Conception d'alimentation de type abaisseur-élévateur : une topologie viable pour les dispositifs IoT corporels

Note de l'éditeur : les choix antithétiques requis pour la conception d'un dispositif Internet des objets (IoT) corporel soulignent la nécessité de concevoir un système d'alimentation fiable et stable. Les particularités de cette conception incluent les fonctionnalités : la taille physique compacte du produit, sa dépendance vis-à-vis des communications sans fil, la nécessité d'une gestion efficace de l'alimentation par batterie et les questions de conformité réglementaire. Cet article traite de de la manière dont la conception d'un système d'alimentation basée sur un régulateur à découpage abaisseur-élévateur peut relever et surmonter ces défis de conception. Pour ce faire, il est nécessaire d'étudier les spécifications fonctionnelles des composants disponibles dans le commerce. Les besoins en énergie des modules émetteurs-récepteurs cellulaires LTE, les mesures de performances des régulateurs à découpage abaisseurs-élévateurs, ainsi que le détarage, la résistance série équivalente (ESR) et la capacité des condensateurs au tantale sont systématiquement indiqués. En conclusion, cet article décrit la topologie d'un système d'alimentation et un exemple de cas d'utilisation pour démontrer les performances empiriques du régulateur abaisseur-élévateur et sa capacité à répondre aux exigences d'un dispositif IoT corporel.

Introduction

Les performances des émetteurs-récepteurs cellulaires dépendent de la fiabilité et de la stabilité des rails d'alimentation. Des choix de conception doivent être effectués de manière à garantir une marge de puissance suffisante, des dimensions adéquates du plan de masse et une ondulation suffisamment réduite. Ces choix sont d'autant plus compliqués lorsque les conceptions doivent s'adapter à la taille compacte d'un dispositif corporel, alimenté par batteries et soumis à des normes réglementaires.

Cet article aborde certaines des difficultés de conception de l'alimentation rencontrées dans les dispositifs IoT corporels, et propose une topologie de conception permettant de relever ces défis en utilisant des composants disponibles dans le commerce. Tout au long de ce document, il sera question des compromis majeurs en matière de conception et des mesures d'atténuation recommandées. Le but ultime de cet article est de présenter une topologie de conception d'alimentation robuste, capable d'apporter au concepteur une solution efficace fonctionnant avec les contraintes d'un dispositif IoT corporel.

Définition du défi : fiabilité et stabilité

Aux fins du présent article, la fiabilité est définie comme la capacité du système d'alimentation à fournir un rail de tension dans la plage de fonctionnement de l'émetteur-récepteur radio, dans ce cas, un émetteur-récepteur cellulaire. Cette capacité doit également inclure le courant émetteur qui satisfait à la fois les consommations de courant typiques et de crête prévues avec le produit IoT.

La stabilité est définie comme l'ondulation présente sur le rail de tension dans les spécifications du dispositif. Cette ondulation peut être due aux caractéristiques de commutation du régulateur, ou résulter d'une réponse transitoire à une hausse soudaine de la demande de courant. Quelle que soit la cause, la capacité du régulateur à réagir constitue la base pour déterminer sa stabilité.

Puissance des émetteurs-récepteurs cellulaires

Il ne fait aucun doute que les modules émetteurs-récepteurs cellulaires ont permis une connectivité sans fil à des dispositifs de toutes tailles, à un niveau d'adoption sans précédent. Ces dispositifs sont devenus de plus en plus intégrés, incorporant même des régulateurs de puissance embarqués, des oscillateurs compensés en température et des coprocesseurs sophistiqués. Cependant, tous restent dépendants de paramètres de performances clés, à savoir la fiabilité et la stabilité.

Les exemples de produits suivants visent à souligner ce dernier point. Même si chacun de ces produits est disponible dans le commerce et se prête à la fabrication d'un dispositif IoT corporel, les considérations d'alimentation restent incontournables. Autrement dit, s'ils ne sont pas correctement alimentés, aucun de ces dispositifs n'atteindra sa capacité et ses performances maximales.

u-blox

Le Tableau 1 offre une vue d'ensemble des paramètres de performances du module cellulaire MPCI-L201-02S-00.

