Rapport de stage PFE

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Rapport de stage PFE

  1. 1. 1 UNIVERSITE IBN TOFAÏL Ecole Nationale Des Sciences Appliquées de Kénitra Moroccan foundation for Advanced Sciences, Innovation and Research (MAScIR) Rapport de Projet de Fin d’Etudes Conception et Réalisation d’un Chargeur de Batterie au Plomb 12V pour Applications photovoltaïques Réalisé par : Mehdi Amine LAHLOU KASSI Encadré par : Mme. Khadija EL KAMOUNY : Encadrant Professionnel Mr. Rachid EL GOURI : Encadrant Pédagogique (Du 1er Février au 31 Juillet)
  2. 2. 2
  3. 3. Remerciement 3 Remerciement Nul ne peut nier que l’obtention d’un stage de fin d’étude n’est pas chose aisée, c’est pourquoi je remercie en premier lieu la fondation MAScIR qui offre d’innombrables opportunités de ce genre, et qui m’a accueilli durant ces six mois de stage. Je tiens à remercier tout particulièrement mon parrain de stage, Mme. Khadija EL KAMOUNY, de m’avoir accordé toute sa confiance en me donnant l’occasion de travailler sur un projet aussi édifiant, ainsi que pour le grand effort qu’elle a fourni, le soutien précieux qu’elle m’a apporté et tout le temps qu’elle m’a consacré. Je remercie également Mr. Brahim LAKSSIR, chef de l’équipe Microelectronics & Packaging, de son attitude encourageante et compréhensive durant les moments difficiles ainsi que tout au long de mon stage. Je n’oublie pas mon collègue, Yassine OUAMER, que je remercie infiniment de toute l’aide qu’il m’a apporté pour mener à bien ma mission. Il m’est aussi agréable d’exprimer ma gratitude envers tous les membres de l’équipe de leur accueil chaleureux, en particulier Mme. Ilham BOUZIDA qui n’a jamais hésité de me faire part de son incontournable expérience, et aussi tout le personnel de l’entreprise qui n’a en aucun cas négligé les valeurs humaines dans les relations que j’ai entretenu. Mes sincères remerciements vont également à mon encadrant pédagogique, Mr Rachid ELGOURI de l’ENSA de Kenitra, de son inestimable contribution à ma formation, et de sa disponibilité pour l’encadrement de mon stage. Je témoigne aussi de ma gratitude envers tous les membres du jury du temps accordé à l’évaluation de mon travail. Je n’oublie surtout pas mes chers parents pour leur soutien moral et matériel, et qui ont toujours répondu présent lors de l’accomplissement de ma mission. Acquérir une expérience professionnelle dans une entreprise de forte notoriété telle que MAScIR est non seulement un plaisir, mais par-dessus tout un réel aboutissement dans mon cursus universitaire. Ainsi j’ai pu enrichir mes connaissances pratiques en la compagnie de gens compétents que je ne remercierai jamais assez.
  4. 4. Remerciement 4 No one can deny that getting an internship is not easy, so I first thank MAScIR Foundation for offering countless opportunities of this kind, and welcoming me during this six-month internship. I would particularly like to thank my internship sponsor, Ms. Khadija EL KAMOUNY, for giving me all her confidence by providing me the opportunity to work on such an inspiring project, as well as for the great effort she has done, the valuable support she gave me and all the time she devoted to me. I also thank Mr. Brahim LAKSSIR, leader of the Microelectronics & Packaging team, for its encouraging and comprehensive attitude during difficult times and throughout my internship. I do not forget my colleague Yassine OUAMER, whom I thank very much for all the help he has given me to carry out my mission. I find it enjoyable to express my gratitude to all the team members for their warm welcome, especially Ms. Ilham Bouzida who has never hesitated to share her must- experience, and also the staff of company that has in any case neglected human values in the relationships I have kept. My sincere thanks also go to my pedagogic internship supervisor, Mr. Rachid ELGOURI from ENSA Kenitra, for its invaluable contribution to my training, and availability for supervising my internship. I also testify my gratitude to all members of the jury of the time allowed to evaluate my work. I do not forget especially my dear parents for their moral and material support, and who have always been there in the fulfillment of my mission. Gaining work experience in a high-profile company like MAScIR is not only a pleasure, but also a real achievement in my university course. Thus I could enrich my practical knowledge in the company of good people that I will never thank enough.
  5. 5. Remerciement 5 ‫أن‬ ‫ينكر‬ ‫أن‬ ‫يستطيع‬ ‫أحد‬ ‫ال‬‫ليس‬ ‫للخريجين‬ ‫التدريب‬ ‫على‬ ‫الحصول‬‫سهال‬، ‫م‬ ‫أوال‬ ‫أشكر‬ ‫لذلك‬‫ؤسسة‬MAScIR‫تو‬ ‫التي‬،‫القبيل‬ ‫هذا‬ ‫من‬ ‫تحصى‬ ‫ال‬ ‫فرصا‬ ‫فر‬ ‫والتي‬‫استضافت‬‫ني‬.‫أشهر‬ ‫ستة‬ ‫التدريب‬ ‫فترة‬ ‫خالل‬ ‫أشكر‬ ‫أن‬ ‫خاصة‬ ‫بصفة‬ ‫وأود‬‫راع‬،‫الكموني‬ ‫خديجة‬ ‫السيدة‬ ،‫التدريب‬ ‫ي‬‫إل‬‫عطايي‬ ‫ثقتها‬ ‫كل‬‫بتمكيني‬‫ل‬‫الجهد‬ ‫على‬ ‫و‬ ،‫الملهم‬ ‫المشروع‬ ‫هذا‬ ‫مثل‬ ‫على‬ ‫لعمل‬ ‫الكبير‬‫قدمت‬ ‫الذي‬‫دعم‬ ‫و‬‫ال‬ ‫الذي‬ ‫ها‬‫بثمن‬ ‫يقدر‬‫كذا‬ ‫و‬ ،‫كل‬‫ال‬‫وقت‬‫الذي‬ ‫لي‬ ‫كرست‬‫إبراهيم‬ ‫السيد‬ ‫أشكر‬ ‫أن‬ ‫أيضا‬ ‫وأود‬ .‫لقصير‬،‫رييس‬‫فريق‬ ‫التعبئة‬ ‫و‬ ‫الدقيقة‬ ‫االلكترونيات‬‫و‬،‫التغليف‬‫تشجيعه‬ ‫و‬ ‫دعمه‬ ‫على‬‫خالل‬ ‫طوال‬ ‫و‬ ،‫الصعبة‬ ‫األوقات‬‫مدة‬.‫التدريب‬‫زميل‬ ‫أنسى‬ ‫ال‬ ‫أنا‬‫ي‬‫ياسين‬‫و‬‫ا‬‫عمر‬، ‫كثيرا‬ ‫أشكره‬ ‫الذي‬‫أثنا‬ ‫لي‬ ‫قدمها‬ ‫التي‬ ‫المساعدة‬ ‫كل‬ ‫على‬‫ء‬.‫مهمتي‬ ‫تنفيذ‬ ‫أيضا‬ ‫يسرني‬‫أن‬‫أعبر‬‫ام‬ ‫عن‬‫ل‬ ‫تناني‬‫جميع‬‫ترحيبهم‬ ‫على‬ ‫الفريق‬ ‫أعضاء‬ ‫الحار‬‫إلهام‬ ‫السيدة‬ ‫وخاصة‬ ،‫تفيدني‬ ‫أن‬ ‫في‬ ‫تتردد‬ ‫لم‬ ‫التي‬ ‫بوزيدا‬ ‫موظفي‬ ‫جميع‬ ‫وكذلك‬ ،‫محدودة‬ ‫اال‬ ‫بخبرتها‬‫ا‬ ‫الشركة‬‫أي‬ ‫في‬ ‫يهملوا‬ ‫لم‬ ‫لذين‬ .‫بهم‬ ‫ربطتني‬ ‫التي‬ ‫العالقات‬ ‫في‬ ‫اإلنسانية‬ ‫القيم‬ ‫حال‬ ‫إلى‬ ‫أيضا‬ ‫الشكر‬ ‫بخالص‬ ‫وأتقدم‬‫التدريب‬ ‫هذا‬ ‫في‬ ‫الدراسي‬ ‫مؤطري‬‫السيد‬ ، ‫التطبيقية‬ ‫للعلوم‬ ‫الوطنية‬ ‫المدرسة‬ ‫من‬ ‫الكوري‬ ‫رشيد‬‫بالقنيطرة‬، ‫تأهيلي‬ ‫في‬ ‫القيمة‬ ‫لمساهمته‬،‫التدريب‬ ‫هذا‬ ‫خالل‬ ‫تأطيري‬ ‫و‬.‫أشهد‬ ‫أنني‬ ‫كما‬ ‫الم‬ ‫الوقت‬ ‫من‬ ‫التحكيم‬ ‫لجنة‬ ‫أعضاء‬ ‫لجميع‬ ‫امتناني‬‫كرس‬‫عملي‬ ‫لتقييم‬. ‫أنا‬‫العزيز‬ ‫والدي‬ ‫خصوصا‬ ‫أنسى‬ ‫ال‬‫ين‬،‫والمادي‬ ‫المعنوي‬ ‫الدعم‬ ‫لتقديم‬ ‫دايما‬ ‫كانوا‬ ‫والذين‬‫خالل‬ ‫بجانبي‬‫أداء‬‫واجبي‬. ‫الخبرة‬ ‫اكتساب‬‫ب‬‫عالية‬ ‫سمعة‬ ‫ذات‬ ‫شركة‬ ‫في‬ ‫العمل‬‫مثل‬MAScIR‫فقط‬ ‫ليس‬ ‫في‬ ‫حقيقيا‬ ‫إنجازا‬ ‫شيء‬ ‫كل‬ ‫قبل‬ ‫ولكن‬ ،‫متعة‬‫الجامعي‬ ‫مساري‬.‫هكذا‬ ‫و‬ ‫تمكنت‬‫أستطيع‬ ‫لن‬ ‫أشخاص‬ ‫بصحبة‬ ‫العملية‬ ‫معارفي‬ ‫إثراء‬ ‫من‬‫أن‬‫لهم‬ ‫أذلي‬ ‫ال‬ ‫تمام‬.‫فعلت‬ ‫مهما‬ ‫شكر‬
  6. 6. Remerciement 6
  7. 7. Table des Matières 7 Table des Matières INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................................ 13 1. OBJECTIF DU STAGE...................................................................................................................................... 13 2. DOMAINE DU STAGE..................................................................................................................................... 13 3. PLAN DU RAPPORT ....................................................................................................................................... 13 CHAPITRE 1 : PRESENTATION DE L’ENTREPRISE D’ACCUEIL ...................................................................... 15 1. FICHE TECHNIQUE DE L’ENTREPRISE ................................................................................................................. 15 2. DOMAINE D’ACTIVITE DE L’ENTREPRISE............................................................................................................. 15 2.1. Généralités à propos de l’entreprise ............................................................................................. 15 2.2. Partenaires de la fondation........................................................................................................... 16 2.3. Quelques chiffres........................................................................................................................... 17 3. STRUCTURE ET ORGANISATION GENERALE ......................................................................................................... 18 4. PRESENTATION DU LIEU DE DEROULEMENT DU STAGE.......................................................................................... 19 4.1. Mission .......................................................................................................................................... 19 4.2. Laboratoires .................................................................................................................................. 19 4.3. Equipements.................................................................................................................................. 20 5. DESCRIPTION DU DEROULEMENT DU STAGE (ORDRE CHRONOLOGIQUE) .................................................................. 21 6. ACTIVITES ET TACHES PROFESSIONNELLES EXERCEES ............................................................................................ 21 CHAPITRE 2 : CONTEXTE GENERAL DU PROJET ......................................................................................... 23 1. CAHIER DES CHARGES ................................................................................................................................... 23 2. ETUDE PREALABLE OU ETUDE D’OPPORTUNITE DES SOLUTIONS.............................................................................. 23 2.1. Types de batteries ......................................................................................................................... 23 2.2. Les batteries au Plomb (Pb)........................................................................................................... 26 2.3. Algorithme de chargement d’une batterie au Plomb.................................................................... 26 2.4. Solution proposée en se basant sur les contraintes et exigences.................................................. 28 3. PLAN D’ACTION OU ETAPES DE REALISATION...................................................................................................... 29 4. PLANNING (DIAGRAMMES DE GANTT) ............................................................................................................. 29 CHAPITRE 3 : ETUDE DETAILLEE DU PROJET.............................................................................................. 31 1. DESCRIPTION DE LA SOLUTION ........................................................................................................................ 31 1.1. Principe du système....................................................................................................................... 31 1.2. Description, fonctionnalités et applications du LTC4000-1 et LT3845A ........................................ 33 2. ARCHITECTURE GENERALE DE LA SOLUTION ....................................................................................................... 35 3. ARCHITECTURE DETAILLEE DE LA SOLUTION........................................................................................................ 36 3.1. Principe de fonctionnement, dimensionnement et configuration des fonctions du LT3845A ....... 37 3.1.1. Principe de fonctionnement ..................................................................................................................... 37
  8. 8. Table des Matières 8 3.1.2. Programmation de la fréquence de commutation ................................................................................... 38 3.1.3. Programmation de la tension de sortie .................................................................................................... 38 3.1.4. Le démarrage en douceur......................................................................................................................... 39 3.1.5. La fonction Shutdown............................................................................................................................... 39 3.1.6. Sélection de l’inductance.......................................................................................................................... 39 3.1.7. Sélection des MOSFET .............................................................................................................................. 40 3.1.8. Sélection de la capacité d’entrée.............................................................................................................. 42 3.1.9. Sélection de la capacité de sortie ............................................................................................................. 42 3.1.10. Sélection de la résistance de mesure de courant................................................................................ 43 3.2. Principe de fonctionnement, dimensionnement et configuration des fonctions du LTC4000-1 .... 43 3.2.1. Configurations nécessaires et comportement lors d’un cycle de charge ................................................. 43 3.2.2. Boucle de régulation de la tension d’entrée............................................................................................. 46 3.2.3. Boucle de régulation du courant de charge.............................................................................................. 47 3.2.4. Boucle de régulation de la tension de batterie......................................................................................... 49 3.2.5. Boucle de régulation de la tension de sortie du système ......................................................................... 