Charge (LiPo 3.7V) et Alimentation Simultanée d'un Système (3.3V)

[invite7cf89e82]

Bonjour à tous,
Tout d'abord, je vous prie d'être indulgent ceci est mon premier post sur ce forum (que je parcours depuis quelques temps déjà)
Je suis un étudiant à la recherche de conseils, de suggestions et de corrections si nécessaire afin de progresser en électronique.

Ma demande se rapproche un peu de celle-ci :
http://forums.futura-sciences.com/el...nt-li-ion.html
Mais j'ai préféré refaire un sujet pour ne pas déterrer la conversation.


Mon objectif est le suivant :

Pouvoir alimenter n'importe quel projet (en 3V ou 3.3V de consommations inférieure à 200mA, même si je n'exclue pas l'idée d'un projet ayant une charge en courant plus importante hors veille) via une batterie LiPo (3.7V, ampérage variable en fonction de la consommation finale), qui puisse être rechargée via un port USB type C tout en continuant à alimenter le projet.
Vous l'aurez compris, l'idée est la même que dans le post de dje8269, sauf que je cherche ici à optimiser au maximum la consommation et la charge de la batterie pour affecter le moins possible ses performances (vitesse de décharge, capacité, nombre de cycles).

D'après la datasheet de la batterie que j'utilise actuellement (4.2V, 1200mAh), le courant standard de charge se situe à 0.2C soit, si j'ai bien compris à 240mAh.
Cela veut donc dire que je dois charger ma batterie avec un courant constant de 240mAh ?
Est-ce que si la batterie est chargée à 500mAh l’espérance de vie de la batterie sera réduite ?
D’après les données constructeurs la charge max est de 1C mais je suppose que plus on augmente le courant moins la batterie tiendra dans le temps :-/
Pour ce qui est de la gestion de cette charge de batterie, j'hésite entre le MCP73831/2 (https://cdn.sparkfun.com/assets/lear.../MCP738312.pdf) et le MAX1555 (https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/MAX1551-MAX1555-1.pdf).

Le MAX1555 me semble plus simple à mettre en œuvre mais ne semble pas gérer aussi bien que le MCP73831/2 la gestion de la charge de la batterie (notions de Preconditioning mode, Fast charge mode et Constant voltage mode).
D’après la datasheet, j’ai l’impression que le MAX1555 s’arrête après avoir atteint les 4V mais il me semble qu’une batterie lipo peut être chargée jusqu’à 4.2V non ?
En termes de consommation pour le MCP73831/2 hors charge (source USB déconnectée), je pense viser les 2uA max (Je ne suis pas sûr, mais on est bien dans le cas ou VDD<Vstop ?).
Pour ce qui est du MAX1555 dans les mêmes conditions on est à 5uA max ce qui me pousse à m’orienter vers le MCP73831/2.

En utilisant le post de dje8269 et une note d’application de chez microchip (http://ww1.microchip.com/downloads/e...tes/01149c.pdf) j’en ai conclu qu’il fallait également mettre en place un mosfet canal P pour assurer l’alimentation à la fois en charge (via USB) et en usage nomade (via la batterie).
Par contre, je ne sais pas trop quel sont les critères afin d’assurer le fonctionnement et une consommation faible. A priori un Rds faible et une tension VGSth permettant l’état saturé du transistor ?

Enfin pour la partie régulation je pensais partir soit sur un MCP1710 (http://ww1.microchip.com/downloads/e.../20005158C.pdf)
soit sur un XC6220 (https://www.torexsemi.com/file/xc6220/XC6220.pdf).

Si j’ai bien compris, l’avantage du XC6220 (serie A/B) c’est de pouvoir « s’auto configurer » dans un mode low consumption ( 8uA ) de la charge est inférieure à 2mA puis de repartir en High speed mode lorsque le courant dépasse les 5mA.
Aussi, il est capable d’alimenter un projet jusqu’à 1A ce qui me semble vraiment intéressant si jamais je dois utiliser ce PCB pour un montage un peu plus gourmand en énergie hors mode veille.
En comparaison le MCP1710, permet de fournir jusqu’à 200mA pour une consommation (sur ce point, je ne suis pas sûr) de 20nA ??? (quiescent current, à mon avis ce n’est pas ça, la datasheet précise que cette valeur correspond à un Iout de 0 mais je n’arrive pas à trouver d’autres valeurs de consommation) .