Tableau 1 : Paramètres de performances de u-blox.

D'après la documentation technique, u-blox présente des exigences relativement strictes pour alimenter ce module.

Les caractéristiques du régulateur à découpage connecté aux broches VCC ou 3,3 Vaux doivent remplir les conditions suivantes pour être conformes aux exigences VCC ou 3,3 Vaux du module :

• Tenue en puissance : Le régulateur à découpage, avec son circuit de sortie, doit être capable de fournir une valeur de tension aux broches VCC ou 3,3 Vaux dans la plage de fonctionnement spécifiée, et satisfaire la consommation maximale de courant de crête/choc pendant une rafale de transmission (Tx) à la puissance Tx maximale spécifiée dans la fiche technique de la série TOBY-L2 ou MPCI-L2.
• Faible ondulation de sortie : Le régulateur à découpage, avec son circuit de sortie, doit être capable de fournir un profil de tension VCC ou 3,3 Vaux propre (faible bruit).
• La chute de tension ne peut pas dépasser 400 mV.

Dans le cadre de ces exigences, les deux aspects les plus importants, à savoir la fiabilité et la stabilité, sont mis en avant. Non seulement le rail d'alimentation doit se situer dans la plage de tensions appropriée, mais l'ondulation doit être réduite au minimum. Il est intéressant de noter que l'ondulation est classée en deux types différents dans cette description des exigences : ondulation de commutation et chute de tension. La première peut être considérée comme une ondulation à haute fréquence, liée à la commutation du régulateur. La seconde est une ondulation à basse fréquence probablement causée par l'incapacité de la source d'énergie à répondre rapidement à une charge de courant plus élevée. Cela peut être lié aux performances du régulateur ; cependant, cela peut également provenir d'une résistance ou d'une inductance excessive dans le schéma d'alimentation.

Il est probable qu'un régulateur utilisé dans une conception de kit de développement cellulaire suffirait, mais une conception de kit de développement alimentée sur le secteur ne conviendrait pas à des applications de dispositifs corporels alimentées par batteries. De plus, la réduction de l'espace physique de la conception, une nécessité pour les dispositifs corporels, pourrait également affecter la résistance et l'inductance parasites dans le schéma d'alimentation. Cette situation peut ne pas être résolue par la seule sélection d'un régulateur approprié, mais nécessiter des mesures d'atténuation supplémentaires, en particulier si ces caractéristiques parasites menacent la conformité du produit avec la réglementation.

Digi

Le Tableau 2 donne une vue d'ensemble des paramètres de performances du module cellulaire XBC-V1-UT-001.

Tableau 2 : Paramètres de performances de Digi.

D'après la documentation technique, Digi présente des exigences relativement strictes pour alimenter ce module, comme on peut le voir ci-dessous :

• L'ondulation de l'alimentation doit être inférieure à 75 mV crête à crête.
• L'alimentation doit être capable de fournir un minimum de 1,5 A à 3,3 V (5 W). Gardez à l'esprit que le fonctionnement à une tension plus basse exige une tenue en courant plus élevée de l'alimentation pour atteindre les 5 W requis.
• Placez une capacité totale suffisante sur la broche VCC du module XBee afin de maintenir la tension au-dessus de la spécification minimale pendant le courant d'appel. Le courant d'appel est d'environ 2 A lors de la mise sous tension initiale des communications cellulaires et de la réactivation depuis le mode veille.
• Placez des condensateurs céramique haute fréquence plus compacts très près de la broche VCC du modem cellulaire XBee pour réduire le bruit haute fréquence.
• Utilisez un large plan ou piste d'alimentation pour vous assurer qu'il peut gérer les besoins en courant de crête avec une chute de tension minimale. Colorado Electronic Product Design recommande que l'alimentation et la piste soient conçues de telle sorte que la tension à la broche VCC du module XBee ne varie pas de plus de 0,1 V entre une faible charge (environ 0,5 W) et une forte charge (environ 3 W).