51 3.2.6. Mode de terminaison de charge sélectionné ........................................................................................... 51 3.2.7. Monitoring de courant d’entrée et du courant de batterie...................................................................... 52 3.2.8. Fonction de Undervoltage lockout (UVLO) et de monitoring de la tension d’entrée ............................... 52 3.2.9. Fonction d’ajustement de température de charge admissible................................................................. 54 3.2.10. Fonction de détection du statut de la batterie.................................................................................... 55 3.2.11. Sélection des PMOS externes.............................................................................................................. 56 4. RESULTATS ET INTERPRETATIONS..................................................................................................................... 56 CHAPITRE 4 : SIMULATION ET REALISATION DU PROJET .......................................................................... 59 1. OUTILS DE SIMULATION ET REALISATION DU PROJET ............................................................................................ 59 1.1. LTspiceIV........................................................................................................................................ 59 1.2. Altium Designer............................................................................................................................. 59 1.2.1. Capture de Schématiques......................................................................................................................... 59 1.2.2. 3D PCB Design........................................................................................................................................... 60 2. SIMULATION DU PROJET ................................................................................................................................ 60 2.1. Simulation du fonctionnement du LT3845A .................................................................................. 60 2.2. Simulation du fonctionnement du LTC4000-1 ............................................................................... 63 3. REALISATION DU PROJET................................................................................................................................ 64 3.1. Edition des Schémas des deux cartes ............................................................................................ 64 3.1.1. Schématique du LT3845A ......................................................................................................................... 64 3.1.2. Schématiques du LTC4000-1..................................................................................................................... 66 3.2. Réalisation des circuits imprimés .................................................................................................. 70 3.2.1. Choix du nombre de couches des PCB réalisés......................................................................................... 70 3.2.2. Considérations à prendre en compte lors du Design du LT3845A............................................................ 71 3.2.3. Considérations à prendre en compte lors du Design du LTC4000-1......................................................... 73 3.2.4. Présentation des cartes réalisées, assemblage et raccordement............................................................. 75
  9. 9. Table des Matières 9 4. TEST ET VERIFICATION................................................................................................................................... 77 4.1. Test et vérification du hacheur Buck contrôlé par le LT3845A ...................................................... 77 4.1.1. Plateforme de test.................................................................................................................................... 77 4.1.2. Résultats obtenus ..................................................................................................................................... 77 4.2. Test et vérification du chargeur de batterie.................................................................................. 79 4.2.1. Plateforme de test.................................................................................................................................... 79 4.2.2. Test de la phase CC................................................................................................................................... 81 4.2.3. Test de la phase CV................................................................................................................................... 83 4.2.4. Test de la phase de floating...................................................................................................................... 84 4.2.5. Test en cas d’absence d’énergie à l’entrée............................................................................................... 86 CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................................ 87 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................................. 89 ANNEXES........................................................................................................................................................ 91 ANNEXE 1 : DESCRIPTIONS SUPPLEMENTAIRES DU LT3845A :....................................................................................... 91 ANNEXE 2 : DESCRIPTIONS SUPPLEMENTAIRES DU LTC4000-1 :.................................................................................... 93 GLOSSAIRE ..................................................................................................................................................... 97
  10. 10. Table des Matières 10
  11. 11. Liste des figures 11 Liste des Figures FIGURE 1.1 : LOCALISATION DE LA FONDATION MASCIR ................................................................................................... 16 FIGURE 1.2 : EVOLUTION DES INDICATEURS CLES DE MASCIR AU COURS DES 5 DERNIERES ANNEES ........................................... 17 FIGURE 1.3 : SALLE BLANCHE ....................................................................................................................................... 20 FIGURE 1.4 : LABORATOIRE DE FIABILITE ET ANALYSE DE DEFAUTS........................................................................................ 20 FIGURE 2.1 : BATTERIE NICKEL-CADMIUM...................................................................................................................... 24 FIGURE 2.2 : BATTERIE NICKEL-METAL HYBRIDE.............................................................................................................. 24 FIGURE 2.3 : BATTERIE LITHIUM-ION ET LITHIUM-POLYMERE ............................................................................................. 25 FIGURE 2.4 : BATTERIES AU PLOMB............................................................................................................................... 25 FIGURE 2.5 : LEAD-ACID 3-STEP CHARGING CYCLE........................................................................................................... 28 FIGURE 2.6 : EMPLOI DU TEMPS DES TACHES RELATIVES AU PROJET...................................................................................... 30 FIGURE 2.7 : DIAGRAMME DE GANTT DU PROJET............................................................................................................. 30 FIGURE 3.1 : SCHEMA SYNOPTIQUE DE LA SOLUTION......................................................................................................... 31 FIGURE 3.2 : FONCTIONNEMENT EN CAS DE PUISSANCE SUFFISAMMENT ELEVEE ..................................................................... 32 FIGURE 3.3 : FONCTIONNEMENT EN CAS DE FAIBLE PUISSANCE............................................................................................ 32 FIGURE 3.4 : FONCTIONNEMENT EN CAS D'EXTINCTION DU PANNEAU................................................................................... 33 FIGURE 3.5 : SCHEMA BLOC DE L’ARCHITECTURE GENERALE DE LA SOLUTION.......................................................................... 35 FIGURE 3.6 : CONFIGURATION DU LT3845A .................................................................................................................. 37 FIGURE 3.7 : BLOC DES CONTROLEURS DE DIODE IDEALE ET CONTROLE POWERPATH ............................................................... 45 FIGURE 3.8 : BOUCLE DE REGULATION DE LA TENSION D'ENTREE.......................................................................................... 47 FIGURE 3.9 : BOUCLE DE REGULATION DU COURANT DE CHARGE DE LA BATTERIE .................................................................... 48 FIGURE 3.10 : BOUCLE DE REGULATION DE LA TENSION DE BATTERIE POUR UN ALGORITHME DE CHARGE A 2 PHASES..................... 49 FIGURE 3.11 : CONFIGURATION DE LA BOUCLE DE REGULATION DE LA TENSION DE BATTERIE POUR UN ALGORITHME DE CHARGE EN 3 PHASES........................................................................................................................................................... 50 FIGURE 3.12 : BOUCLE DE REGULATION DE LA TENSION DE SORTIE....................................................................................... 51 FIGURE 3.13 : MONITORING DE LA TENSION D'ENTREE ET UVLO ........................................................................................ 53 FIGURE 3.14 : AJUSTEMENT DE LA TEMPERATURE DE CHARGE ADMISSIBLE AVEC UN DEGRE DE LIBERTE ....................................... 54 FIGURE 3.15 : AJUSTEMENT DES SEUILS FROID ET CHAUD DE LA TEMPERATURE DE CHARGE ADMISSIBLE AVEC DEUX DEGRE DE LIBERTE ..................................................................................................................................................................... 55 FIGURE 3.16 : SCHEMA ELECTRIQUE GLOBAL DE LA SOLUTION............................................................................................. 57 FIGURE 4.1 : SIMULATION DE LA REGULATION DE LA TENSION DE SORTIE DU LT3845A ........................................................... 61 FIGURE 4.2 : SIMULATION DU HACHAGE APRES STABILITE DE LA TENSION DE SORTIE ................................................................ 62 FIGURE 4.3 : SIMULATION D'UN CYCLE DE CHARGE DE BATTERIE .......................................................................................... 63 FIGURE 4.4 : SCHEMATIQUE DU LT3845A SUR ALTIUM DESIGNER...................................................................................... 65 FIGURE 4.5 : SCHEMATIQUE 1 DU CHARGEUR DE BATTERIE (LTC4000-1 ET CIRCUITS DE PUISSANCE)......................................... 67 FIGURE 4.6 : SCHEMATIQUE 2 DU CHARGEUR DE BATTERIE (BOUCLES DE REGULATION ET INTERFACES)....................................... 68 FIGURE 4.7 : LES DIFFERENTES COUCHES DU DESIGN DES CARTES......................................................................................... 70
  12. 12. Liste des figures 12 FIGURE 4.8 : ORIENTATION DES COMPOSANTS PERMETTANT DE PREVOIR LA CORRUPTION DE LA REFERENCE SGND ...................... 72 FIGURE 4.9 : CONFIGURATION KELVIN DES LIGNES DE MESURE POUR LE LTC4000-1 .............................................................. 74 FIGURE 4.10 : CIRCUIT IMPRIME DU HACHEUR BUCK CONTROLE PAR LE LT3845A ................................................................. 75 FIGURE 4.11 : CIRCUIT IMPRIME DU LTC4000-1 (TOP SIDE)............................................................................................. 75 FIGURE 4.12 : CIRCUIT IMPRIME DU LTC4000-1 (BOTTOM SIDE) ...................................................................................... 76 FIGURE 4.13 : ASSEMBLAGE ET RACCORDEMENT DES DEUX CARTES...................................................................................... 76 FIGURE 4.14 : PLATEFORME DE TEST DU HACHEUR CONTROLE PAR LE LT3845A .................................................................... 77 FIGURE 4.15 : TENSION D'ENTREE ET DE SORTIE DU HACHEUR CONTROLE PAR LE LT3845A...................................................... 78 FIGURE 4.16 : SIGNAUX DE COMMUTATION DES MOSFET TG ET BG.................................................................................. 78 FIGURE 4.17 : VARIATION DU RAPPORT CYCLIQUE POUR UNE TENSION D'ENTREE DE 30V......................................................... 79 FIGURE 4.18 : SPECIFICATIONS DE LA BATTERIE DE TEST..................................................................................................... 80 FIGURE 4.19 : ALGORITHME DE CHARGE AVEC LES VALEURS A VERIFIER LORS DU TEST.............................................................. 81 FIGURE 4.20 : COURANT DE CHARGE EN PHASE CC / D2 ON, D4 OFF ................................................................................ 82 FIGURE 4.21 : TENSION DE BATTERIE EN PHASE CC........................................................................................................... 82 FIGURE 4.22 : COURANT DE BATTERIE EN PHASE CV / D2 ON, D4 OFF............................................................................... 83 FIGURE 4.23 : TENSION DE CHARGE EN PHASE CV............................................................................................................ 83 FIGURE 4.24 : COURANT DE BATTERIE EN PHASE CV (APRES PLUSIEURS MINUTES) / D2 ON, D4 OFF........................................ 84 FIGURE 4.25 : TENSION DE CHARGE EN PHASE CV (APRES PLUSIEURS MINUTES)..................................................................... 84 FIGURE 4.26 : COURANT DE BATTERIE EN PHASE DE FLOATING............................................................................................ 85 FIGURE 4.27 : TENSION DE FLOATING ............................................................................................................................ 85 FIGURE 4.28 : COURANT FOURNI PAR LA BATTERIE POUR UNE CHARGE DE 1K / D3 ON........................................................... 86 FIGURE 4.29 : TENSION FOURNIE PAR LA BATTERIE ........................................................................................................... 86 Liste des Tableaux TABLEAU 1.1 : FICHE TECHNIQUE DE L'ENTREPRISE D'ACCUEIL............................................................................................. 15 TABLEAU 2.1 : CARACTERISTIQUES DES QUATRE GRANDS TYPES DE BATTERIES........................................................................ 24 TABLEAU 3.1 : FREQUENCES RECOMMANDEES PAR LE CONSTRUCTEUR ET LEURS RESISTANCES DE PROGRAMMATION..................... 38 TABLEAU 3.2 : LES DIFFERENTS ETATS DE LA BATTERIE LORS DE SON CYCLE DE CHARGE ............................................................. 56 TABLEAU 3.3 : SUGGESTIONS DE PMOS EXTERNES FOURNIS PAR LE CONSTRUCTEUR............................................................... 56 TABLEAU 4.1 : ETATS DES LEDS D2 ET D4 ET STATUTS DE CHARGE CORRESPODNANT.............................................................. 69
