Fiche Générale

SOMMAIRE DE FICHE GENERALE BLOC FONCTIONNEL

>>> Atelier 12/03

• CIBLE : 
  • Archi majoritairement
  • Et aussi concepteur
• PREREQUIS DE LA PAGE : 
  • avoir déjà cadré les besoins
  • et défini les specs du produit système)

SOMMAIRE

• Vision de l'impact des différentes typo d'alim 
  • Hotspots ciblé sur le bloc fonctionnel et ses variantes
  • illustrations ACV 
• Quelle est la représentativité de l'alim (bloc fctll) // à un produit fini 
  • Une matrice ex. THALES ?
  • A illustrer avec des exemples de produits (une montre connectée DECATH, un système de communication THALES, un candelabre avec driver LED chez LACROIX, ...)
• Cartographie des paramètres qui caractérisent le bloc fonctionnel
  • pour alim = sources d'énergie, usages, technos (classement selon impact environnemental)
  • Un tableau / matrice avec entrée paramètres et impacts
• + Préciser ce qui influence l'impact d'une alimentation 
  • selon les sources d'énergie, usages, technos, ...
  • Chapitre pour chaque sujet en détaillant le pourquoi ça influence l'impact
• Préciser l'influence réciproque de l'alim sur les autres blocs fonctionnels
• Chapitre complémentaire (autres sujets qui pourraient avoir une influence indirecte sur l'impact environnemental) ?
  • Concevoir ou acheter vis à vis du marché
  • Analyse de risque ?
  • Analyse de la valeur ?
  • Innovations ? (lowtech, ...) avec des TRL élevé ?
  • impact du bloc fonctionnel sur le manufs ou les autres blocs / produit système
• .SYNTHESE : .. et selon ces différents paramètres, quelle(s) serait(ent) les Axes / leviers d'éco-conception à appliquer au bloc fonctionnel (de manière générique pour inciter à aller sur la fiche opérationnelle)
  • grandes stratégies à appliquer
  • Les points d'attention
  • ...

• SOURCES
• LIENS UTILES POUR ALLER PLUS LOI

QUESTIONS / REMARQUES :

• Y aura-til un fiche opé sur l'adaptateur / secteur ?
• 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) 

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.

De part leur usage unique, elles apparaissent comme peu eco-responsables, mais elles peuvent être une source optimale dans certaines applications peu gourmandes en énergie et peu accessibles comme des objets connectés de type Beacon ou des capteurs.

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

Différentes technologies:

Technologie	Symbole	Tension	Densité d'énergie	Durée de vie sur étagère	Coût	Application	Eco-compatibilité
Alcaline (zinc-dioxyde de manganèse)	Zn-MnO2	1.5V	haute	longue (5 à 10 ans)	faible	applications faible courant	recyclabilité limitée
Zinc-Carbone (Dry Cell)	C-Zn	1.5V	faible	faible	faible	applications faible courant (torche, radio, jeux électroniques)
Chlorure de Zinc (Heavy Duty)		1.5V				plus performantes que ZnC
Lithium-Disulfure de Fer	LiFeS2	1.5V	haute	longue	élevé	Compatible basses températures Appareils portables médicaux, caméra	impact environnemental moins mauvais
Lithium-dioxyde de manganèse	Li-MnO2	3V	moyen mais fort courants	longue (10 ans et plus)	élevé	Equipement portable médical et grand public, systèmes de sécurité	recyclage possible
Zinc Oxyde d'argent	Zn-Ag2O	1.55V	haute,		élevé	montres, calculatrices aides auditives	recyclage pour récupérer l'argent
Zinc-Air	Zn-Air	1.65V	haute, puissance de sortie limitée	longue		aides auditives	Bon recyclage

1.2.2. Batterie (Secondary Battery) rechargeable

Technologie	Symbole	Tension	Densité d'énergie	Cycles de charge	Cycle de vie sur étagère	Coût	Applications	Eco-compatibilité
Nickel-Cadmium	NiCd	1.2V	haute	hauts	autodécharge et effet mémoire			problème du Cadmium
Nickel Métal Hydrure	NiMH	1.2V	haute	charge lente	autodécharge importante effet mémoire réduit			récupération nickel et cobalt,
Lithium-ion	Li-ion	3.6V	haute		long, faible autodécharge	élevé	problème de sécurité	Li et environnement
Lithium Cobalt Oxyde	LiCoO2	3.6V	haute		élevé	élevé
Lithium Fer Phosphate	LiFePO4	3.3V	haute	élevé		élevé		plus stable , gamme de temp. étendue
Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxyde	LiNiMnCoO2	3.7V	haute		moyen	moyen	circuits de puissance (courant élevés)
Lithium Manganèse Oxyde	LiMn2O4	3.8V	haute	charge rapide		faible	capacité limité
Lithium Titanate	Li4Ti5O12	2.4V	moyen	élevé		élevé	charge rapide, courant élevé
Lithium-Polymère	LiPo	3.7V		moyen
Etat Solide (Solid State)			élevée		court	élevé	charge rapide	sécurité accrue
Silicium-Carbone	SCC55		très élevée		long	élevé	charge rapide	procédés de fab. complexe

 

1.2.3. Supercondensateur

1.2.4. Condensateur

1.3. Récupération d'énergie (Energy Harvesting)

Les solution de récupération d'énergie nécessitent des composants spécifiques qui intègrent des topologies adaptées pour les sources de tension et courant limitées dans la plupart des cas.

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

Piezo

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 des blocs numériques et des blocs analogiques sensibles. Dans ce cas3 solutions sont possibles:

1. Utilisation d'un LDO pour la réalisation des alimentations analogiques. Le rendement et pertes associées des 2 alimentations linéaires 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 étage de filtration LC passif. Dans ce cas les rendements des 2 convertisseurs est proche de 95% et les pertes seront principalement dues aux éléments parasites des MOSFET (interrupteurs intégrés) et des inductances pour le Buck et pour le filtrage.   Cette solution est acceptable pour des fréquence de découpage élevée par rapport à la fréquence de travail. Le filtrage peut être réalisé avec des composants passifs, inductance et condensateur céramiques. Il faudra donc des inductances présentant une faible résistance série.   L'inconvénient principal est l'encombrement du filtre.
3. La solution souvent optimale est la mise en série d'un convertisseur Buck et d'un LDO.  Dans ces conditions, le rendement et les pertes associées 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 références d'alimentations à découpage du type Buck, Boost et Buck-Boost optimisées pour des applications en instrumentation ou pour des fonctions radio-fréquence avec des fréquences de fonctionnement élevées (>MHz) et un filtrage intégré ou un pilotage optimisé qui permettent d'obtenir en sortie une tension régulée précise avec un bruit très faible

·         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 ?