De même que pour les autres modules cellulaires, la stabilité et la fiabilité du rail d'alimentation jouent un rôle essentiel. Ces directives sont toutefois plus spécifiques, stipulant la tension d'ondulation maximale et le courant d'appel attendu, et fournissant quelques conseils pour la configuration des circuits imprimés.

La topologie d'alimentation de type abaisseur-élévateur - Une solution stable et fiable pour les dispositifs corporels IoT alimentés par batteries

Le défi est lancé. Concevoir un système d'alimentation qui réponde à toutes les exigences suivantes :

• Fournir un rail d'alimentation dans la plage de fonctionnement du module sélectionné.
• Fournir suffisamment de courant pour tenir compte à la fois des demandes de courant moyen et de crête du module.
• Respecter toutes les exigences susmentionnées sans dépasser la tension d'ondulation maximale et sans entraîner une chute de tension trop importante dans le rail d'alimentation.
• Réaliser tout cela en étant limité par un espace physique restreint, approprié à une application de dispositif corporel, et réussir à adopter des normes réglementaires pertinentes pour le cas d'utilisation de ce produit.

Comme indiqué précédemment, les modules cellulaires obéissent à des exigences strictes en ce qui concerne leur système d'alimentation. Tous ces objectifs peuvent être atteints dans un espace physique restreint ; toutefois, des facteurs plus importants doivent être pris en compte pour assurer le succès du produit. La topologie de la Figure 1 illustre l'approche recommandée.

Figure 1 : Schéma détaillé du régulateur à découpage abaisseur-élévateur. (Source de l'image : Colorado Electronic Product Design)

Cette topologie est plus performante que certaines des alternatives de conception habituelles, lesquelles sont également abordées ci-dessous. La section suivante passe en revue chacun des aspects de cette topologie recommandée, les défis de conception respectifs posés par chacun d'eux et la manière d'atténuer ces changements.

Résistance des batteries et des blocs-batteries

La résistance interne d'un bloc-batteries est plus élevée que la résistance de la batterie elle-même. Cela découle des circuits de protection, des câbles d'interconnexion, des fusibles et d'autres éléments, qui sont intégrés dans le bloc-batteries d'une application de dispositif corporel. Le Tableau 3 montre la répartition d'un petit bloc-batteries lithium-polymère moyen utilisé dans un téléphone portable, soit un modèle approprié pour un dispositif IoT corporel.

Tableau 3 : Résistances des blocs-batteries (par article). (Source de l'image : Battery University Group)

1) Connexion du module cellulaire directement à la batterie

Dans le cadre d'une consommation de courant normale, cette résistance ne provoque pas de chute de tension significative ; cependant, en cas de charge de crête, la tension de la batterie peut chuter de 0,13 V à 0,33 V (ces valeurs de tension sont basées sur le courant consommé le plus faible et le plus élevé par les modules cellulaires présentés). Bien que cette chute de tension ne puisse pas faire tomber le rail d'alimentation en dessous de la valeur minimale de fonctionnement du module, elle engendre néanmoins une chute et une ondulation, ce qui ne correspond pas aux spécifications de ces modules cellulaires. Les performances en sont affectées, et il est donc déconseillé d'alimenter le module directement à partir d'une batterie.

2) Utilisation d'une plus grande capacité totale

Une autre façon de remédier à cette chute de tension consiste à ajouter davantage de capacité locale. Toutefois, cette capacité doit fournir suffisamment de courant pendant toute la durée de la consommation de courant et ce, sur toute la plage de températures de fonctionnement du produit. En soi, il s'agit d'une demande exigeante à laquelle les composants passifs doivent répondre.

Cette approche est encore plus compliquée lorsque l'on considère la simple quantité de capacité requise. Basé sur l'équation du courant d'un condensateur,

 Équation 1

L'équation peut être résolue pour calculer la capacité requise pour une tension, un courant et une durée donnés,

 Équation 2

En utilisant le composant u-blox comme référence, on peut voir que l'impulsion de courant élevée peut être active pendant 0,6 ms (4,615 ms/8).

