétiqueMagnétique

1.3.4. Vibrations

1.3.5. Ondes radio (téléalimentationtéléalimentation vs. Energy Harvesting)

Il faut distinguer la récupérationrécupération d'énergieénergie radiofréquenceradiofréquence et la télétélé alimentation.

La récupérationrécupération d'énergieénergie radio est une technique qui consiste àà positionner un font-end radiofréquenceradiofréquence accordéaccordé àà la bande de fréquencefréquence ISM considéréeconsidérée en entréeentrée d'un circuit convertisseur dédiédédié àà l'Energy Harvesting. Dans le principe,  cette solution est envisageable lorsque l'on considèreconsidère le grand nombre de communications dans l'environnement, que ce soit le téléphone,téléphone, ou les objets connectésconnectés en WiFi ou Bluetooth. Mais en pratique pour limiter la consommation des objets et l'occupation de bandes de fréquence,fréquence, les transmissions radios ne sont réaliséesréalisées que sur des temps trèstrès brefs, et souvent àà des niveaux trèstrès faibles voir trèstrès faible. Pour cette raison l'Energy Harvesting radiofréquenceradiofréquence est quasiment impossible.

La télé-télé-alimentation consiste àà alimenter un objet àà distance en transmettant de l'énergieénergie par onde radio. L'énergieénergie radiofréquenceradiofréquence récoltéerécoltée àà étéété généréegénérée volontairement et de façonfaçon continue.

1.3.6. Thermique

2. CritèresCritères :

Comment choisir une topologie d'alimentation.

Dans les premiers critèrescritères il faut considérerconsidérer le type d'application et le domaine :

• appareil de table : il peut êtreêtre alimentéalimenté sur le secteur
• appareil portatif, appareil portable, appareil personnel portéporté (wearable), capteur embarquéembarqué : il faut une source d'alimentation stockéestockée ou une source d'énergieénergie ambiante 
• solution grand publique, solution industrielle, solution médicalemédicale : ces contraintes vont guider sur le besoin d'isolement et de protection de la solution

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

L'électroniqueélectronique intégréeintégrée est-elle sensible (instrumentation) nécessitantnécessitant une solution faible bruit qui nécessiteranécessitera une alimentation linéairelinéaire ou un filtrage important. 

Dans le cas d'une alimentation médicalemédicale il faut des précautionsprécautions particulièresparticulières d'isolation pour la sécuritésécurité du patient. Cette contrainte peut êtreêtre réduiteréduite avec l'utilisation de batteries mais doit êtreêtre prise en compte pour la partie recharge.

Dans la conception d'un systèmesystème complet on a souvent besoin de générergénérer différentesdifférentes tension. Il est possible de mettre les différentsdifférents convertisseurs en sériesérie ou en parallèle.parallèle. Pour des questions de rendement, on préfèrerapréfèrera générergénérer les différentesdifférentes tensions depuis la tension principale plutôtplutôt que de chainer les convertisseurs. Cela permet par ailleurs de piloter indépendammentindépendamment les différentesdifférentes sortie est éventuellementéventuellement de dévaliderdévalider l'une ou l'autre sortie 

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

       

	Sortie	5V	3.3V	1.8V	1.2V
Rendement	Alimentations en sériesérie	95.00%	90.25%	85.74%	81.45%
	Alimentations en parallèleparallèle	95.00%	95.00%	95.00%	95.00%

Outre de meilleurs rendements, les alimentations peut êtreêtre dimensionnéesdimensionnées au plus juste ce qui permet notamment de réduiteréduite la taille des composants (inductances, transistors, condensateurs) et de réduireréduire les pertes, mais aussi de réduireréduire les couts.