  13. 13. Introduction générale 13 Introduction générale 1. Objectif du stage Dans le cadre de mon projet de fin d’études en génie électrique à l’école nationale des sciences appliquées (ENSA) de Kenitra, option électronique et systèmes embarqués, j’effectue un stage de six mois qui a débuté le 01/02/2016 au sein de la fondation MAScIR (Moroccan foundation for Advanced Science, Innovation and Research), un centre marocain ayant pour mission principale la promotion de la recherche scientifique et le développement technologique. Faisant partie de l’équipe Microelectronics & Packaging, cette expérience professionnelle a consisté essentiellement en l’exploitation de mes acquis en matière de microélectronique et électronique de puissance, afin de développer un chargeur de batterie au Plomb 12V à partir d’une source d’énergie solaire. Enfin, les nombreux entretiens que j’ai pu avoir avec le personnel des différents départements de la société m’ont permis de donner une cohérence à ce rapport. 2. Domaine du stage Ce stage de six mois au département de Microélectronique représente pour moi l’opportunité tant attendue de réaliser un produit au service d’un organisme disposant d’une forte notoriété telle que MAScIR, répondant à des besoins en matière de stockage du surplus d’énergie émanant d’une source renouvelable sous forme d’énergie électrique. Ainsi, j’ai pu apprendre dans d’excellentes conditions les algorithmes de charge d’une batterie au Plomb, ainsi que la circuiterie permettant de mettre une batterie en charge tout en tenant compte de son étant de santé. 3. Plan du rapport L’élaboration de ce rapport a pour principal but de mettre en évidence les différentes fonctionnalités du design de la solution permettant de charger une batterie au plomb 12V, et qui a été conçu grâce à des efforts journaliers au sein de l’équipe Microelectronics & Packaging. Après une brève présentation de la fondation MAScIR, je vais entamer ce rapport avec la définition du cadre général du projet, suivi d’une étude détaillée de celui-ci comprenant une
  14. 14. Introduction générale 14 description de la solution et ses étapes de conception, pour finir avec une exposition des résultats de réalisation, testés et vérifiés.
  15. 15. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 15 Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 1. Fiche technique de l’entreprise Raison sociale Moroccan Foundation for Advanced Science, Innovation and Research Date de création 2007 Siège social Rue Mohamed El Jazouli, Rabat Design Center, Madinat Al Irfane 10100 Rabat Maroc Forme juridique Institution publique à but non lucratif Directeur général M.BOUZEKRI Hicham Effectif global +100 ingénieurs et chercheurs Téléphone + 212 5 30 27 98 75 Fax + 212 530 27 58 28 Site web www.mascir.com Tableau 1.1 : Fiche technique de l'entreprise d'accueil 2. Domaine d’activité de l’entreprise 2.1. Généralités à propos de l’entreprise MAScIR (Moroccan foundation for Advanced Science, Innovation and Research) est un organisme de recherche à caractère scientifique et technologique. Il est voué à la recherche en nanotechnologie, en biotechnologie, en technologie numérique, en microélectronique, en énergie et en environnement ; la fondation se veut présente là où les enjeux de la société l’exigent. La figure suivante montre l’emplacement de l’entreprise :
  16. 16. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 16 Figure 1.1 : Localisation de la fondation MAScIR Rassemblant d’éminents chercheurs des quatre coins du monde, MAScIR regroupe des équipes scientifiques œuvrant dans des domaines innovants et complémentaires et met à leur disposition une infrastructure scientifique de pointe. 2.2. Partenaires de la fondation Les principaux partenaires de la fondation MASCIR sont :  Lear Corporation : l’un des principaux fournisseurs mondiaux de sièges automobiles et des systèmes de gestion de l’énergie électrique.  Thales : figure parmi les leaders européens de la fabrication et de la commercialisation d'équipements et de systèmes électroniques destinés aux secteurs de l'aérospatial, du transport, de la défense et de la sécurité.
  17. 17. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 17  OCP : Un acteur incontournable sur le marché des phosphates et de ses produits dérivés. Présent sur toute la chaine de valeur, il est le premier exportateur de cette matière dans le monde.  STERIMED : Une société spécialisée dans le domaine de l’eau et des technologies de l’environnement. Son objectif est d’accompagner les entreprises et collectivités dans la résolution des problématiques liées à l’eau et à l’environnement.  COSUMAR : Un groupe marocain, filiale de la Société nationale d'investissement, spécialisé dans l'extraction, le raffinage et le conditionnement du sucre sous différentes formes. Il est devenu l'unique opérateur sucrier marocain après l'acquisition de SUTA, SUCRAFOR, SUNABEL et SURAC en 2005. 2.3. Quelques chiffres MAScIR rassemble près de 100 chercheurs et ingénieurs, son chiffre d'affaire a été de 93.6 millions de Dirham au cours de l'année 2014. La figure 1.2 présente l'évolution des chiffres clés de la fondation au cours des 5 dernières années. Figure 1.2 : Evolution des Indicateurs Clés de MAScIR au cours des 5 dernières années
  18. 18. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 18 3. Structure et organisation générale La Fondation est gérée par un conseil d’administration qui est investi de pouvoirs de gestion à cet égard. Le Conseil dispose de quatre comités distincts - un Comité d’Investissement, un Comité de suivi, un comité de vérification et un Comité de Rémunération - qui assurent une gestion rapprochée des sujets relatifs à leur mission. Le Conseil d'administration détermine les orientations stratégiques de MAScIR et veille à leur mise en œuvre dans des réunions régulières. En prenant des décisions, le Conseil compte sur le travail des comités spécialisés. Le Comité de vérification ou Comité d'audit permet à la Commission de veiller sur la qualité des contrôles internes et l'intégrité de l'information divulguée aux intervenants et aux partenaires. Le Comité des Rémunérations est responsable de faire des recommandations au Conseil sur la nomination des administrateurs. Il est également responsable de l'examen de la politique en matière de rémunération de la haute direction au sein de MAScIR. Le Comité de suivi surveille la mise en œuvre effective et correcte des projets dans le cadre de l'accord signé entre MAScIR et le Gouvernement marocain. Finalement, le Comité d'Investissement assiste le Conseil d'administration dans l'accomplissement de sa responsabilité de surveillance pour les actifs d'investissement liés à l'équipement scientifique. Le travail de ce conseil a abouti, depuis la création de l’entreprise en 2007 par le gouvernement marocain en tant que fondation à but non lucratif, a une expansion de MAScIR en créant :  MAScIR MicroElectronics : a pour objectif de devenir un centre de Recherche et Développement dans le domaine de la microélectronique.  MAScIR BioTechnology : deuxième centre inscrit dans MAScIR œuvrant dans le domaine de la biotechnologie : recherche et développement des médicaments ou des biocides.  NanoTechnology : qui a pour mission de mener des recherches appliquées, innovantes et à la fine pointe de la technologie dans le domaine des nanomatériaux et des nanotechnologies. Ces recherches sont menées par une équipe internationale de haut
  19. 19. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 19 calibre travaillant dans un environnement unique et utilisant une infrastructure de pointe. 4. Présentation du lieu de déroulement du stage MAScIR Micro est un centre d’innovation et développement de technologie dans le domaine de la microélectronique. Il se focalise sur la simulation, les tests, le design, le packaging, la qualification et le prototypage des produits microélectroniques. 4.1. Mission Le programme Microélectronique a réuni une équipe de direction de classe mondiale pour assurer la traction initiale sous licence des technologies de pointe qui sont disponibles pour une utilisation immédiate. L'équipe travaille actuellement sur la construction des liens étroits de collaboration avec des institutions de classe mondiale, commerciaux et académiques, en se concentrant sur le développement de produits orientés vers le marché et de prototypage. MAScIR Micro fournit des services pour des clients industriels, mais elle développe aussi son propre business dans les domaines suivants :  L’intégration et la miniaturisation des systèmes microélectroniques  L’analyse de fiabilité et défaillance des produits  Modélisation des systèmes complexes  Prototypage et industrialisation des produits innovants  Industrialisation des idées et résultats académiques 4.2. Laboratoires Le département microélectronique de MAScIR possède plusieurs laboratoires équipés de technologie avancée :  Salle blanche  Laboratoire de fiabilité et analyse de défauts  Laboratoire électronique
  20. 20. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 20 Figure 1.3 : Salle Blanche Figure 1.4 : Laboratoire de fiabilité et analyse de défauts 4.3. Equipements Ces laboratoires disposent d’équipements de technologie de pointe à citer :  Ligne CSP (Chip Scaled Packaging)  Ligne SMT (Surface Mount Technology)  SAM (Scanning Acoustic Microscope)  SEM (Scanning Electron Microscope)  AFM (Atomic Force Microscopy)
  21. 21. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 21  X-Ray  Chambres climatiques 5. Description du déroulement du stage (ordre chronologique) La fondation MAScIR offre à ses employés plus que les moyens nécessaires pour l’exercice de leurs fonctions, et ce dans une atmosphère familiale. C’est pour toutes ses raisons que je n’ai trouvé aucune difficulté à m’intégrer au sein de l’entreprise dans un esprit pleinement motivé. C’est ainsi que mon stage s’est déroulé selon trois étapes principales. En premier lieu, ce fut une période d’adaptation où j’ai eu l’occasion de côtoyer mes collègues, de connaitre le fonctionnement de notre département par rapport à l’entreprise et de visiter les laboratoires. En second lieu, les nouvelles connaissances que je venais d’acquérir m’ont permis de bien me situer vis à vis du sujet sur lequel porte mon projet de fin d‘études. C’était donc une phase d’exécution de la mission confiée par le département accompagnée par un bon suivi de la part de l’équipe. En dernier lieu, il s’agit d’une étape de test et vérification, ainsi que l’évaluation de fiabilité du produit qui s’étend jusqu’à aujourd’hui. 6. Activités et taches professionnelles exercées Mon passage à MAScIR s’est avéré très édifiant par les diverses activités et taches professionnelles que j’ai eu l’occasion de pratiquer. En effet, le travail sur mon projet m’a permis d’acquérir plusieurs compétences en matière d’ingénierie électronique lors de l’exercice de Design, ou encore la manipulation de composants et matériel électriques, notamment l’acquisition des techniques de soudure manuelle. De plus, j’ai pu organiser des meetings et réunions avec mon encadrant, le directeur du département et les autres membres de l’équipe où il m’était demandé de présenter mon état d’avancement ou quelconque autres idées et aboutissements dans ce sens. Parallèlement, j’ai aussi assisté à des formations en sécurité de manœuvres dans les Laboratoires, ou encore à des conférences, comme j’ai eu l’occasion de suivre des processus de vérification et de Packaging accomplis par les membres de l’équipe de Microélectronique spécialisés dans ces tâches.
