Description
La plupart des cartes que je conçois fonctionnent sur batterie, par commodité des Li-Po. Je prévois souvent un moyen embarqué de recharger la batterie sans stopper le fonctionnement du système. La solution facile est de mettre un chargeur Li-Po sur la carte, entre la batterie et une alimentation externe, par exemple le 5V d'un port USB.
Seulement, le courant fourni par le chargeur (Ic) va être réparti entre la batterie (Ib) et le système (Ir). Problèmes:
- Les Li-Po ont une phase de charge à courant constant. Mais ici, le courant va varier avec les variations de consommation du système.
- Il faut surdimenssionner le chargeur pour que le courant fourni soit supérieur à la consommation du système. On va donc le faire chauffer plus qu'il ne faut.
Problèmes: Courant de charge reparti entre la batterie et le système à alimenter
Tant qu'à utiliser une alimentation extérieure pour recharger la batterie, autant l'utiliser directement pour alimenter le système. La solution est d'utiliser un bloc électronique permettant au système de passer de la batterie à l'alimentation principale.
Le courant d'alimentation du système Ir viendra totalement de l'alimentation externe. Le courant fourni par le chargeur ira en entier dans la batterie Ic = Ib.
Solution: Switch basculant le système de la batterie à l'alimentation principale
Solution
Pour créer ce switch analogique, il suffit seulement de 3 composants:
- Un PMOS: avec un Rdson très bas (quelques mΩ) et un Vgsth supérieur à -3V.
- Une diode Schottky: avec une tension de seuil faible (inférieure à 300mV) et un courant de fuite très petit (quelques µA).
- Une résistance: une dizaine de kΩ limitera la fuite de courant à quelques centaines de µA avec l'alimentation principale. L'effet parasite sera de créer une tension d'une centaines de mV avec le courant de fuite de la diode en fonctionnement sur batterie. Une résistance trop grande augmentera trop la tension et risquera de dépolariser le transistor. Trop petite, elle augmentera considérablement les pertes avec l'alimentation principale.
Switch analogique
Quand l'alimentation externe est absente, la résistance R1 ramène la grille de Q1 à la masse: Vg = 0V. La diode D1 est bloquée. Le potentiel de source est à 0, on a donc Vgs = 0V > Vgsth : le transistor est bloqué. Par construction, on a une jonction PN entre le drain et la source (reliée au bulk) qui crée un effet de diode. Le courant va passer par cette diode et mettre la source au potentiel de la batterie (moins la tension de seuil): Vs ~ Vbat. Cette fois-ci Vgs << 0V. Si Vgs << Vgsth le PMOS devient passant, le courant ne passe plus par la diode mais par le canal créé. Vs = Vbat si le Rdson est très faible. Le transistor reste passant. Le système est alimenté par la batterie.
Si on connecte l'alimentation externe, Vg = 5V. Vgs devient supérieure à 0 on a donc Vgs > Vgsth, le transistor Q1 se bloque. La diode D1 devient passante. La batterie est séparée du système qui est maintenant alimenté par l'alimentation externe à travers la diode D1.
Avantages:
- Batterie séparée du système lorsqu'elle charge
- Pertes thermiques quasi nulles en fonctionnement sur batterie (Rdson très faible)
- Rapidité de la commutation batterie / alimentation externe
Inconvénients:
- Trois composants en plus dans un montage
- Centaines de µA perdues dans R1 en fonctionnement sur alimentation
- Un peu de puissance perdu à travers D1 en fonctionnement sur l'alimentation
- Un courant de fuite de quelques µA perdu dans D1 en fonctionnement sur batterie
Exemple de design
Permet de charger une batterie à 100mA avec un port USB et peut fournir 3.3V jusqu'à 150mA