Un contre exemple est le cas de l'alimentation d'une carte complexe avec des blocs numériquesnumériques et des blocs analogiques sensibles. Dans ce cas3 solutions sont possibles:

1. Utilisation d'un LDO pour la réalisationréalisation des alimentations analogiques. Le rendement et pertes associéesassociées des 2 alimentations linéaireslinéaires sont: Alimentation 5V:  n = VO1 / VIN = 5 / 12 = 42%   PLoss = (VIN - VO1) IO1 = (12 - 5) . 0.25 = 1.75W   Alimentation 3.3V n = VO2 / VIN = 3.3 / 12 = 27.5%   PLoss = (VIN - VO2) IO2 = (12 - 3.3) . 0.25 = 2.175W
2. Utilisation d'un convertisseur Buck et d'un étageétage de filtration LC passif. Dans ce cas les rendements des 2 convertisseurs est proche de 95% et les pertes seront principalement dues aux élémentséléments parasites des MOSFET (interrupteurs intégrés)intégrés) et des inductances pour le Buck et pour le filtrage.   Cette solution est acceptable pour des fréquencefréquence de découpagedécoupage élevéeélevée par rapport àà la fréquencefréquence de travail. Le filtrage peut êtreêtre réaliséréalisé avec des composants passifs, inductance et condensateur céramiques.céramiques. Il faudra donc des inductances présentantprésentant une faible résistancerésistance série.série.   L'inconvénientinconvénient principal est l'encombrement du filtre.
3. La solution souvent optimale est la mise en sériesérie d'un convertisseur Buck et d'un LDO.  Dans ces conditions, le rendement et les pertes associéesassociées aux 2 lignes d'alimentations sont: Alimentation 5V: n = 0.95 . (VO1 / VBuck) = 5 / 5.3 = 89.62%   PLoss_LDO = (5.3 - 5) . 0.25 = 75mW   Alimentation 3.3V n = 0.95 . (VO2 / VBuck) = 3.3 / 3.6 = 87.08%   PLoss_LDO = (3.6 - 3.3) . 0.25 = 75mW

Note : on trouve quelques référencesréférences d'alimentations àà découpagedécoupage du type Buck, Boost et Buck-Boost optimiséesoptimisées pour des applications en instrumentation ou pour des fonctions radio-fréquencefréquence avec des fréquencesfréquences de fonctionnement élevéesélevées (>MHz) et un filtrage intégréintégré ou un pilotage optimiséoptimisé qui permettent d'obtenir en sortie une tension réguléerégulée préciseprécise avec un bruit trèstrès faible

··         Taille des composants

o   Volume de matièrematière utiliséeutilisée (transformateurs et inductances : ferrite + cuivre)

o   Poids du composant

o   Taille de PCB nécessairenécessaire

··         Rendement

o   LinéaireLinéaire vs découpagedécoupage

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

··         FiabilitéFiabilité

··         RéparabilitéRéparabilité

o   Circuit intégréintégré / solution discrètediscrète

o   Taille des composants (1206 vs 0201…0201…)

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

··         Poids

··         Taille des composants

o   Volume de matièrematière utiliséeutilisée (transformateurs et inductances : ferrite + cuivre)

o   Poids du composant

o   Taille de PCB nécessairenécessaire

··         Rendement

o   LinéaireLinéaire vs découpagedécoupage

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

··         FiabilitéFiabilité

··         RéparabilitéRéparabilité

o   Circuit intégréintégré / solution discrètediscrète

o   Taille des composants (1206 vs 0201…0201…)

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

··         Poids

··         Taille des composants

o   Volume de matièrematière utiliséeutilisée (transformateurs et inductances : ferrite + cuivre)

o   Poids du composant

o   Taille de PCB nécessairenécessaire

··         Rendement

o   LinéaireLinéaire vs découpagedécoupage

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

··         FiabilitéFiabilité

··         RéparabilitéRéparabilité

o   Circuit intégréintégré / solution discrètediscrète

o   Taille des composants (1206 vs 0201…0201…)

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

··         Poids

• SensibilitéSensibilité au bruit

Questions / Remarques des industriels

àà 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 souhaitésouhaité pour l'équipementéquipement ? Quelle contrainte est acceptable sur le nombre de cycles de charge, leur durée,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 prévuesprévues pour les réduireréduire au maximum roue de Brezet : 0 –– développerdévelopper de nouveaux concepts
ATLANTIC	Dimensionnement  (au plus juste)           Quelle marge de fonctionnement ?         Conso max du systèmesystème + x%
4MOD	Faut-il préférerpréférer une batterie rechargeable, des batteries àà usage unique ?