Figure 2 : Profil de consommation de courant de u-blox. (Source de l'image : u-blox)

Quelle est donc la capacité nécessaire pour fournir 2 A pendant 0,6 ms afin de pallier une chute de tension de 0,26 V ? Selon l'équation ci-dessus, la valeur calculée est de 4,62 mF (4,62 x 10-3 Farad). Les plus grands condensateurs céramique, qui seraient également les plus performants puisqu'ils présentent généralement une résistance série équivalente (ESR) plus faible, se situent autour de 680 μF et ne sont généralement pas des composants à montage en surface. Plusieurs d'entre eux devraient être installés en parallèle, et il faudrait tenir compte du détarage en tension, de la variation de température et de la tolérance. Il existe des condensateurs au tantale à valeur élevée, mais avec ces derniers, la résistance série équivalente limite la quantité de courant pouvant être fournie. Là encore, il faudrait installer plusieurs d'entre eux en parallèle pour tenir compte des propriétés parasites indésirables des composants.

Le fait de devoir utiliser plusieurs condensateurs occuperait une place précieuse sur le circuit imprimé d'un dispositif corporel à l'espace déjà restreint et augmenterait considérablement les coûts de nomenclature. De plus, la capacité devrait être redéfinie à chaque changement de batterie ou de tout autre élément du schéma d'alimentation. Ces restrictions font de la solution capacitive une approche problématique pour résoudre cette conception.

Régulateur à découpage abaisseur-élévateur

Ce régulateur est au cœur de cette topologie de conception de l'alimentation. Cette section présente deux régulateurs abaisseurs-élévateurs disponibles dans le commerce. Chacune de ces options peut convenir à une application de dispositif IoT corporel. Toutefois, avant d'examiner plus attentivement leurs spécificités, les quelques points suivants permettront d'expliquer la nécessité d'un tel régulateur.

1) Un régulateur abaisseur ne suffit pas

À ce stade, des arguments ont été avancés pour affirmer que la connexion directe d'un module cellulaire à la batterie n'était pas un bon choix de conception. Toutefois, cette section va un peu plus loin et explique que, bien que l'utilisation d'un régulateur abaisseur représente une amélioration par rapport à une connexion directe à la batterie, ce n'est toujours pas un choix de conception qui fonctionne pour la majorité des cas d'utilisation de dispositifs IoT corporels. Un régulateur élévateur est nécessaire, et voici pourquoi.

Figure 3 : Courbe de décharge d'une batterie au lithium (valeur nominale de 3,7 V) à des courants de décharge de 0,2 C, 0,5 C et 1 C. (Source de l'image : Innovative Battery Technology)

Lorsqu'une batterie dispose de 20 % de sa charge restante, sa tension peut se situer entre 2,8 V et 3,7 V. Or, le circuit de protection contre les sous-tensions peut déconnecter la batterie lorsque la tension tombe en dessous de 3,0 V. Sur cette base, supposons que la plage de tensions « effective » pour une batterie ayant 20 % de capacité restante se situe entre 3,7 V et 3,0 V. Si l'on ajoute à cette information le fait qu'un régulateur abaisseur exige que la tension d'entrée soit supérieure ou égale à la tension de sortie, le dilemme de conception commence à se poser.

Si la valeur VOUT est définie sur 3,3 V et qu'un régulateur abaisseur est utilisé, la tension de batterie utilisable la plus basse correspond à la valeur que la batterie peut supporter pendant que le module cellulaire tire son courant de crête, tant que cette valeur est supérieure ou égale à 3,3 V.

Mathématiquement, le rendement est calculé comme suit,

 Équation 3

Reformulation de cette équation,

 Équation 4

En supposant un rendement de 90 % pour le régulateur abaisseur, ce dernier doit fournir 3,3 V * 2,5 A = 8,25 W, si le module u-blox est intégré. Cela signifie que la puissance d'entrée doit être de 8,25 W/0,9 = 9,2 W.

