Appareils portables : comment tester l`alimentation

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S olutions
C
es dernières années,de gros pro-
grès ont été accomplis au niveau
de l’autonomie des équipements
portables et/ou de terrain ali-
mentés sur batterie.Ceux-ci s’expliquent en
grande partie par l’incorporation de systèmes
de gestion de l’énergie consommée par les
différents sous-ensembles de l’équipement.
Ces systèmes de gestion d’énergie se pré-
sentent sous la forme de circuits intégrés qui
comportent divers blocs de fonction tant
analogiques que
numériques.Citons les
principaux.
Le bloc “chargeur de
batterie” surveille la bat-
terie, l’entrée du char-
geur et le mode d’ali-
mentation (soit par la
batterie,soit par le char-
geur externe) de l’équi-
pement.Enfin,il gère la
charge de la batterie et
éteint l’équipement (si
la batterie est vide).
Les blocs “convertis-
seurs continu/continu”
fournissent une énergie
régulée à partir d’une
entrée non régulée.On
leur demande de déli-
vrer de plus en plus de
puissance,par exemple
pour alimenter l’écran rétro-éclairé,les micro-
processeurs et DSP (processeur numérique
du signal), de plus en plus présents dans les
équipements portables,et très gourmands en
énergie.
Les blocs “régulateurs LDO” (“Low Drop
Out”) sont des régulateurs individuels,chacun
assurant l’alimentation programmable d’un
sous-ensemble de l’équipement.Dans un télé-
phone mobile, on peut dénombrer jusqu’à
une douzaine de régulateurs LDO, qui ali-
mentent séparément le DSP de gestion de la
bande de base,la sonnerie et le vibreur,l’am-
plificateur audio,le rétro-éclairage,l’amplifi-
cateur de puissance RF ou encore les circuits
émetteur et récepteur.
Parmi les autres blocs de fonction analogiques
présents dans le système de gestion d’éner-
gie de l’équipement, on trouve un ou deux
blocs “amplificateurs audio”. Les nouveaux
amplificateurs de classe D sont de plus en plus
présents, du fait de leur faible dissipation
d’énergie.
De tous ces blocs fonctionnels,le bloc “char-
geur de batterie” mérite une attention par-
ticulière. Quel que soit le système de ges-
tion de l’énergie utilisé,on retrouve toujours
un peu le même type de bloc “chargeur de
batterie”. Celui-ci commence par identifier
le type de batterie utilisé : nickel-cadmium
(Ni-Cad), nickel-hydrure métallique (Ni-
MH) ou Litium-Ion (Li-Ion). Ensuite, il
applique le régime de charge le mieux adap-
té au type de batterie.
Pour gérer les différentes phases de la char-
ge,le bloc “chargeur”surveille la tension de
batterie,la température,la tension de l’adap-
tateur et le courant de charge. Le mode de
fonctionnement dans lequel se trouve l’équi-
pement (sur batterie ou sur chargeur/sec-
teur) est également souvent pris en compte,
en raison des limites qu’il impose en termes
d’alimentation et de dissipation thermique.
Les circuits de commande internes du bloc
“chargeur”traitent tous ces paramètres afin
de délivrer une commande au régulateur de
charge et d’informer l’utilisateur sur l’état
de charge de son équipement.
Un cycle de charge en trois phases
Un cycle de charge typique d’une batterie
se décompose en trois phases.
D’abord, on teste l’état de la batterie. L’une
des méthodes consiste à appliquer une brè-
ve impulsion de courant à la batterie et à
mesurer sa réponse en tension. À partir de
là,il est possible de connaître le type de bat-
terie utilisé, son état de charge et son impé-
dance.
Ensuite, il faut appliquer le bon régime de
charge, en fonction du type de batterie. La
charge des batteries Ni-Cad et Ni-MH est
réalisée en appliquant un courant constant.
C’est un peu différent pour les batteries Li-
Ion : il faut appliquer un courant constant,
suivi d’une tension constante.