Voilà je pense avoir fait le tour ! Si jamais vous avez d’autres composants à me proposer qui font le boulot pour une consommation encore plus faible ça m’ira très bien aussi 
Évidemment, mon raisonnement est peut être faux n’hésitez pas à me corriger si besoin, je cherche juste à progresser et à faire avancer mon projet !
Merci d’avance pour votre aide !

AntoineGirafe
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[invite7cf89e82]

Rebonjour,
Mon post précédent est sans doute un peu trop détaillé je vais essayé de synthétiser mes questions ^^

Je pense que je vais prendre le MCP73831 pour le circuit de charge (Il me semble beaucoup plus efficace sur la charge de la batterie) ! A priori pour changer le courant de charge il suffit de changer la résistance donc je verrais ça plus tard (a priori une 2kOhm pour atteindre les 500mA).

Pour le transistor, je pense partir sur un MOSFET FDG332PZ P Channel http://www.onsemi.com/pub/Collateral/FDG332PZ-D.pdf, ils précisent dans la datasheet qu'il est optimisé pour le power management donc je pense que c'est un bon choix ! qu'en pensez vous ?

Pour la partie régulation je n'arrive vraiment pas à trouver la consommation du régulateur MCP1710 ... un indice ? Pour l'instant mon choix se porterai plus sur le XC6220 mais sans plus d'information sur la conso du MCP, difficile de comparer (Cf. Datasheet dans mon post précédent).

Merci d'avance pour votre aide !!

AntoineGirafe

[Antoane]

Bonsoir et bienvenue sur Futura,

D'après la datasheet de la batterie que j'utilise actuellement (4.2V, 1200mAh), le courant standard de charge se situe à 0.2C soit, si j'ai bien compris à 240mAh.

0.2C = 240 mA (sans h).

Cela veut donc dire que je dois charger ma batterie avec un courant constant de 240mAh ?[...]
D’après les données constructeurs la charge max est de 1C mais je suppose que plus on augmente le courant moins la batterie tiendra dans le temps :-/

Sans doute. Même s'il est difficile de juger sans avoir la datasheet sous les yeux et que 0.2C parait plutôt faible pour du lithium - mais je ne suis pas expert.
Certaines batterie n'aiment pas se voir charger avec un courant trop faible non plus.

Est-ce que si la batterie est chargée à 500mAh l’espérance de vie de la batterie sera réduite ?

Ca devrait être noté dans la datasheet.
Cependant, charger un accus avec un courant trop grand n'est généralement pas bon :
- dégradation du rendement ;
- échauffement ;
- vieillissement accéléré ;
- etc.

D’après la datasheet, j’ai l’impression que le MAX1555 s’arrête après avoir atteint les 4V mais il me semble qu’une batterie lipo peut être chargée jusqu’à 4.2V non ?

le MAX1555 : https://www.sparkfun.com/datasheets/...-MAX1555-1.pdf
Je dois avouer avoir la flemme de lire en détail la datasheet, mais la ligne : "4.158 V < BAT Regulation Voltage < 4.242 V" laisse penser que non.

En termes de consommation pour le MCP73831/2 hors charge (source USB déconnectée), je pense viser les 2uA max (Je ne suis pas sûr, mais on est bien dans le cas ou VDD<Vstop ?).
Pour ce qui est du MAX1555 dans les mêmes conditions on est à 5uA max

Oui.

Ce qui me pousse à m’orienter vers le MCP73831/2.

Oui dans le principe, reste à voir si économiser 3 µA (i.e. ) a du sens.
Sauf si tu comptes recharge la batterie moins souvent que tous les 6 mois, cela n'en a pas vraiment (perte < 1 %).

En utilisant le post de dje8269 et une note d’application de chez microchip (http://ww1.microchip.com/downloads/e...tes/01149c.pdf) j’en ai conclu qu’il fallait également mettre en place un mosfet canal P pour assurer l’alimentation à la fois en charge (via USB) et en usage nomade (via la batterie).
Par contre, je ne sais pas trop quel sont les critères afin d’assurer le fonctionnement et une consommation faible. A priori un Rds faible et une tension VGSth permettant l’état saturé du transistor ?

- Tension de claquage drain/source et grille/source >> Vbat ;
- courant >> au courant utile ;
- Rds_on * courant utile << Vbat ;
- Rds_on spécifiée @ Vgs < Vbat.

En comparaison le MCP1710, permet de fournir jusqu’à 200mA pour une consommation (sur ce point, je ne suis pas sûr) de 20nA ??? (quiescent current, à mon avis ce n’est pas ça, la datasheet précise que cette valeur correspond à un Iout de 0 mais je n’arrive pas à trouver d’autres valeurs de consommation) .