Application de l'équation,

 Équation 5

On peut voir que la tension d'entrée à la valeur nominale de 3,7 V de la batterie doit fournir 2,49 A. Cependant, il s'agit du courant fourni au régulateur, qui doit d'abord passer par la résistance série du bloc-batteries. Par conséquent, la tension réelle de la batterie doit correspondre à la somme de la tension à l'entrée du régulateur et de la tension qui a chuté à travers la résistance série du bloc-batteries : 3,7 V + (2,49 A * 0,13 ohm) = 4,02 V. Ainsi, une chute de 0,32 V a lieu sur la résistance série du bloc-batteries.

Cela signifie que la plus petite valeur utilisable de cette batterie est de 3,3 V + VSeries_Resistance = ~3,62 V. Si la tension du bloc-batteries tombe en dessous de cette valeur, la tension d'entrée du régulateur abaisseur ne sera plus supérieure ou égale à la tension de sortie et, par conséquent, la régulation échouera. Cette défaillance de la régulation entraînerait l'affaissement du rail d'alimentation du module cellulaire et enfreindrait également les exigences en matière de tension d'ondulation et d'affaissement. Les performances en souffriraient donc.

2) Autres considérations

En bref, la partie « élévateur » du régulateur abaisseur-élévateur permet au système d'accéder aux derniers 20 % de la capacité du bloc-batteries. Grâce au système abaisseur-élévateur, le rail d'alimentation du module est maintenu aussi longtemps que la batterie peut alimenter le régulateur, et il ne cesse pas de fonctionner prématurément, la charge restant dans la batterie.

Il convient de noter qu'avec un régulateur abaisseur-élévateur, les derniers 20 % de la charge de la batterie sont consommés plus rapidement que les 80 % précédents. Cela est dû à l'augmentation du courant d'entrée nécessaire lorsque la tension d'entrée tombe en dessous du point de consigne de la tension de sortie. Toutefois, cette augmentation de courant doit être prise en compte lors de la sélection du courant de décharge maximal du bloc-batteries.

3) Exemple de produit - ISL91110 de Renesas

Les graphiques suivants illustrent les capacités de ce composant. Ce composant permet de passer automatiquement d'un fonctionnement à faible charge à un fonctionnement à forte charge. Il en résulte une amélioration du rendement sur toute la plage de fonctionnement du courant de sortie.

Figure 4 : Rendement du dispositif ISL91110 de Renesas par rapport à la tension V_IN. (Source de l'image : Renesas)

Figure 5 : Transitoire de charge de 0 A à 2 A de l'ISL91110 de Renesas (V_IN = 3,6 V, V_OUT = 3,3 V). (Source de l'image : Renesas)

4) Exemple de produit - FAN49103 d'ON Semiconductor

Ce composant permet également de passer automatiquement d'un fonctionnement à faible charge à un fonctionnement à forte charge. Bien que les paramètres concernent une tension de sortie fixée à 3,4 V (par opposition à 3,3 V), ce composant convient à cet exemple d'application.

Figure 6 : Rendement du FAN49103 d'ON Semiconductor par rapport à la charge I (mA). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Figure 7 : Transitoire de charge de 0 A à 2 A du FAN49103 d'ON Semiconductor (V_IN = 3,6 V, V_OUT = 3,4 V). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Condensateurs locaux

Les condensateurs locaux remplissent deux fonctions importantes : assurer un stockage d'énergie local pour répondre aux augmentations soudaines du courant de charge, et filtrer les transitoires haute fréquence et les tensions d'ondulation qui peuvent nuire aux performances.

L'emplacement recommandé du condensateur dans le schéma de la conception est déterminant. Il convient de le placer de sorte que le module cellulaire soit alimenté par le rail de tension le plus propre possible. Cela signifie que les condensateurs situés à proximité immédiate du module cellulaire doivent avoir la résistance série équivalente et l'inductance série équivalente (ESL) les plus faibles. En fait, leur capacité nominale réelle peut être de l'ordre du pico-farad. Les condensateurs céramique C0G sont recommandés.