  22. 22. Chapitre 1 : Présentation de l’entreprise d’accueil 22
  23. 23. Chapitre 2 : Contexte général du projet 23 Chapitre 2 : Contexte général du projet 1. Cahier des charges Le but de ce stage est de concevoir un chargeur de batterie de 12V au Plomb à partir d’un panneau photovoltaïque de 250W, avec une tension VMP = 29V, et une tension en circuit- ouvert égale à 36V. Ainsi, le cahier des charges d’un tel projet a été établit comme suit :  Etude de la batterie au Plomb et de ses algorithmes de chargement  Conception d’un circuit de puissance capable de charger la batterie selon les paramètres à respecter dans son algorithme de charge  Optimisation d’un tel circuit en lui ajoutant des fonctions de Monitoring ou des méthodes d’amélioration du rendement et de l’efficacité du système  Réalisation du circuit imprimé à l’aide de Altium Designer 2. Etude préalable ou Etude d’opportunité des solutions Avant d’entrer dans les détails électriques d’un chargeur de batterie, il est judicieux de commencer par une étude des différents types de batteries disponibles dans le marché, de connaitre leurs caractéristiques chimiques et électriques afin de déterminer les spécifications techniques du circuit à réaliser. Une batterie d'accumulateurs, ou plus communément une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Ces accumulateurs sont parfois appelés éléments de la batterie ou cellule, et leur nombre ainsi que leur association (en série ou en parallèle) permet de déterminer le niveau de tension fourni par la batterie. 2.1. Types de batteries Selon la technologie, il existe quatre grands types de batteries à savoir les batteries Nickel Cadmium (Ni-Cd), Nickel Métal Hydride (Nimh), au lithium (Li) et au Plomb (Pb). Caractéristique Technologie NI-Cd Nimh Li Pb Energie/Poids (Wh/Kg) 20 à 60 30 à 80 100 à 250 20 à 40 Energie/Volume (Wh/L) 50 à 150 140 à 300 200 à 620 40 à 100
  24. 24. Chapitre 2 : Contexte général du projet 24 Durée de vie minimale (ans) 2 à 3 2 à 4 7 4 à 5 Nombre de charges (cycles) 1500 500 à 1200 1200 400 à 1200 Tension/Elément (V) 1.2 1.2 3.6 à 3.7 2.1 Tableau 2.1 : Caractéristiques des quatre grands types de batteries Les batteries Nickel Cadmium sont sous forme de bâton de piles rechargeables utilisées principalement dans l’électronique. Le principal défaut des batteries au Ni-Cd est l’effet mémoire. L’effet mémoire est un phénomène qui empêche la batterie, au bout d’un certain nombre de cycle de charge/décharge, d’utiliser toute sa capacité, même pleinement chargée. Figure 2.1 : Batterie Nickel-Cadmium Une variante améliorée de celle-ci est la batterie Nickel Métal Hybride; le cadmium est un métal lourd qui est interdit depuis 2000. Figure 2.2 : Batterie Nickel-Metal Hybride
  25. 25. Chapitre 2 : Contexte général du projet 25 La batterie au Lithium représente la dernière technologie des batteries. Elle occupe une place importante dans la les équipements électroniques embarqués. Elles ont une densité d’énergie plus importante que les autres technologies. Il existe aujourd’hui deux principales technologies de batterie au lithium : le lithium-ion (Li-ion), le lithium polymère Li-Po. Figure 2.3 : Batterie Lithium-Ion et Lithium-Polymère La batterie au plomb, quant à elle, représente près de 65% du marché des batteries et est principalement utilisées dans l’automobile, les alimentations de secours, et dans le photovoltaïque. C’est pour ces raisons-là, ainsi que pour des contraintes de disponibilité et de prix, nous avons opté pour la technologie de batterie au Plomb (Pb). Figure 2.4 : Batteries au Plomb
  26. 26. Chapitre 2 : Contexte général du projet 26 2.2. Les batteries au Plomb (Pb) Une batterie au plomb est un ensemble d'accumulateurs au plomb-acide sulfurique raccordés en série, afin d'obtenir la tension désirée, et réunis dans un même boîtier. Malgré la faible énergie massique dont elle est caractérisée, la batterie au plomb est cependant capable de fournir un courant maximal de grande intensité, utile pour le démarrage électrique des moteurs à combustion interne, elle est encore très utilisée en particulier dans les véhicules automobiles et dans la plupart des véhicules ferroviaires. Lorsque le moteur fonctionne, elle est rechargée par une dynamo ou un alternateur. Elle présente aussi l'avantage de ne pas être sensible à l'effet mémoire. Les batteries au plomb servent aussi à alimenter toutes sortes d'engins électriques. Ces batteries servent également à alimenter les équipements de sécurité et de mise en service ainsi que les éclairages de secours dans la plupart des trains. Elles peuvent aussi servir à stocker de l’énergie produite par intermittence, comme l’énergie solaire ou éolienne. Les caractéristiques techniques des batteries au Plombs sont citées ci-dessous :  La tension nominale : elle dépend du nombre d’éléments. La tension nominale U est égale au nombre d'éléments multiplié par 2,1 V. Généralement on considère qu'un accumulateur au plomb est déchargé lorsqu'il atteint la tension de 1,8 V par élément, donc une batterie de 6 éléments ou 12 V est déchargée, lorsqu'elle atteint la tension de 10,8 V.  La capacité de stockage : représente la quantité d'énergie disponible (ne pas confondre avec la capacité électrique). Elle s'exprime en ampère-heure.  Le courant maximal qu’elle peut fournir pendant quelques instants, ou courant de crête en Ampère. Les valeurs maximales sont données par le constructeur pour une batterie neuve et chargée à 100 %, elles varient sensiblement en fonction de l'état de charge, se dégradent en fonction du temps ainsi que de l'usage qui est fait de la batterie. 2.3. Algorithme de chargement d’une batterie au Plomb Note : Les valeurs de tension présentes ci-dessous correspondent à une température de 25°C sauf indication contraire.
  27. 27. Chapitre 2 : Contexte général du projet 27 Une batterie au Plomb est chargée en lui appliquant un courant continu d’une valeur quelconque (sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses connexions), pourvu qu'il n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une tension supérieure à 2,35 à 2,40 V/élément. Une idée judicieuse qui émane de cette règle stipulerait une application d’un courant constant assez élevé, permettant ainsi d’optimiser la durée de chargement, tout en surveillant la tension de la batterie. C’est en s’appuyant sur ce concept que la charge CC/CV (constant current/constant voltage), s’est généralisée car elle seule permet un chargement à fort courant (donc rapidement), sans pour autant endommager la batterie. Cet algorithme de charge est divisé en deux phases essentielles :  La phase dite CC : Consiste à appliquer le courant maximal dont est capable le chargeur, tandis que la tension aux bornex de chaque cellule augmente au fur et à mesure que la batterie se charge jusqu’à atteindre la valeur 2.35V/élément. Le courant est donc déterminé par le chargeur, et la tension par la batterie.  La phase dite CV : aussi appelée « phase d'absorption » commence dès que la tension par élément atteint la valeur de 2,35 V/élément puisque l'application de la consigne ci-dessus conduit le chargeur (son système asservi le transformant en un générateur de tension) à ajuster le courant de telle sorte que la tension reste égale à 2,35 V/élément alors que la batterie continue à se charger. Le courant au cours de cette phase est donc une fonction décroissante du temps. Il tend théoriquement vers 0 asymptotiquement. En fin de charge le courant en phase CV ne s'annule pas. Il se stabilise en une valeur faible mais non nulle qui n'accroît plus l'état de charge mais électrolyse l'eau de l'électrolyte. On préconise donc d'interrompre la charge, ou de fixer la tension de la batterie à la tension d’entretien, dite aussi de floating, qui est de l’ordre de 2.25 à 2.3 V/élément permettant ainsi de compenser le phénomène de l’autodécharge. Autrement dit, un algorithme fiable et efficace de chargement d’une batterie au plomb est en réalité constitué des trois phases présentées ci-dessous :
  28. 28. Chapitre 2 : Contexte général du projet 28 Figure 2.5 : Lead-Acid 3-Step Charging Cycle 2.4. Solution proposée en se basant sur les contraintes et exigences D’après le paragraphe précédent, on déduit que la configuration minimale du chargeur à concevoir doit être capable d’appliquer un courant constant à la batterie, assez élevé pour assurer une charge plus rapide. Il doit être d’autant plus capable de réguler la tension à ses bornes selon le positionnement de l’état de la batterie dans la courbe de l’algorithme. Régulation de tension et courant mène aussi vers une fonctionnalité de capture de ces grandeurs en permanence et de façon simultanée, permettant ainsi de surveiller l’état de la batterie. Il ne faut pas oublier que l’alimentation de ce chargeur de batterie est assurée par une source d’énergie renouvelable, qui est dans notre cas un panneau photovoltaïque, dont la tension voit régulièrement des fluctuations qui dépendent des circonstances climatiques. Ceci dit, le chargeur doit être capable de fonctionner dans une large plage de tension d’entrée. Une configuration assez développée d’un tel chargeur devrait intégrer des fonctionnalités supplémentaires qui entrent dans ce que l’on appelle le « State of Health » de la batterie (en d’autres termes son état de santé), ou encore la prise de mesures de sécurité préventives des dangers d’explosion de la batterie et/ou des risques d’incendie. Une batterie ne doit jamais subir une décharge complète. Le chargeur doit donc être programmé de telle sorte à réenclencher la charge de la batterie lorsqu’elle atteint un seuil de décharge à déterminer. Une autre fonction qui s’avère intéressante est le monitoring de la température de la batterie
  29. 29. Chapitre 2 : Contexte général du projet 29 lors de son cycle de charge : L’interruption de la charge doit être imminente si la température interne de la batterie dépasse les marges de sécurité. C’est pour toutes ces raisons que nous avons choisis comme solution la combinaison de deux circuits intégrés de Linear Technology, le LTC4000-1 et le LT3845A, qui forment un circuit complet de régulation de courant et de tension dédié aux applications de chargement des batteries, et qui sera décrit plus en détail dans le chapitre suivant. 3. Plan d’action ou Etapes de réalisation La planification d'un projet est un outil incontournable pour le management de projet. Elle permet de définir les travaux à réaliser, fixer des objectifs, coordonner les actions, et rendre compte de l'état d'avancement du projet. Ainsi, l’appréhension de mon projet a nécessité une planification pointue en termes de gestion de la ressource temps, ce qui m’a poussé à établir un plan d’action à respecter, comprenant les étapes suivantes :  1ère étape : Documentation au sujet des batteries au Plomb et de la solution proposée  2ème étape : Edition du Schéma complet du chargeur adapté aux spécifications de la batterie à charger  3ème étape : Simulation du montage, interprétation et sauvegarde des signaux visualisés  4ème étape : Réalisation du Design du circuit imprimé (PCB) régissant le chargeur et commande du matériel  5ème étape : Recherche sur des perspectives du projet de chargeur de batterie en attendant la disponibilité du matériel  6ème étape : Assemblage, test et vérification du circuit  7ème étape : Mise en application des mesures correctives en cas d’erreur 4. Planning (Diagrammes de Gantt) Dans cette partie du rapport, il s’agit de définir l’emploi du temps prévisionnel concernant les étapes décrites dans le paragraphe précédent. Pour ce, nous avons pensé à utiliser un diagramme de GANTT qui est un outil permettant de planifier le projet, de rendre plus simple le suivi de son avancement et surtout de visualiser l’enchainement et la durée des différentes tâches du projet.