▼
Les téléphones mobiles, les PDA, les notebooks et plus généralement tous les appareils portables sont équipés de systèmes
de gestion de la consommation qui leur permettent de disposer d’une autonomie de plus en plus importante. De nombreux
circuits intégrés ont été développés pour cela. Pour le concepteur de l’équipement portable, l’évaluation des performances
de ces circuits nécessite de réaliser des tests. Il existe pour cela des alimentations spécialisées, aussi bien pour simuler le fonc-
tionnement de la batterie que celui du chargeur. C’est ce qu’explique ici Agilent Technologies.
L’essentiel
L’utilisation de composants
basse consommation et
l’amélioration des batteries
sont pour beaucoup dans
l’augmentation de l’auto-
nomie des appareils por-
tables.
Les gains obtenus sur l’au-
tonomie s’expliquent aussi
par l’efficacité des sys-
tèmes de gestion de la
consommation incorporés
dans les appareils.
Pour tester l’efficacité de
ces systèmes, il faut être
capable de simuler le com-
portement de la batterie et
celui du chargeur.
Des alimentations spéciali-
sées, avec plusieurs sorties
et des relais d’isolement,
facilitent cette tâche.
INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE
Appareils portables :
comment tester
l’alimentation
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La troisième phase du cycle de charge,c’est
la fin de la charge.Pour les batteries Ni-Cad
et Ni-MH,la fin de la charge est définie par
un changement de la tension montante/des-
cendante de la batterie et une augmentation
de la température de la batterie.Pour les bat-
teries Li-Ion, la charge est terminée lorsque
l’on constate un “décrochage” du courant
de charge.
Le plus difficile : la simulation
physique de la charge et
de la décharge de la batterie
Les fabricants de circuits intégrés ont déve-
loppé de nombreux dispositifs de gestion de
l’énergie des équipements portables.Si ceux-
ci assurent peu ou prou la même fonction,
leurs performances sont très variables et
dépendent du type d’utilisation de l’équipe-
ment. Pour choisir la solution optimale, les
ingénieurs de conception des équipements
doivent évaluer les performances des dispo-
sitifs qui leur semblent les mieux adaptés,et
donc de pratiquer des tests.
Pour tester le bloc “chargeur de batterie” d’un
système de gestion de l’énergie,il faut rempla-
cer le chargeur et la batterie par une alimenta-
tion de laboratoire qui va simuler ces deux élé-
ments.
Simulation d’un cycle de charge/décharge.
L’utilisation d’une alimentation programmable
permet de simuler les conditions de charge les
plus diverses.
En mode normal, une batterie est faite pour
fournir un courant.Mais pendant la charge,
c’est l’inverse qui se produit : elle absorbe
un courant.Dans les deux cas, la tension aux
bornes est relativement constante.
L’alimentation qui émule la charge et la
décharge de la batterie doit être conçue pour
fonctionner à plein dans deux quadrants.Elle
peut faire office à la fois de source et d’élé-
ment dissipateur de courant,tout en main-
tenant une tension stable.La plupart des ali-
mentations sont conçues pour ne servir que
de source de courant.
Critère Approche classique Agilent 66319B
Capacité de charge et Alimentation à courant continu (cc), Fonctionnement
décharge de la batterie 2 quadrants dans 2 quadrants
Résistance de sortie Réseau de résistances programmable Résistance de sortie
de la batterie par relais, développé sur mesure programmable
Réponse de tension impulsionnelle Oscilloscope Numérisation des signaux de
de la batterie tension et de courant de sortie
Relation entre le niveau de Tension de sortie programmable Tension de sortie programmable
la charge et la tension
Température de la batterie Deuxième alimentation à Utilisation de la deuxième sortie
courant continu programmable de l’appareil
Validation de la fin de Lecture du courant Lecture du courant
charge d’une batterie Li-Ion dans 2 quadrants dans 2 quadrants
Courant résiduel débité par la batterie Multimètre numérique séparé Gamme de mesure de courant
lorsque l’équipement est éteint en µA
Comparaison de deux approches
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Résistance de sortie et réponse en tension
de la batterie. Lors de l’évaluation des per-
formances d’un système de gestion de
l’énergie,la question de la résistance de sor-
tie est aussi à considérer.N’étant pas une sour-
ce de tension idéale,la batterie présente typi-
quement une résistance en sortie série de
quelques dizaines,voire de centaines de mil-
liohms.Lors d’un test,la tension de la batterie
dépend principalement de cette résistance.