C'est la consommation @I_out = 0, cf. fig 2.31.
Un LDO aura un rendement pouvant atteindre 3.3/4.2 ~ 78 %. C'est probablement la meilleure solution lorsque le courant de sortie est quasi-nul (circuit en veille) mais rédhibitoire pour les plus fortes consommations. L'usage d'un convertisseur buck est alors à envisager : beaucoup disposent d'une broche "enable" permettant de les mettre en sommeil. Certains convertisseurs récents mettent en œuvre des techniques de contrôle (burst mode, pulse skipping, etc) qui, au prix d'une ondulation de sortie accrue, présentent d'excellents rendements sur toute la gamme de courant.
Utiliser un régulateur à découpage permet par ailleurs d'allonger l'autonomie de l'accus en autorisant de le décharger jusqu'à une tension plus basse.
Note enfin que beaucoup de composants (µC, etc) dédiés à l'embarqués sont prévus pour être alimentés directement par un accus lithium de manière à se passer de régulateur.

Pour le transistor, je pense partir sur un MOSFET FDG332PZ P Channel http://www.onsemi.com/pub/Collateral/FDG332PZ-D.pdf, ils précisent dans la datasheet qu'il est optimisé pour le power management donc je pense que c'est un bon choix ! qu'en pensez vous ?

Éventuellement.
100 mOhm @ 1A représentent 100mV, soit à peu près autant de perdus sur la tension max de décharge de la batterie si tu utilises un LDO (à voir en fonction de son drop-out minimal).

[invite7cf89e82]

Bonjour et merci beaucoup pour ta réponse !

Sans doute. Même s'il est difficile de juger sans avoir la datasheet sous les yeux et que 0.2C parait plutôt faible pour du lithium - mais je ne suis pas expert.
Certaines batterie n'aiment pas se voir charger avec un courant trop faible non plus.

C'est ce qu'il me semblait aussi !

Est-ce que si la batterie est chargée à 500mAh l’espérance de vie de la batterie sera réduite ?

Ca devrait être noté dans la datasheet.
Cependant, charger un accus avec un courant trop grand n'est généralement pas bon :
- dégradation du rendement ;
- échauffement ;
- vieillissement accéléré ;
- etc.

Voilà le lien vers la datasheet : Pièce jointe 364737 On y trouve bien la charge max 1C mais il semblerait que leurs recommandations pour cette batterie soient de charger à 0.2C. Je pense que je vais viser un peu plus haut (aux alentours des 0.4C) car j'ai peur que cela prenne trop de temps :-/ D'ailleurs, pour calculer le temps de recharge : si l'on charge cette batterie à 1200mA (soit 1C) elle sera chargée en une heure de temps ? donc si on la charge à 0.2C il faudra 1200/(0.2*1200)=5h de temps ?

En termes de consommation pour le MCP73831/2 hors charge (source USB déconnectée), je pense viser les 2uA max (Je ne suis pas sûr, mais on est bien dans le cas ou VDD<Vstop ?).
Pour ce qui est du MAX1555 dans les mêmes conditions on est à 5uA max

Oui.

Ce qui me pousse à m’orienter vers le MCP73831/2.

Oui dans le principe, reste à voir si économiser 3 µA (i.e. ) a du sens.
Sauf si tu comptes recharge la batterie moins souvent que tous les 6 mois, cela n'en a pas vraiment (perte < 1 %).

Les deux autres arguments que j'ai pour justifier ce choix :

1. Le MCP73831/2 semble gérer la charge de la batterie de façon plus complète : j'ai vu qu'il y avait 3 mode différents (Preconditioning mode, Fast charge mode et Constant voltage mode) qui sont a priori appliqués automatiquement. Ça veut s'en doute dire que le module est plus efficace pour la charge ou plus respectueux de la batterie non ?
2. La possibilité de changer le courant de charge simplement en changeant la valeur d'une résistance. Si jamais je dois utiliser ce montage avec une batterie ayant des caractéristiques plus faibles par exemple, j'aurais (si j'ai bien compris) juste à changer la valeur de la résistance pour ajuster le courant de charge.

Du coup pourquoi se priver ?

Petite question qui me vient ==> Si le montage consomme par exemple 100mA et que l'on recharge une batterie de 1200mAh avec un courant de 500mA. Avec le circuit du transistor permettant d'alimenter le système dans le même temps, cela veut dire que le courant réel qui va charger la batterie est réduit à 400mA ?
Et lorsque la batterie est complètement rechargée mais avec le câble de recharge toujours branché comment est ce que ça veut dire que le courant fournis au système devient 500mA ? j'ai du mal à voir où part ce courant.