  30. 30. Chapitre 2 : Contexte général du projet 30 Bien que la durée du stage ait été fixée à 6 mois, le diagramme présenté ci-dessous a été conçu pour couvrir une durée d’environ quatre mois en guise de prévention d’éventuels retard et imprévus. La répartition temporelle des tâches est la suivante : Il en résulte le diagramme de Gantt suivant : Figure 2.6 : Emploi du temps des tâches relatives au projet Figure 2.7 : Diagramme de Gantt du Projet
  31. 31. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 31 Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 1. Description de la solution 1.1. Principe du système La solution proposée est un système de chargement d’une batterie dont le principe est le suivant : Le chargeur tire son alimentation à partir d’un panneau photovoltaïque et transmet la puissance désirée à la charge (Load) tout en garantissant les régulations nécessaires à l’application de l’algorithme de chargement de la batterie. Puisque le panneau a été dédié en premier lieu à l’alimentation d’une charge ou un système quelconque, le chargeur de batterie donne la priorité à la charge avant tout. Autrement dit, le circuit du chargeur adapte l’énergie fournie par le panneau photovoltaïque à celle de la charge, et transmet Le surplus de puissance vers la batterie permettant ainsi de la charger. Il en résulte deux cas de figures :  La puissance fournie par le panneau est suffisamment élevée pour alimenter la charge et charger la batterie à pleine puissance. Ceci est le cas lors des conditions d’ensoleillement idéales.  La puissance fournie n’est pas suffisante pour charger la batterie à pleine puissance tout en alimentant la charge. Dans ce cas, le circuit donne la priorité à la charge qui doit être « sauvée », et chargera la batterie lorsque la puissance d’entrée le permettra. PV Panel Battery Charging & Monitoring Circuit LOAD BATTERY Figure 3.1 : Schéma synoptique de la solution
  32. 32. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 32 Il pourrait s’agir dans ce cas de conditions climatiques instables, ou présence de nuages. Enfin, lorsque la puissance à l’entrée est insuffisante pour alimenter ne serait-ce que la charge (faible, voire nulle), c’est la batterie qui lui fournit l’énergie nécessaire, en passant par le circuit du chargeur qui contrôle le trajet de la puissance (PowerPath Control), à supposer bien sûr PV Panel High Power Battery Charging & Monitoring Circuit LOAD BATTERY PV Panel Low Power Battery Charging & Monitoring Circuit LOAD BATTERY Figure 3.2 : Fonctionnement en cas de puissance suffisamment élevée Figure 3.3 : Fonctionnement en cas de faible puissance
  33. 33. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 33 que la batterie soit suffisamment chargée. Ce mode de fonctionnement correspond, à titre d’exemple, au cas de la tombé de la nuit. Le LTC4000-1 et le LT3845A sont des circuits intégrés de Linear Technology qui ont été dédiés pour les applications automotives et applications de transport, et qui vont constituer une telle solution. Dans ce qui suit, je vais établir une description approfondie de ces deux circuits. 1.2. Description, fonctionnalités et applications du LTC4000-1 et LT3845A L’intégralité de la solution tourne autour du LTC4000-1. Il s’agit d’un contrôleur de haute performance qui converti plusieurs alimentations DC/DC à compensation externe (telle que le LT3845A) en une solution de chargeur de batterie complète avec un control du point de puissance maximal (MPPC). Il opère dans une large plage de tension d’entrée de 3V à 60V. Les fonctionnalités du chargeur de batterie LTC4000-1 incluent :  Une tension de batterie programmable avec une précision de ± 0.25%  Choix du paramètre déterminant la fin de charge (courant de terminaison ou minuterie)  Programmation de la température de charge admissible en utilisant une thermistance NTC  Fonction de recharge automatique pour éviter la décharge profonde de la batterie PV Panel Shutdown Battery Charging & Monitoring Circuit LOAD BATTERY Figure 3.4 : Fonctionnement en cas d'extinction du panneau
  34. 34. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 34  Charge à faible courant (C/10) pour les batteries profondément déchargée et pour la détection de batterie défectueuse  Capture de courant à haute précision permettant de faibles chutes de tensions de mesure dans des applications à fort courant Le LTC4000-1 supporte un contrôle intelligent du chemin de puissance. Un PFET externe offre une fonction de blocage de courant inverse (de la sortie vers le chargeur) sous forme de diode idéale par les pertes minimes qu’il génère. Un autre PFET externe contrôle l’acheminement du courant selon que la batterie soit en état de charge ou de décharge. Ce second PFET intègre aussi une fonction de Instant-On qui fournit à la charge connectée au système (Load) une puissance immédiate même si la batterie est profondément déchargée ou court-circuitée. Le LTC4000-1 est disponible dans un profil bas de 28 pins, 4 mm x 5 mm QFN et SSOP package. Parmi les applications de ce circuit :  Chargeur de batterie alimenté par énergie solaire  Chargeur de batterie avec une source d’alimentation à haute impédance  Batteries d’équipement industriel ou militaire Le LT3845A, compte à lui, est un circuit intégré dédié au contrôle en mode courant d’un hacheur Buck (abaisseur) synchrone* pour une alimentation de moyenne et grande puissance à rendement élevé. Il opère dans une large plage de tension d’entrée allant de 4V à 60V, et peut délivrer jusqu’à 36V en sortie. Un régulateur interne simplifie les exigences de polarisation en fournissant l’alimentation du circuit directement à partir du pin Vin. Il intègre les fonctionnalités suivantes :  Fréquence de hachage ajustable : de 100KHz à 500KHz, et qui peut être synchronisée à une horloge externe dans le cas d’applications sensibles au bruit  Démarrage en douceur programmable  Régulation de la tension de sortie avec une précision de 1%  Protection contre la surintensité inverse  Blocage de courant d’inductance inverse pour un fonctionnement discontinu, ce qui augmente le rendement en charge légère.
  35. 35. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 35  Burst Mode Operation : une fonction qui maintient un rendement élevé dans le cas d’une charge légère en réduisant le courant de repos du circuit intégré à 120µA  Driver de grille capable d’amorcer de larges N-MOS  Une fonction de verrouillage de sous-tension avec une grande précision (undervoltage lockout)  10µA de courant d’arrêt (dit de shutdown) Le LT3845A est disponible dans un package TSSOP de 16 pins thermiquement amélioré. En dehors de notre application, ce circuit peut être utilisé dans les domaines suivants :  Equipements lourds et automotives de 12V et 48V  Alimentations de télécommunication de 48V  Avionique et systèmes de contrôle industriel  Convertisseurs électriques distribués La combinaison de ces deux circuits intégrés forme un chargeur de batterie complet dont l’architecture et le raccordement seront expliqués par la suite. 2. Architecture générale de la solution La composition globale de la solution du chargeur de batterie proposée se résume dans le schéma bloc suivant, le LT3845A sera utilisé en guise de convertisseur DC/DC : Figure 3.5 : Schéma bloc de l’architecture générale de la solution
  36. 36. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 36 Le LTC4000-1 est conçu pour simplifier la transformation de tout convertisseur DC/DC extérieurement compensé, ce qui est le cas du LT3845A, en un chargeur de batterie à haute performance avec le contrôle PowerPath (assuré par les deux PMOS de la figure ci-dessus), pourvue que le convertisseur dispose d’un pin de contrôle ou de compensation externe (souvent appelé ITH ou Vc), dont la tension varie d’une façon positive et monotone avec sa sortie, et qui peut être soit la tension ou le courant de sortie. Le LTC4000-1 inclue quatre boucles de régulation représentées par les amplificateurs A4-A7 :  Boucle de régulation de la tension d’entrée  Boucle de régulation du courant de charge  Boucle de régulation de la tension de batterie (ou float voltage)  Boucle de régulation de la tension de sortie (vers la charge) La boucle de régulation de la tension d’entrée garantie que le niveau de tension ne descende pas plus bas que la valeur programmée, en utilisant un diviseur de tension entre l’entrée et la masse, centré à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur A4. La boucle de régulation du courant de charge (A7) assure que la valeur du courant limite de charge ne soit pas dépassée, en utilisant une résistance de mesure et une résistance de programmation de la valeur du courant souhaité. La boucle de régulation de la tension de batterie interdit que la tension aux bornes de celle-ci dépasse la valeur programmée grâce à un diviseur de tension entre la broche positive de la batterie et la masse, centré à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur A6. Finalement, la boucle de régulation de la tension de sortie assure que la tension de sortie du système programmée ne soit pas dépassée, en connectant le centre d’un diviseur de tension entre la sortie et la masse à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur A5. 3. Architecture détaillée de la solution Dans ce paragraphe, je vais décrire plus en détail le fonctionnement de chacun des deux circuits intégrés, notamment la fixation des paramètres liés à chaque boucle de régulation et autre fonctionnalités supplémentaires, et finir avec l’exposition du schéma électrique de la solution. Note : Les Annexes 1 et 2 étayent les fonctions des pins de ces circuits intégrés. Ils peuvent s’avérer très utiles pour mieux comprendre la suite.