Bien que ces condensateurs à faible valeur filtrent assez bien les hautes fréquences, ils ne stockent pas beaucoup d'énergie. Pour ce faire, un condensateur au tantale plus grand, dans la gamme des centaines de micro-farads, est placé le plus loin possible des broches d'alimentation du module cellulaire. Cela ne signifie pas qu'il soit éloigné ; il reste toujours proche, mais pas aussi près que les condensateurs céramique susmentionnés. Une autre fonctionnalité importante de ce grand condensateur réside dans le fait que sa résistance série équivalente est faible à la fréquence fondamentale du courant transitoire prévu. Une résistance série équivalente de 100 mΩ à 100 KHz est recommandée.

La Figure 8 illustre la disposition recommandée pour le module cellulaire MPCI de u-blox.

Figure 8 : Schéma de la disposition recommandée des condensateurs locaux pour la série MPCI-L2 de u-blox. (Source de l'image : u-blox)

Dans la Figure 8, C1 - C3 sont les condensateurs C0G à faible valeur, à faible ESR et à faible ESL. C4 et C5 sont des condensateurs céramique dans la plage 0,1 - 10 μF. Enfin, C6 est le condensateur au tantale à valeur élevée pour une faible ESR à la fréquence fondamentale du courant de charge transitoire.

Il est extrêmement important que les tensions nominales soient choisies de façon à ce que le détarage soit atténué. Cela est particulièrement vrai pour les condensateurs céramique.

Cette section se termine par l'étude de quelques condensateurs disponibles dans le commerce. Les paramètres applicables sont fournis.

1) KEMET

Référence : T520D337M006ATE045

Capacité : 330 μF

Tolérance : 20 %

Tension nominale : 6,3 V

ESR à 100 KHz : 45 mΩ

2) Panasonic Electronic Components

Référence : 6TPF470MAH

Capacité : 470 μF

Tolérance : 20 %

Tension nominale : 6,3 V

ESR à 100 KHz : 10 mΩ

Points à prendre en compte pour la configuration

Bien que les fiches techniques de chacun des composants sélectionnés contiennent des recommandations de configuration spécifiques, il existe des directives générales qui permettent d'obtenir des performances efficaces et à faible bruit.

1) Remplissages des plans de masse et d'alimentation

Utilisez des remplissages polygonaux chaque fois que cela est possible. Cela est particulièrement vrai pour les connexions à la tension d'entrée, à la tension de sortie, à l'inductance et aux nœuds de terre. En bref, n'économisez pas sur le cuivre car ces plans offrent des chemins à faible résistance et à faible inductance pour le flux de courant, ce qui inclut tout courant parasite ou de commutation. La Figure 9 présente une disposition recommandée de la couche supérieure pour le dispositif abaisseur-élévateur LTC3113 de Linear Technology, et elle illustre bien la préférence pour les coulages de cuivre.

Figure 9 : Disposition recommandée de la couche supérieure pour le LTC3113 de Linear Tech. (Source de l'image : Linear Technology)

2) Amortissement

En dépit de tous les efforts réalisés pour réduire les résistances et les inductances parasites, il s'agit d'une conception de dispositif corporel à taille réduite. Les plans d'alimentation et les plans de masse ne seront pas aussi grands qu'ils devraient l'être. Les dispositions de cette configuration devraient permettre le placement d'un circuit d'amortissement RC. Bien que ces composants n'aient pas besoin d'être équipés au départ, les concepteurs tireront profit de l'allocation des empreintes si ce circuit est nécessaire pour réduire les émissions.

Ces éléments parasites contribuent aux oscillations dans le courant de commutation (Figure 10).

Figure 10 : Oscillations dans le courant d'inductance de commutation du régulateur abaisseur. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Or, comme cela a déjà été indiqué, cela pourrait être inévitable en raison des exigences spatiales. Le circuit d'amortissement, Figure 11, siphonne ces énergies parasites vers la terre. Sans cela, ces oscillations pourraient faire dépasser les émissions de la conception au-delà des limites acceptables pour la conformité réglementaire. Le circuit d'amortissement est un outil précieux pour réduire le bruit du régulateur soumis à des contraintes spatiales.