- Tension de claquage drain/source et grille/source >> Vbat ;
- courant >> au courant utile ;
- Rds_on * courant utile << Vbat ;
- Rds_on spécifiée @ Vgs < Vbat.

Pour le transistor, je pense partir sur un MOSFET FDG332PZ P Channel http://www.onsemi.com/pub/Collateral/FDG332PZ-D.pdf, ils précisent dans la datasheet qu'il est optimisé pour le power management donc je pense que c'est un bon choix ! qu'en pensez vous ?

Éventuellement.
100 mOhm @ 1A représentent 100mV, soit à peu près autant de perdus sur la tension max de décharge de la batterie si tu utilises un LDO (à voir en fonction de son drop-out minimal).

Donc si je veux réduire la consommation, j'aurais juste à réduire ce Rds_on au minimum possible tout en respectant les règles que tu m'a fournis ! merci je vais essayer d'en chercher un un peu plus optimisé !

En comparaison le MCP1710, permet de fournir jusqu’à 200mA pour une consommation (sur ce point, je ne suis pas sûr) de 20nA ??? (quiescent current, à mon avis ce n’est pas ça, la datasheet précise que cette valeur correspond à un Iout de 0 mais je n’arrive pas à trouver d’autres valeurs de consommation) .

C'est la consommation @I_out = 0, cf. fig 2.31.

J'ai regardé la figure 2.31 mais sur le graph ils indiquent la consommation pour un VOUT de 1.2V :-/
Dans tous les cas, j'ai trouvé un convertisseur LDO un peu plus optimisé en termes de courant : le MCP1711 http://ww1.microchip.com/downloads/e.../20005415D.pdf. Il ne peut aller qu'à 150mA mais je pense qu'il consomme vraiment beaucoup moins ==> 10uA @30mA de charge. En revanche son drop out est plus important : 175mV @50mA,3.3V pour le 1711 contre 108mV @50mA,3.3V pour le 1710. Si on regarde plus bas également, @[25mA;0mA] on a [50mV;100mV] pour le 1711 et seulement [0mV-50mV] pour le 1710 . Je ne sais pas quel est le facteur le plus important au niveau de la consommation :-/ Mon avis est qu'il vaut mieux regarder la conso même du module mais peut être que je me trompe ?

Un LDO aura un rendement pouvant atteindre 3.3/4.2 ~ 78 %. C'est probablement la meilleure solution lorsque le courant de sortie est quasi-nul (circuit en veille) mais rédhibitoire pour les plus fortes consommations. L'usage d'un convertisseur buck est alors à envisager : beaucoup disposent d'une broche "enable" permettant de les mettre en sommeil. Certains convertisseurs récents mettent en œuvre des techniques de contrôle (burst mode, pulse skipping, etc) qui, au prix d'une ondulation de sortie accrue, présentent d'excellents rendements sur toute la gamme de courant.
Utiliser un régulateur à découpage permet par ailleurs d'allonger l'autonomie de l'accus en autorisant de le décharger jusqu'à une tension plus basse.
Note enfin que beaucoup de composants (µC, etc) dédiés à l'embarqués sont prévus pour être alimentés directement par un accus lithium de manière à se passer de régulateur.

Est-ce que tu saurais m'en trouver un qui pourrais convenir à cette application ( à titre d'exemple). Je ne pense pas consommer suffisamment sur mes projets pour partir sur ce genre de régulateur (ils seront majoritairement en veille).
J'ai besoin de ce régulateur 3V ou 3.3V car je pense utiliser des capteurs qui ne fonctionnent justement pas en dehors de cette plage de tension, merci quand même pour la suggestion !
Pour confirmation la tension minimale d'une lipo est bien 2.5V ? je n'avais pas songé aux drops out de tensions merci de m'y avoir fait penser !

Encore merci pour tes réponses ça me fait vraiment progresser !!

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonsoir,

Voilà le lien vers la datasheet : Pièce jointe 364737 On y trouve bien la charge max 1C mais il semblerait que leurs recommandations pour cette batterie soient de charger à 0.2C. Je pense que je vais viser un peu plus haut (aux alentours des 0.4C) car j'ai peur que cela prenne trop de temps :-/ D'ailleurs, pour calculer le temps de recharge : si l'on charge cette batterie à 1200mA (soit 1C) elle sera chargée en une heure de temps ? donc si on la charge à 0.2C il faudra 1200/(0.2*1200)=5h de temps ?