  37. 37. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 37 3.1. Principe de fonctionnement, dimensionnement et configuration des fonctions du LT3845A Dans ce paragraphe, on considère les spécifications suivantes :  VOUT = 15V  VIN(MIN) = 16V  VIN(MAX) = 36V (la tension en court-circuit du panneau utilisé)  IOUT(MAX) = 10A (on souhaite que notre hacheur supporte jusqu’à 10A) 3.1.1. Principe de fonctionnement Le LT3845A capte la tension de sortie du convertisseur par l’intermédiaire du pin VFB. La différence entre la tension en ce pin et une référence interne de 1.231V est amplifiée pour générer une erreur de tension dans le pin VC, et qui est utilisée comme seuil pour le comparateur de mesure de courant. Durant le fonctionnement normal, l’oscillateur interne du LT3845A tourne avec la fréquence programmée. En début de chaque cycle d’horloge, le driver de commutation est activé jusqu’à ce que le courant de commutation mesuré dépasse le seuil dérivé en VC du comparateur de mesure de courant, ce qui désactive le driver. Si ce seuil n’est pas atteint pendant toute la durée du cycle d’horloge, le driver est désactivé pendant 350ns, afin de donner l’occasion à l’alimentation bootstrap du BOOST de se régénérer. Figure 3.6 : Configuration du LT3845A
  38. 38. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 38 La figure ci-dessus montre un Schéma de configuration du contrôleur LT3845A. Le panneau solaire est simulé ici par une source de tension idéale, branchée en série avec une résistance et une inductance jouant le rôle de fluctuations et pertes. La plupart de la circuiterie interne du circuit intégré est alimentée par un régulateur linéaire interne. La sortie de ce régulateur est le pin VCC, permettant ainsi de le contourner. Cette alimentation peut être fournie par la sortie du convertisseur, comme indiqué dans le Schéma ci-dessus à travers une diode entre la sortie et le pin VCC (pour imposer le sens du courant), ce qui augmente le rendement. L’utilisation d’une énergie provenant de l’extérieur permet aussi d’éliminer la dissipation de puissance du circuit intégré associée au régulateur interne de VIN à VCC. 3.1.2. Programmation de la fréquence de commutation La fréquence de commutation est programmée en connectant une résistance au pin Fset. Le tableau suivant montre quelques fréquences recommandées par le constructeur : Tableau 3.1 : Fréquences recommandées par le constructeur et leurs résistances de programmation Avec une résistance de 49.9K connectée au pin Fset, la fréquence de commutation est programmée à 300KHz. 3.1.3. Programmation de la tension de sortie Un diviseur de tension entre la sortie et la masse via VFB permet de déterminer la tension de sortie selon la formule suivante :
  39. 39. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 39 𝑅2 = 𝑅1 ( 𝑉𝑂𝑈𝑇 1.231𝑉 − 1) (3.1) Les tolérances des résistances de feedback doivent être sélectionnées de telle sorte à ce que l’erreur au niveau de la tension de sortie soit minime. Dans notre cas, la tension de sortie a été programmée à la valeur 15V, de façon à permettre à la tension de la batterie d’augmenter jusqu’à la tension d’absorption (de l’ordre de 14.1V, et qui sera expliquée par la suite) lors du raccordement des deux circuits. Alors, pour une valeur de R1 = 16.2K, on peut fixer R2 à 182K. 3.1.4. Le démarrage en douceur La fonction de Soft-Start contrôle la vitesse de balayage de la tension de sortie de l’alimentation pendant le démarrage. Une rampe de tension de sortie contrôlée minimise le dépassement de la tension de sortie, réduit le courant d'enclenchement de l'alimentation de VIN, et facilite le séquençage de l'alimentation. Une capacité CSS connectée entre CSS et la masse SGND (Signal Ground) programme cette vitesse de balayage selon la relation suivante : 𝐶𝑆𝑆 = 2µ𝐴(𝑡 𝑆𝑆 1.231𝑉⁄ ) (3.2) Une capacité de 1500pF est choisie pour un temps de montée de la tension de sortie d’à peu près 1ms. 3.1.5. La fonction Shutdown Lorsque la tension au niveau du pin 𝑆𝐻𝐷𝑁̅̅̅̅̅̅̅̅̅ descend du seuil 1.35V, un circuit de verrouillage de sous-tension est implémenté, provoquant ainsi la désactivation de la circuiterie interne du LT3845A. Avec la configuration vue dans le Schéma précédent, le démarrage du circuit n’est possible que si la tension d’entrée dépasse 16V. Si le circuit est en marche, et que la tension d’entrée décroit, l’arrêt du circuit est déclenché une fois que la tension d’entrée atteigne 16V (avec un effet hystérésis). 3.1.6. Sélection de l’inductance Les paramètres critiques pour le choix de la bobine sont : la valeur minimale de l’inductance, le produit volt-secondes, le courant de saturation et/ou le courant RMS*. Pour une ondulation ∆IL donnée, la valeur minimale de l’inductance est calculée par la relation ci-dessous :
  40. 40. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 40 𝐿 ≥ 𝑉𝑂𝑈𝑇 × 𝑉𝐼𝑁(𝑀𝐴𝑋) − 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑓𝑆𝑊 × 𝑉𝐼𝑁(𝑀𝐴𝑋) × ∆𝐼𝐿 (3.3) fSW représente la fréquence de commutation, dite de switching, égale à 300KHz. L’intervalle typique des valeurs de ∆IL est de 0.2 x IOUT(MAX) à 0.5 x IOUT(MAX), où IOUT(MAX) est le courant maximal de la charge du convertisseur, qu’on supposera égale à 10A. L’utilisation de ∆IL = 0.3 x IOUT(MAX) est un bon compromis entre les performances de l’inductance et son coût. En effet, ceci produira une ondulation de courant de l’ordre de ±15% du courant maximal de sortie. Des valeurs plus petites de ∆IL requièrent un circuit magnétique plus large et plus couteux, tandis que des valeurs plus grandes de celle-ci augmenteront le courant crête, nécessitant ainsi plus de filtrage au niveau de l’entrée et la sortie. On obtient alors la valeur de l’inductance L ≥ 9.72µH, d’où le choix de L = 10µH. Le courant nominal de l’inductance* doit être comparé au courant moyen, IOUT(MAX) = 10A, et le courant de saturation* au courant crête qui n’est autre que IOUT(MAX) + ∆IL/2 = 11.5A L’inductance que j’ai choisie provient de Würth Electroniks dont la référence est 74435561100. Cette inductance a un courant nominal de 15A > 10A, et un courant de saturation de l’ordre de 21.5A > 11.5A, et qui sont suffisamment grands pour supporter notre application. 3.1.7. Sélection des MOSFET Les critères de sélection des N-MOSFET sont les suivants :  La résistance RDS(ON) responsable des pertes de conductions  La capacité de transfert inverse CRSS responsable des pertes de transition  La tension drain-source maximale VDSS  La charge totale de la grille QG  Le courant de drain maximal Pour un rendement maximal, il faut minimiser RDS(ON) et CRSS. Le problème qui se pose est que ces deux paramètres sont inversement proportionnels. Trouver un compromis entre les pertes de conductions et les pertes de transition dans le MOSFET principal est une idée intéressante, tandis que le MOSFET synchrone est dominé par les pertes de conduction. Noter que quand VIN et fSW sont élevés, les pertes de transition peuvent dominer. Dans ce cas, un MOSFET avec une valeur de RDS(ON) moins petite et une valeur de CRSS plus petite pourrait
  41. 41. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 41 être un bon choix. Les MOSFET avec une tension VDSS plus grande vérifient souvent ces spécifications. Il faut choisir la tension VDSS du MOSFET de telle sorte qu’elle soit supérieure à la tension maximale à travers le drain et la source du transistor, et qui est théoriquement VIN(MAX). Dans notre cas, VCC est entrainé par une source d’alimentation externe (la tension de sortie). Le courant du driver de MOSFET n’est donc pas appliqué par le régulateur interne du LT3845A et la charge QG du MOSFET n’est donc pas limitée. Le N-MOS BSC123N08NS3 G de chez Infineon Technologies est idéal pour les commutations à haute fréquence, et est optimisé pour les solutions de convertisseurs DC/DC. Il vérifie les conditions précédemment citées avec les caractéristiques suivantes :  RDS(ON) Max = 12.3 mOhms  CRSS = 15 pF  VDSS = 80V  ID = 55A Les puissances maximales de dissipations des MOSFET pour une tension d’entrée de 36V et un courant maximal de 5A sont : a) Pour le MOSFET principal (avec K = 2 pour les applications du LT3845A): 𝑃 𝑇𝑂𝑃(𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿) = 𝑃𝐶𝑂𝑁𝐷(𝑀𝐴𝐼𝑁) + 𝑃𝑇𝑅𝐴𝑁(𝑀𝐴𝐼𝑁) (3.4) 𝑃𝐶𝑂𝑁𝐷(𝑇𝑂𝑃) = 𝐼 𝑂𝑈𝑇(𝑀𝐴𝑋) 2 × 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐼𝑁 × 𝑅 𝐷𝑆(𝑂𝑁) (3.5) 𝑃𝑇𝑅𝐴𝑁(𝑇𝑂𝑃) = 𝐾 × 𝑉𝐼𝑁 2 × 𝐼 𝑂𝑈𝑇(𝑀𝐴𝑋) × 𝐶 𝑅𝑆𝑆 × 𝑓𝑆 𝑊 (3.6) En remplaçant dans (3.4) : PTOP(TOTAL) = 0.630 W b) Pour le MOSFET synchrone : 𝑃 𝐵𝑂𝑇(𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿) = 𝑃 𝐶𝑂𝑁𝐷(𝑆𝑌𝑁𝐶) (3.7) 𝑃 𝐶𝑂𝑁𝐷(𝐵𝑂𝑇) = 𝐼 𝑂𝑈𝑇(𝑀𝐴𝑋 2 × 𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐼𝑁 × 𝑅 𝐷𝑆(𝑂𝑁) (3.8) En remplaçant dans (3.7) : PBOT(TOTAL) = 0.718 W
  42. 42. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 42 3.1.8. Sélection de la capacité d’entrée Une capacité de dérivation (ou bypass) locale est requise pour les convertisseurs Buck parce que le courant d’entrée est pulsé avec montée et descente rapide. Les critères de sélection sont basés sur la valeur de la capacité et le courant RMS supportée par la capacité. Il est recommandé de calculer la valeur de la capacité par la relation suivante : 𝐶𝐼𝑁(𝐵𝑈𝐿𝐾) = 𝐼 𝑂𝑈𝑇(𝑀𝐴𝑋) × 𝑉𝑂𝑈𝑇 ∆𝑉𝐼𝑁 × 𝑓𝑆 𝑊 × 𝑉𝐼𝑁(𝑀𝐼𝑁) (3.9) La valeur de la capacité minimale pourrait correspondre à une ondulation de tension d’entrée égale à 200mV, ce qui donne une valeur de 156µF. On peut choisir par exemple une capacité de 100µ, à supposer que le courant ne sera pas aussi grand que 10A, pour des raisons de coût. On pourra augmenter la valeur de capacité en cas de besoin. Le courant RMS de la capacité se calcule comme suit : 𝐶𝐼𝑁(𝑅𝑀𝑆) = 𝐼 𝑂𝑈𝑇√ 𝑉𝑂𝑈𝑇(𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝑂𝑈𝑇) 𝑉𝐼𝑁 2 (3.10) Calculé dans le pire des cas (c’est-à-dire VIN = 2VOUT), on obtient ICIN(RMS) = 5 A. le courant RMS nominal de la capacité est spécifié par le constructeur et doit être supérieur au courant RMS calculé. Les capacités Aluminium-Electrolyte sont un bon choix pour avoir de grandes valeurs de capacité tout en supportant de grandes tensions. Les capacités céramiques sont aussi un bon choix pour de grandes tension et grands courants RMS grâce à leur bas ESR*. La combinaison de capacités électrolytiques et céramiques représente une approche économique qui peut répondre aux exigences de la capacité d’entrée. La tension nominale du condensateur doit être supérieure à VIN(MAX). La capacité d’entrée doit être très proche du MOSFET de commutation en utilisant une piste courte et large dans le circuit imprimé. 3.1.9. Sélection de la capacité de sortie L’ondulation de la tension de sortie est une fonction de l’ondulation du courant de la bobine et l’ESR de la capacité de sortie : ∆𝑉𝑂𝑈𝑇 = ∆𝐼𝐿 × (𝐸𝑆𝑅 + 1 (8 × 𝑓𝑆 𝑊 × 𝐶 𝑂𝑈𝑇)⁄ ) (3.11)