Certains blocs de fonction “chargeur de bat-
terie” offrent la possibilité de fournir le
niveau de charge de la batterie incorporée
dans l’équipement portable. Pour tester la
performance de cette fonction,il est intéres-
sant que l’équipement de test permette de
simuler par programme la résistance de sor-
tie.Il faut également pouvoir capturer le signal
de réponse en tension qui en résulte.
Relation de dépendance entre l’état de la
charge et la tension. La tension de la batterie
varie en fonction de son niveau de charge.
C’est l’un des paramètres clés pour établir les
points de fin de charge et de fin de décharge.
La possibilité de programmer avec précision
la tension de sortie, avec un afficheur resti-
tuant la valeur avec une précision de 0,2 %
ou mieux, est indispensable pour établir la
relation entre l’état de charge de la batterie et
la tension de sortie, et déterminer ainsi le
moment de fin de charge de la batterie.
Température de la batterie. La température de
batterie est un précieux indicateur :celle-ci est
surveillée à l’aide d’une
thermistance à coeffi-
cient de température
négatif (CTN) noyée
dans la batterie.Ce cap-
teur délivre une tension
proportionnelle à la
température, qui est
exploitée par le bloc de
fonction “chargeur” de
la batterie.
Lors d’un test, un
signal de tension peut
habituellement rem-
placer une résistance
pour simuler la tem-
pérature de la batterie.
Fin de charge d’une
batterie Li-Ion. Pen-
dant la seconde phase
de la charge,la tension
d’une batterie Li-Ion
“flotte” et augmente
jusqu’à atteindre la
tension de sortie du
chargeur.Cette évolu-
tion,conjuguée avec la
résistance série de la
batterie, induit une
diminution progressi-
ve du courant de char-
ge, jusqu’à ce que la
batterie soit considé-
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Adaptateur
ca/cc
Résistance de mesure
de courant
Transistor FET
de contrôle externe
de la charge
Courant de charge
Courant
de charge
Tension
de charge
Tension
d’entrée de
référence
Etat de la
charge en
sortie
Etat de
charge
Température
de la batterie
Résistance à
coefficient
de tempéra-
ture négatif
(NTC)
Batterie
Bloc de charge
de la batterie
Montage
de contrôle
de la charge
Tension de
la batterie
Réponse en tension
de la batterie
Impulsion du courant
de charge
Temps en ms
Tension en V
Courant en A
Courant de
charge
constant 1A
Tension de
charge constante
à 4,2 V/cellule
Courant de
charge Courant de fin
de charge
0,1 A
Tension de
la batterie
Temps en h
Tension en V
Courant en A
Courant de charge constant
Température de la batterie
Fin de charge
lors d’une chute
de 50 à 100 mV
et/ou une
élévation de
température
rapide
Tension de
la batterie
Temps en h
Tension en V
Courant en A
Température en °C
Exemple de bloc de fonction “chargeur de batterie”
implémenté dans un appareil portable
Architecture type d’un bloc de gestion de la consommation d’un appareil portable.De nombreux paramètres sont pris en compte :tension
et température de batterie,courant de charge…
Test de charge de la batterie
Processus de charge
Fin du cycle de charge
La fin de charge dépend du type de batterie.Pour les batteries Ni-Cad et Ni-MH,la fin du processus
est déclenchée par une baisse de la tension de batterie et conjuguée par l’élévation de sa température.
Pour une batterie Li-Ion,c’est la baisse du courant de charge tiré par la batterie qui déclenche la fin
de charge.
Cette opération se fait d’abord avec un courant de charge constant qui fait lentement grimper
la tension.Une fois celle-ci arrivée à son palier,le courant de charge décroît jusqu’à la fin du
cycle de charge.
En appliquant une brève impulsion de courant de charge,on est capable de déterminer l’état et les
caractéristiques de la batterie testée.
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rée comme pleinement chargée.
Pour émuler la fin de charge de la batterie
Li-Ion, il faut donc pouvoir programmer à
la fois la tension en sortie et la résistance de
sortie série. Une lecture précise du courant
négatif (second quadrant) est nécessaire pour
valider le point de fin de charge.