Ta PJ n'est pas passée.
Plusieurs manières de raisonner :
- Coulomb-métrique : si tu envoies un courant I pendant un temps t, tu as mis une charge I*t dans la batterie. Celle-ci sera chargée lorsque I*t = C, où C est sa capacité. Avec les unité c'est évident : 1.2 A pendant 1h, c'est 1.2 Ah, c'est à dire tout ce que peut contenir la batteries : elle est chargée ;
- via l'énergie : c'est pareil, il faut juste faire intervenir la tension en plus.

Petite question qui me vient ==> Si le montage consomme par exemple 100mA et que l'on recharge une batterie de 1200mAh avec un courant de 500mA. Avec le circuit du transistor permettant d'alimenter le système dans le même temps, cela veut dire que le courant réel qui va charger la batterie est réduit à 400mA ?
Et lorsque la batterie est complètement rechargée mais avec le câble de recharge toujours branché comment est ce que ça veut dire que le courant fournis au système devient 500mA ? j'ai du mal à voir où part ce courant.

Avec ce schéma : http://ww1.microchip.com/downloads/e...tes/01149c.pdf (fig. 2) :
Dès que l'alim auxiliaire (USB) est présente, on se retrouve avec 5 V sur la grille de Q1 et un peu moins (à cause du Vf de D1) sur sa source : Q1 est donc bloqué. La charge "system load" est alors alimentée via D1 et le courant de charge de l'accus est indépendant de ce qui est consommé en sortie.

Donc si je veux réduire la consommation, j'aurais juste à réduire ce Rds_on au minimum possible tout en respectant les règles que tu m'a fournis ! merci je vais essayer d'en chercher un un peu plus optimisé !

Oui, a priori.

J'ai regardé la figure 2.31 mais sur le graph ils indiquent la consommation pour un VOUT de 1.2V :-/

J'ai pas relu la datasheet en détail, néanmois :
- on peut s'attendre à ce que cela ne dépende pas trop de Vout ;
- si cela dépende Vout, on peut s'attendre à ce que ce soit encore pire.

Dans tous les cas, j'ai trouvé un convertisseur LDO un peu plus optimisé en termes de courant : le MCP1711 http://ww1.microchip.com/downloads/e.../20005415D.pdf. Il ne peut aller qu'à 150mA mais je pense qu'il consomme vraiment beaucoup moins ==> 10uA @30mA de charge. En revanche son drop out est plus important : 175mV @50mA,3.3V pour le 1711 contre 108mV @50mA,3.3V pour le 1710. Si on regarde plus bas également, @[25mA;0mA] on a [50mV;100mV] pour le 1711 et seulement [0mV-50mV] pour le 1710 . Je ne sais pas quel est le facteur le plus important au niveau de la consommation :-/ Mon avis est qu'il vaut mieux regarder la conso même du module mais peut être que je me trompe ?

Le drop-out est la tension minimale devant se trouver entre l'entrée et la sortie du composant pour qu'il fonctionne bien.
Si la tension minimale de fonctionnement du montage alimentée est V_minDut et que le drop out vaut V[sUv]do[/sUb], tu pourras décharger la batterie jusqu'à une tension de V_minDut + V[sUv]do[/sUb].

Est-ce que tu saurais m'en trouver un qui pourrais convenir à cette application ( à titre d'exemple). Je ne pense pas consommer suffisamment sur mes projets pour partir sur ce genre de régulateur (ils seront majoritairement en veille).
J'ai besoin de ce régulateur 3V ou 3.3V car je pense utiliser des capteurs qui ne fonctionnent justement pas en dehors de cette plage de tension, merci quand même pour la suggestion !

Voir par exemple dans cette liste : http://www.analog.com/en/parametrics...5574|5575|5360, ou chez TI.

Si tu as un µC pouvant peut fonctionner directement sur l'accus, une solution est de le laisser toujours alimenter et de t'en servir pour contrôler le shutdown du LDO.

Il existe également des composants réalisant tout le travail : chargeur, PCM, régulateur de sortie. Par exemple : http://www.analog.com/en/parametrics...e|500m_buck|on

Pour confirmation la tension minimale d'une lipo est bien 2.5V ?

Il me semble que oui, même si la profondeur de décharge affecte la durée de vie de l'accus.
http://forums.futura-sciences.com/el...-securite.html

PS : pense au PCM.