  43. 43. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 43 Pour une ondulation de tension de sortie équivalente à 200mV, on peut calculer la valeur de l’ESR maximale comme suit : 𝐸𝑆𝑅(𝑀𝐴𝑋) = ∆𝑉𝑂𝑈𝑇 × 𝐿 × 𝑓𝑆 𝑊 𝑉𝑂𝑈𝑇 × (1 − 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐼𝑁(𝑀𝐴𝑋)⁄ ) (3.12) Le résultat est ESR(MAX) = 68 mOhms. Ainsi, une capacité de 100µF à la sortie aboutira à une ondulation de tension de 200mV à quelques volts près, en prenant le pire des cas équivalant à l’ESR maximal. L’utilisation de plusieurs condensateurs mis en parallèle aidera à diminuer l’ESR, et par conséquent à diminuer l’ondulation de la tension de sortie. Pour des valeurs extrêmement petites de ∆VOUT, un filtre RC additionnel peut être ajouté à la sortie du convertisseur. 3.1.10.Sélection de la résistance de mesure de courant La résistance de capture de courant, RSENSE, surveille le courant de l’inductance du hacheur. Sa valeur est choisie en se basant sur le courant maximal demandé par la charge. Le courant maximal crête est calculé comme suit : 𝐼 𝑃𝐸𝐴𝐾(𝑀𝐴𝑋) = 100𝑚𝑉 − 45𝑚𝑉(𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐼𝑁)⁄ 𝑅𝑆𝐸𝑁𝑆𝐸 (3.13) Le courant maximal de sortie, IOUT(MAX), est le courant crête de l’inductance moins la moitié du courant crête à crête d’ondulation, ∆I. Les valeurs typiques de RSENSE sont dans l’intervalle de 0.005Ω à 0.05Ω. La valeur 0.01Ω a été sélectionnée dans notre application, permettant ainsi un courant crête maximal de 8.125 A. 3.2. Principe de fonctionnement, dimensionnement et configuration des fonctions du LTC4000-1 3.2.1. Configurations nécessaires et comportement lors d’un cycle de charge Avant de décrire le comportement du LTC4000-1 lors du cycle de chargement de la batterie, il est important de faire le point d’abord sur la configuration à établir au niveau du pin TMR. Ce pin détermine les conditions de terminaison de charge et peut être configuré selon trois modes distincts :  Terminaison par minuterie (timer) : en attachant 1nF de capacité entre TMR et GND pour chaque 104s comme durée de terminaison de charge et 26s comme durée de détection d’une batterie défectueuse
  44. 44. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 44  Terminaison C/X (par détection de courant de fin de charge) : TMR est court-circuité au pin BIAS, désactivant ainsi même la fonction de détection de batterie défectueuse.  Pas de terminaison de charge dans le cas où l’utilisateur souhaite que la batterie soit soumise en permanence à la tension programmée. Ce mode est choisi en reliant le pin TMR à la masse. L’état du pin ENC détermine si la charge est activée ou pas. Quand ENC est relié à la masse, la charge est désactivée et la boucle de régulation de la tension de batterie est désactivée. Le chargement est activé lorsque ENC est flottant ou tiré vers le haut (≥1.5V). Lorsqu’un cycle de chargement de batterie est lancé, le chargeur commence d’abord par déterminer si la batterie est profondément déchargée. Ceci est valable bien évidemment lorsque TMR est configuré selon le premier mode cité précédemment. Ainsi, une charge d’entretien automatique, ou Trickle charge, est déclenchée pour déterminer si la batterie en question est défectueuse ou pas. Cette charge utilise la boucle de régulation du courant de batterie pour réguler le courant de charge à 10% du courant maximal de charge programmé à l’aide d’une résistance entre le pin CL et la masse. La Trickle charge permet à la tension de batterie d’augmenter librement, mais très lentement, au cours de la durée de détection de batterie défectueuse. Lorsque celle-ci expire, et que la tension au niveau de la batterie n’a pas dépassé la tension seuil de batterie faible VLOBAT (équivalente à 68% de la tension de batterie programmée), le chargeur interrompe automatiquement la charge, et indique via les pins 𝐹𝐿𝑇̅̅̅̅̅ et 𝐶𝐻𝑅𝐺̅̅̅̅̅̅̅̅ que la batterie n’a pas répondu à ce courant de charge. Dans le cas contraire (la tension de batterie a dépassé VLOBAT), la boucle de régulation du courant commence le chargement à courant constant à pleine puissance, fixé au pin CL, permettant à la tension de batterie d’augmenter librement. Selon la puissance disponible à l’entrée et les conditions de la charge du système, le circuit peut ne pas charger la batterie à la puissance programmée. La charge (Load) a toujours la priorité par rapport au courant de charge de la batterie. Lorsque le système est soumis à une charge légère, le courant de charge de la batterie est maximisé. Dès que la tension de batterie atteint la valeur désirée (programmée), la boucle de régulation de la tension de batterie prend le relai et entame le chargement à tension constante. Lors de cette phase de chargement, le courant décroit lentement. La fin de charge est déterminée selon le mode de configuration de TMR.
  45. 45. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 45 A la fin de la charge, le PMOS connecté à BGATE se comporte comme une diode idéale du pin BAT au pin CSN. Cette fonction interrompe le courant de chargement au niveau de la batterie, mais permet à celle-ci de fournir le courant à la charge en cas de besoin : Si la charge du système peut être complétement alimentée par l’entrée, le PMOS est ouvert. Si en revanche elle requiert plus de puissance que celle fournie par l’entrée, le contrôleur de diode idéal permet à la batterie de fournir de la puissance supplémentaire. Figure 3.7 : Bloc des contrôleurs de diode idéale et contrôle PowerPath Ce même PMOS externe permet aussi le contrôle de la fonction Instant-On. Sachant que VOUT(INST_ON) représente la tension seuil de la fonction Instant-On (approximativement équivalente à 86% de la tension de batterie programmée), ce second contrôleur a deux modes de fonctionnement :  Si VOFB (qui représente le feedback de la tension de sortie de tout le système, à ne pas confondre avec la tension de la batterie) est supérieure à VOUT(INST_ON), ce qui veut dire
  46. 46. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 46 que la tension de sortie est déjà à un niveau valide, BGATE est mis à un niveau bas. Ce cas correspond à la phase de charge à tension constante, où la tension de la batterie rencontre la tension de sortie du système.  Si VOFB est inférieure à VOUT(INST_ON), la tension de sortie n’est donc pas assez élevée pour sauver la charge, un régulateur linéaire implémente alors la fonction Instant-On, c’est-à-dire qu’il va réguler BGATE de telle sorte à avoir une tension valide à la sortie du système en cas de charge d’une batterie profondément déchargée, morte ou défaillante. Le LTC4000-1 dispose aussi d’un contrôleur de diode idéale du pin IID au pin CSP permettant de contrôler le courant provenant du LT3845A. Le LTC4000-1 inclue aussi un pin NTC, qui offre une fonction de température de charge admissible quand il est connecté à une thermistance* NTC thermiquement couplé au pack de la batterie. Pour activer cette fonction, il faut connecter la thermistance entre NTC et la masse, et une résistance du pin BIAS au pin NTC. Mis à part le fait de polariser le réseau thermistance-résistance, le pin BIAS peut aussi être utilisé comme tension de pull up. Ce pin est la sortie d’un régulateur à faible chute de tension qui est capable de fournir jusqu’à 0.5mA. La tension régulée en BIAS est disponible dès que la tension d’entrée du circuit intégré se situe dans son intervalle de fonctionnement (≥3V). Lorsque la batterie fonctionne en mode générateur (déchargement), la fonctionnalité de recharge automatique entame un nouveau cycle dès que la tension de la batterie descend à 97.1% de la tension de batterie programmée. 3.2.2. Boucle de régulation de la tension d’entrée L’une des boucles agissant sur les pins ITH et CC est la boucle de régulation de la tension d’entrée. Cette boucle empêche la tension d’entrée de chuter en dessous du niveau programmé.
  47. 47. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 47 Figure 3.8 : Boucle de régulation de la tension d'entrée Lorsque la source d’entrée est à haute impédance, la tension d’entrée chute quand le courant demandé par la charge est élevé. Dans ce cas, il existe un niveau de tension auquel la puissance disponible par le panneau est maximale. Dans notre cas, les panneaux solaires spécifient la tension VMP, correspondant à la tension au niveau de laquelle la puissance maximale est atteinte. Grâce à la boucle de régulation de la tension d’entrée, la tension VMP peut être fixée au pin IFB. Cette boucle régule ITH pour assurer que la tension d’entrée ne descend pas plus bas que VMP, d’où l’implémentation de la fonction MPPT. La programmation de cette tension se fait par le calcul suivant : 𝑅𝐼𝐹𝐵1 = ( 𝑉𝐼𝑁_𝑅𝐸𝐺 1𝑉 − 1) 𝑅𝐼𝐹𝐵2 (3.14) VIN_REG est la tension minimale souhaitée à l’entrée, elle correspond donc à VMP = 29V dans notre cas. Le réseau RIFB1 = 56K – RIFB2 = 2K a été implémenté dans le circuit. 3.2.3. Boucle de régulation du courant de charge La première boucle inclue dans un cycle normal de charge est la boucle de régulation du courant de charge. Cette boucle agit sur ITH et CC, et assure que le courant de charge capté par la résistance de mesure RCS ne dépasse pas la valeur programmée.