Figure 11 : Emplacement recommandé du circuit d'amortissement RC pour le régulateur abaisseur. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

3) Perle de ferrite

La dernière recommandation vise à traiter tout bruit haute fréquence durable qui est lié à la puissance de sortie. Placez une perle de ferrite à fort courant, sélectionnée pour avoir l'atténuation appropriée aux fréquences clés, en série avec la sortie du régulateur abaisseur-élévateur. Elle doit être placée entre la sortie du régulateur et les condensateurs de découplage de masse.

Étude de cas - LTC3113 alimentant le module SARA de u-blox

Le module SARA est un émetteur-récepteur cellulaire 3G. Tout comme les modules cellulaires susmentionnés, il peut lui aussi consommer des courants importants par à-coups, ce qui provoque l'affaissement de la tension de la batterie en raison de la résistance série. La conception du circuit de la Figure 12 pour le régulateur à découpage abaisseur-élévateur LTC3113 a été utilisée pour maintenir un rail d'alimentation de 3,3 V stable et fiable pour cette conception.

Figure 12 : Étude de cas du circuit du régulateur à découpage abaisseur-élévateur LTC3113. (Source de l'image : Colorado Electronic Product Design)

Cette conception de régulateur, combinée à des condensateurs de découplage locaux disposés comme illustré à la Figure 12, produit un rail d'alimentation stable dans tous les cas de courants de fonctionnement consommés. La Figure 13 illustre le courant consommé par le module SARA (bleu), le rail d'alimentation de sortie à 3,3 V provenant du régulateur abaisseur-élévateur (vert), la tension de la batterie d'entrée et tout affaissement sur ce rail (violet), ainsi que la tension d'ondulation mesurée sur le rail d'alimentation de sortie (orange).

Comme on peut le constater, cette forte pointe de courant ne provoque pas d'affaissement ni d'ondulation importante sur le rail de sortie régulé de 3,3 V. Cependant, il provoque un affaissement du rail d'entrée.

Figure 13 : Étude de cas : circuit du régulateur à découpage abaisseur-élévateur LTC3113, module SARA consommant un courant de module ~0,9 A (bleu), rail de sortie de 3,3 V (vert), rail d'entrée de la batterie (violet) et ondulation du rail de sortie de 3,3 V (orange). (Source de l'image : Colorado Electronic Product Design)

Là encore, la stabilité et la fiabilité du rail de sortie restent constantes à un niveau solide de 3,3 V et avec une ondulation minimale. Le rail d'entrée de la batterie, cependant, subit un affaissement d'environ 0,32 V, ce qui dépasse les spécifications du module SARA et celles des autres modules mentionnés dans le présent document. Le régulateur abaisseur-élévateur est capable de s'adapter à ces pics de courant et de maintenir un rail d'alimentation adapté au fonctionnement du module cellulaire dans toutes les conditions prévues.

Conclusion

Les conceptions de dispositifs IoT corporels posent de nombreux défis aux ingénieurs de conception, et le système d'alimentation se situe à la convergence de beaucoup d'entre eux. La topologie des régulateurs abaisseurs-élévateurs répond directement à ces changements en fournissant un rail d'alimentation stable et fiable dans la palette de conditions de fonctionnement d'un module cellulaire. Cela ne veut pas dire qu'un travail de conception minutieux n'est pas nécessaire. Il s'agit plutôt de préciser que si les bonnes pratiques de conception sont suivies, cette topologie donnera de bons résultats. Les conceptions de dispositifs IoT corporels devenant de plus en plus compactes, les attentes en matière de performances vont également augmenter. Considérez cette topologie robuste pour alimenter des conceptions de dispositifs IoT corporels compactes et performantes.

Remerciements : Remerciements particuliers à Linear Tech/Analog Devices, ainsi qu'à la direction et au personnel de CEPD (Colorado Electronic Product Design).