Courant résiduel de la batterie. Lorsque la bat-
terie n’est pas en charge et que l’équipement
portable est éteint,la batterie ne doit pas débiter
un courant important. Ce courant est typique-
ment de l’ordre de quelques micro-ampères.
Pour évaluer la performance du système de
gestion d’énergie pour ce courant résiduel,
l’instrument de mesure utilisé doit être
capable de mesurer des courants très faibles,
et avec une bonne précision.
Plus facile : la simulation physique
du chargeur
La simulation du comportement de la bat-
terie ne suffit pas pour tester complète-
ment le système de gestion d’énergie d’un
équipement portable. Il faut aussi voir
comment ce système se comporte en fonc-
tion du chargeur.Il faut donc pouvoir éga-
lement simuler le fonctionnement du
chargeur. Comparativement à la simula-
tion de la batterie,cette opération est rela-
tivement simple.
Limites de la tension de sortie.Le char-
geur délivre un niveau de tension de
sortie spécifique à l’équipement por-
table. Cette tension est quasiment
constante (elle peut varier de quelques
pour cent).
Une alimentation à courant continu permet de
simuler cette tension de sortie.Cette dernière
doit pouvoir être programmée avec une préci-
sion d’environ 0,2 %.
Il faut que cette ten-
sion puisse varier entre
les limites maximum
et minimum du char-
geur utilisé.
Limites du courant de
sortie.Souvent,les dis-
positifs de charge des
équipements doivent
maintenir un niveau
de courant constant
lorsque la batterie est à
pleine charge.
Pour tester ce com-
portement,l’alimenta-
tion utilisée doit per-
mettre de pouvoir
programmer un cou-
rant constant.
Lecture du courant
de charge. Le bloc
chargeur offre souvent
un affichage du cou-
rant de charge de la
batterie. L’alimenta-
tion utilisée pour
simuler physique-
ment un tel chargeur
doit pouvoir donner précisément la valeur
du courant de charge.
Simulation de la déconnexion du char-
geur. Lorsque le chargeur est éteint ou
déconnecté,il ne doit pas présenter de résis-
tance sur le port du chargeur présent sur
l’équipement portable. Pour simuler physi-
quement cette absence de résistance,le plus
simple est d’incorporer un relais entre l’ali-
mentation et le système de gestion d’énergie
sous test,afin d’obtenir une isolation totale.
Edward Brorein
Ingénieur d’applications
Agilent Technologies
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S olutions
Batterie en charge dissipa-
tion de l’énergie, à tension
constante
Batterie débitant de l’éner-
gie. Apport d’énergie à ten-
sion constante
Tension de sortie
Courant de sotie
Batterie d’émulation et
de remplacement Agilent 66319 B
Batterie d’émulation et
de remplacement Agilent 66312 C
Sortie principale
Sortie principale
Porte
batterie
Tempéra-
ture
de batterie
Port
adapta-
teur
Système de
charge de la
batterie
Sortie secondaire
Source
d’énergie
programmable
du 2
ème
Quadrant
Source
d’énergie
programmable
du 1
er
Quadrant
Résistance séries
de sortie
programmable
Lecture précise
du courant
jusqu’au µA
Lecture précise
du courant Relais de
déconnexion
Lecture précise
de la tension Port
batterie
Port
adapta-
teur
Température
de
la batterie
Référence de
tension
programmable
Système de
charge de la
batterie
Émulation et remplacement d’adaptateur
Émulation et remplacement de batterie
Fonctionnement dans deux quadrants pour la
simulation physique de la batterie
L’alimentation utilisée pour simuler le fonctionnement de la batterie peut servir de source de cou-
rant,mais également de consommation de courant.
Fonctions à mettre en œuvre pour tester
un système de gestion de l’énergie
d’un appareil portable
Pour tester l’efficacité du système de gestion de la consommation incorporé sur un appareil portable,il faut disposer d’instruments capables
de faire des mesures mais aussi de simuler le fonctionnement de la batterie et du chargeur.Le banc d’essai réalisé avec des instruments à
usage général peut comporter un nombre conséquent d’instruments…
Deux appareils seulement
… Il existe heureusement des instruments spécialisés qui simplifient les montages de mesure.On
le voit ici,avec deux appareils seulement,il est possible de réaliser l’ensemble des tests.
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