  48. 48. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 48 Figure 3.9 : Boucle de régulation du courant de charge de la batterie Le courant limite maximal pouvant être programmé correspond à : 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀(𝑀𝐴𝑋)(𝐴) = 0.050𝑉 𝑅 𝐶𝑆(Ω) (3.15) Le courant de charge programmé est calculé par : 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀 = 𝑅 𝐶𝐿 𝑅 𝐶𝑆 × 2.5µ𝐴 (3.16) Il ne faut pas confondre ICLIM et ICLIM(MAX). ICLIM est la valeur programmée, et ICLIM(MAX) est la valeur que le courant ne vas jamais dépasser quel que soit la valeur programmée. On souhaite que le courant maximal ne dépasse pas 5A. C’est pour ça qu’une valeur de 10mOhms a été sélectionnée pour RCS. Le courant de charge parcourant la résistance de mesure peut être mesuré par l’intermédiaire du pin IBMON. La tension au niveau de ce pin varie en fonction du courant mesuré : 𝑉𝐼𝐵𝑀𝑂𝑁 = 20 × 𝐼 𝑅𝐶𝑆 × 𝑅 𝐶𝑆 = 20 × (𝑉𝐶𝑆𝑃 − 𝑉𝐶𝑆𝑁) (3.17) Lorsque la tension à VIBMON est à 1V, cela veut dire que le courant de charge a atteint le courant limite maximal. La batterie doit être chargée à 5A, qui est aussi le courant limite maximal. Pour que VIBMON soit fixé à 1V, il faut que le potentiel au niveau de CL soit fixé à une tension supérieure à 1.05V, avec :
  49. 49. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 49 𝑅 𝐶𝑆 = 𝑉𝐶𝐿 20 × 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀 (3.18) La valeur 24.3K attachée à CL permet de programmer le courant à la valeur 6.075A. Il en résulte un potentiel au niveau de CL égal à 1.215A > 1.05A. Ainsi, avec une telle configuration, le courant de charge à pleine puissance est fixé à 5A. Le niveau du courant en mode de charge d’entretien (trickle charge) est aussi réglé par la résistance entre CL et la masse, avec la relation : 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀(𝑇𝑅𝐾𝐿) = 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀 10⁄ (3.19) Or, lorsque la tension au pin CL est supérieure à 1.05, la relation à utiliser pour déterminer le courant limite programmé est la suivante : 𝐼 𝐶𝐿𝐼𝑀(𝑇𝑅𝐾𝐿) = 0.25µ𝐴 × 𝑅 𝐶𝐿 𝑅 𝐶𝑆 (3.20) Ce qui donne dans notre cas un courant de trickle égal à 0.6A. 3.2.4. Boucle de régulation de la tension de batterie Une fois que la tension de batterie a atteint la valeur programmée, la boucle de régulation de la tension de batterie prend le relai à son tour. La tension désirée est fixée en utilisant un diviseur de tension entre les pins BAT et FBG centré sur BFB. Noter que la masse est connectée au pin FBG. Ce pin déconnecte le diviseur de tension de la batterie lorsque VIN est inférieur à 3V pour garantir que les résistances ne consomment pas une partie du courant fournie par la batterie lorsque celle-ci est la seule source de puissance disponible. Pour VIN ≥ 3V, la résistance typique entre FBG et la masse est 100 Ohms. Figure 3.10 : Boucle de régulation de la tension de batterie pour un algorithme de charge à 2 phases
  50. 50. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 50 Lorsque la valeur de RBFB1 est largement plus grande que 100 ohms, la tension de floating est déterminée par la relation ci-dessous : 𝑅 𝐵𝐹𝐵1 = ( 𝑉𝐹𝐿𝑂𝐴𝑇 1.136𝑉 − 1) 𝑅 𝐵𝐹𝐵2 (3.21) Cette configuration est utilisée lorsqu’on désire charger la batterie selon un algorithme à deux phases (phase CC, et phase CV avec la tension de floating). Or dans ce cas, il s’agit d’une batterie au plomb à laquelle on désire appliquer un algorithme à 3 phases avec la partie CC, la partie CV où la tension de la batterie est égale à la tension d’absorption, et enfin la partie CV où la batterie est soumise à la tension de floating pour contourner le phénomène d’autodécharge. Pour un tel cycle de chargement, la configuration utilisée est la suivante : Figure 3.11 : configuration de la boucle de régulation de la tension de batterie pour un algorithme de charge en 3 phases La tension d’absorption est programmée grâce à la relation suivante : 𝑉𝐴𝐵𝑆𝑅𝑃 = ( 𝑅 𝐵𝐹𝐵1(𝑅 𝐵𝐹𝐵2 + 𝑅 𝐵𝐹𝐵3) 𝑅 𝐵𝐹𝐵2 𝑅 𝐵𝐹𝐵3 + 1) × 1.136𝑉 (3.22) Lorsque le chargement est terminé, la tension de la batterie descend à la tension de floating, qui est fixé par la même formule précédente (valable pour l’algorithme à deux phases). Pour un algorithme à 3 phases, les valeurs suivantes ont été fixées : RBFB1 = 1M, RBFB2 = 91K et RBFB3 = 1.87M, pour une tension d’absorption de 14.1V et une tension de floating de 13.6V. Noter que dans une telle configuration, le seuil de recharge automatique est de 97.6% de la tension de floating (13.27V), et que le seuil VLOBAT correspond à 68% de la tension d’Absorption (9.59V).
  51. 51. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 51 3.2.5. Boucle de régulation de la tension de sortie du système Lorsque le chargement prend fin et que la charge du système est complètement alimentée par l’entrée (le panneau), le PMOS connecté à BGATE est éteint. Dans ce scénario, c’est la boucle de régulation de la tension de sortie qui prend le relai. Cette boucle régule la tension au point CSP de telle sorte que la tension de feedback au pin OFB soit égale à 1.193V. Figure 3.12 : Boucle de régulation de la tension de sortie Le niveau de tension de régulation de cette boucle est déterminé en utilisant la formule suivante : 𝑅 𝑂𝐹𝐵1 = ( 𝑉𝑂𝑈𝑇 1.193𝑉 − 1) × 𝑅 𝑂𝐹𝐵2 (3.23) Avec ROFB1 = 1M et ROFB2 = 86.6K, la tension de sortie est régulée à 15V afin de permettre à la tension de la batterie d’atteindre sa tension d’absorption. 3.2.6. Mode de terminaison de charge sélectionné Une fois arrivé à la phase de chargement à tension constante, il y a trois façons avec lesquelles la charge peut se terminer. Si une capacité est connectée au pin TMR, dès que cette phase de chargement commence, un timer de charge se déclenche. Lorsque la durée expire, le cycle prend fin. La durée totale de terminaison de charge peut être programmée selon la formule suivante : 𝐶 𝑇𝑀𝑅(𝑛𝐹) = 𝑡 𝑇𝐸𝑅𝑀𝐼𝑁𝐴𝑇𝐸(ℎ) × 34.6 (3.24) Si le pin TMR est à la masse, la charge ne se termine jamais et la tension de la batterie reste fixée à la tension programmée. Le mode de terminaison choisi est la détection de courant de fin de charge pour la simple raison qu’il permet de passer à la phase de floating une fois que le courant de la batterie
  52. 52. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 52 atteigne une faible valeur à programmer. Ceci garanti que la tension de batterie ne reste fixée trop longtemps à une valeur élevée qui risque de l’endommager. Un tel mode de terminaison de charge est configuré en reliant le pin TMR à BIAS, et en connectant une résistance au pin C/X dont la valeur est calculée par la relation suivante : 𝑅 𝐶𝑋 = (𝐼 𝐶 𝑋⁄ × 𝑅 𝐶𝑆) + 0.5𝑚𝑉 0.25µ𝐴 → 𝐼 𝐶/𝑋 = (0.25µ𝐴 × 𝑅 𝐶𝑋) − 0.5𝑚𝑉 𝑅 𝐶𝑆 (3.25) Pour un courant de détection de fin de charge égal à 200mA, on choisit RCX = 10K. Noter que quel que soit le mode de terminaison choisi, les pins 𝐶𝐻𝑅𝐺̅̅̅̅̅̅̅̅ et 𝐹𝐿𝑇̅̅̅̅̅ seront mis à l’état haute impédance dès que le courant de charge descende en dessous du niveau programmé en C/X, et qui est 0.2A dans notre cas. 3.2.7. Monitoring de courant d’entrée et du courant de batterie Le courant d’entrée à passant à travers la résistance de mesure peut être surveillé à l’aide du pin IIMON. La tension en ce pin suit la variation du courant en RIS de la façon suivante : 𝑉𝐼𝐼𝑀𝑂𝑁 = 20 × 𝐼 𝑅𝐼𝑆 × 𝑅𝐼𝑆 = 20 × (𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝐶𝐿𝑁) (3.26) De même en ce qui concerne la mesure du courant de batterie, la tension au pin IBMON est calculée comme suit : 𝑉𝐼𝐵𝑀𝑂𝑁 = 20 × 𝐼 𝑅𝐶𝑆 × 𝑅 𝐶𝑆 = 20 × (𝑉𝐶𝑆𝑃 − 𝑉𝐶𝑆𝑁) (3.27) Je rappelle que les deux résistances de mesure de courant ont été sélectionnées comme suit : RIS = 15mOhms et RCS = 10mOhms. Pour une lecture plus adéquate, les tensions au niveau de ces deux pins peuvent être filtrées si les courants en questions présentent des fluctuations, en utilisant des capacités. Le filtre capacitif connecté à IBMON ne doit pas être choisit arbitrairement grands car il risque de ralentir la compensation de la boucle de régulation du courant de charge. La valeur conseillée des capacités au niveau de IIMON et ICMON est de 1000pF. 3.2.8. Fonction de Undervoltage lockout (UVLO) et de monitoring de la tension d’entrée Lorsque VIN est à l’état haute impédance et que la batterie est connectée au pin BAT, le pin BGATE est mis à l’état bas avec une source de courant de 2µA pour maintenir le potentiel de la grille du PMOS à une tension VBGATE(ON) en dessous de VBAT. Ceci permet à la batterie
  53. 53. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 53 d’alimenter la sortie. Dans un tel cas, le courant de repos total consommé par le LTC4000-1 à partir de la batterie lorsque IN n’est pas valide est typiquement inférieur à 10µA. En parallèle, la fonction de diode idéale assurée par le PMOS externe relié à IGATE est désactivée, le convertisseur est alors déconnecté de la sortie. Mise à part l’entrée interne UVLO, le LTC4000-1 permet aussi une fonction de monitoring à travers le pin VM. Le pin 𝑅𝑆𝑇̅̅̅̅̅ est tiré vers le bas lorsque la tension en VM est inférieure au seuil 1.193V. En revanche, lorsque la tension au pin VM augmente en dessus de 1.233V, 𝑅𝑆𝑇̅̅̅̅̅ est mis à l’état haute impédance. L’une des utilisations intéressantes de cette fonction de monitoring est d’assurer que le convertisseur est éteint lorsque la tension à l’entrée est inférieure à un seuil à programmer. Pour une telle utilisation, il faut connecter le pin 𝑅𝑆𝑇̅̅̅̅̅ avec un pin de chip select ou Enable du convertisseur, qui est dans notre cas le pin 𝑆𝐻𝐷𝑁̅̅̅̅̅̅̅̅ du LT3845A. Voici le Schéma de la fonction de monitoring de la tension d’entrée : Figure 3.13 : Monitoring de la tension d'entrée et UVLO La tension à laquelle le LTC4000-1 doit donner l’ordre au LT3845A d’arrêter de fonctionner devrait être suffisamment basse de telle sorte à ce qu’elle soit insuffisante pour alimenter le système et la batterie. 18V est un bon choix d’un tel seuil. Pour programmer ceci, il faut utiliser la formule suivante : 𝑅 𝑉𝑀1 = ( 𝑉𝑉𝑀_𝑅𝑆𝑇 1.193𝑉 − 1) × 𝑅 𝑉𝑀2 (3.28)
  54. 54. Chapitre 3 : Etude détaillée du projet 54 Pour fixer le seuil de Shutdown à 18V, j’ai sélectionné les valeurs suivantes : RVM1 = 35.7K et RVM2 = 2.49K. 3.2.9. Fonction d’ajustement de température de charge admissible La température de batterie est mesurée en plaçant une thermistance à coefficient de température négatif (NTC) près du pack de la batterie. Les comparateurs CP3 et CP4 (voir le Schéma bloc du LTC4000-1 dans les annexes) implémentent la détection de température. Le seuil en hausse de CP4 est fixé à 75% de VBIAS (seuil froid) et le seuil en baisse de CP3 est fixé à 35% de VBIAS (seuil chaud). Lorsque la tension au pin NTC est supérieure à 75% de VBIAS ou inférieur à 35% de VBIAS alors le LTC4000-1 met le cycle de charge actuel en pause. Lorsque la tension en NTC retourne dans l’intervalle de 40% à 70% de VBIAS, la charge reprends. Une résistance de polarisation R3 est aussi connectée entre BIAS et NTC pour pouvoir ajuster le seuil chaud et le seuil froid. Pour une simple application, R3 fixée à une valeur égale à la valeur de la thermistance NTC à 25°C, notée R25. Dans ce cas, le LTC4000-1 va mettre la charge en pause lorsque la thermistance NTC aura descendu à 0.54 fois la valeur de R25, ou si elle a augmenté en dessus de 3 fois R25. Figure 3.14 : Ajustement de la température de charge admissible avec un degré de liberté Pour un ajustement personnalisé des seuils chaud et froid, on peut utiliser les relations suivantes : 𝑅3 = 𝑅 𝑁𝑇𝐶 𝑎𝑡 𝑐𝑜𝑙𝑑_𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ𝑜𝑙𝑑 3 (3.29) Ou 𝑅3 = 1.857 × 𝑅 𝑁𝑇𝐶 𝑎𝑡 ℎ𝑜𝑡_𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ𝑜𝑙𝑑 (3.30) Noter qu’avec un seul degré de liberté (qui est l’ajustement de R3), on ne peut régler qu’un seul seuil de température, le second est déduit à partir de l’ajustement de R3 selon le premier

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