Alors que les solutions IoT continuent de foisonner, la demande d'appareils à faible consommation énergétique, capables de fonctionner à l'énergie naturelle, ne cesse d'augmenter. Des questions émergent : à quels défis les convertisseurs d'énergie sont-ils confrontés lorsqu'ils collectent de l'énergie ? Quelles options énergétiques existent pour les appareils ? Quelles sont les solutions de semi-conducteurs à la disposition des ingénieurs ?
Qu'est-ce que la collecte d'énergie ?
La collecte d'énergie, comme son nom l'indique, est l'action consistant à récolter de l'énergie pour alimenter un appareil. Contrairement aux appareils alimentés par batteries ou le secteur, un collecteur d'énergie peut extraire de l'énergie de son milieu environnant et ne nécessite donc pas de connexion électrique. Les solutions de collecte d'énergie sont de plus en plus courantes, mais l'idée de circuits de collecte d'énergie existe depuis des décennies.
Les calculatrices dotées de petites cellules solaires pouvant fonctionner à la lumière ambiante en sont un exemple. Ces calculatrices existent depuis les années 1990 et n'ont pu voir le jour que grâce à la faible consommation d'énergie des puces de calcul élémentaire et aux afficheurs LCD sans rétroéclairage.
Pour les appareils qui nécessitent plus de puissance, les collecteurs d'énergie rechargent souvent de façon continue et lente un petit condensateur ou une batterie, puis, quand une charge ou une tension spécifique est atteinte, l'énergie est libérée rapidement. Cela permet à un appareil d'être opérationnel pendant de brèves périodes uniquement, mais d'une façon entièrement indépendante de toute source d'alimentation externe (c'est-à-dire que l'appareil peut fonctionner dans les endroits les plus reculés).
Comme les sources d'énergie utilisées par les collecteurs d'énergie sont souvent limitées, les appareils utilisant la collecte d'énergie ont toujours été limités à des fonctions très élémentaires. Cependant, l'introduction des systèmes sur puces (SoC) à faible puissance et des circuits intégrés à gestion avancée de l'énergie commence à ouvrir le monde de l'électronique aux collecteurs d'énergie comme source d'énergie viable. Quels sont donc les défis à relever en matière de collecteurs d'énergie ? Quelles sont les sources d'énergie existantes ? Et de quelles solutions les ingénieurs disposent-ils actuellement ?
D'où l'énergie peut-elle provenir ?
En ce qui concerne les collecteurs d'énergie, pratiquement toutes les sources d'énergie présentes naturellement dans l'environnement sont susceptibles de fournir de l'énergie. Ces sources d'énergie sont la lumière, le vent, l'action mécanique, la température, le son et les ondes radioélectriques.
La lumière est l'une des sources d'énergie les plus courantes car elle est présente en abondance, mais il ne faut pas la confondre avec l'énergie solaire. Les panneaux solaires et les cellules solaires sont utilisés pour produire de l'électricité lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil (de la même façon qu'avec un collecteur d'énergie). Toutefois, contrairement aux collecteurs d'énergie, ils cessent de fonctionner lorsqu'ils sont à l'ombre. Les collecteurs d'énergie lumineuse, en revanche, sont capables de fonctionner même en cas de faible luminosité et sont souvent utilisés sur des calculatrices et de petits appareils. Cela permet aux collecteurs d'énergie lumineuse de fonctionner même la nuit sous éclairage artificiel (p. ex., lampadaires et enseignes lumineuses). En outre, la petite taille des cellules solaires utilisées dans les collecteurs d'énergie facilite leur intégration à un produit, et l'absence de pièces mobiles contribue à améliorer leur fiabilité dans des lieux reculés.
Le vent est un autre exemple de source d'énergie naturelle pouvant être collectée. Comme avec les panneaux solaires, il existe une nette différence entre une éolienne utilisée pour produire de grandes quantités d'énergie et une éolienne qui serait miniaturisée pour alimenter un seul appareil. Un collecteur d'énergie éolienne serait configuré pour fonctionner avec de faibles brises causées par convection d'air, par écoulement d'air à travers les bâtiments et par le mouvement d'un appareil dans l'air. Toutefois, même un collecteur éolien miniature resterait volumineux, si bien qu'ils sont rarement utilisés (pour exploiter l'énergie éolienne, on utilisera probablement une turbine).
L'action mécanique peut également être utilisée comme source d'énergie pour de petits appareils, avec des exemples exploitant la compression, la tension, la flexion et l'accélération. En général, un élément piézoélectrique est utilisé pour convertir une force mécanique en électricité (p. ex., sonnettes de porte et dallage). Les dispositifs portatifs peuvent générer de l'énergie à partir du mouvement des bras via un aimant suspendu par des ressorts entourant une bobine. De telles sources d'énergie sont idéales si un dispositif subit des forces mécaniques fréquentes, mais l'utilisation de pièces mobiles peut générer de l'usure au fil du temps, et l'irrégularité de l'énergie mécanique peut compromettre son utilisation en tant que source d'énergie fiable.
Les collecteurs d'énergie peuvent également extraire de l'énergie thermique, pour autant qu'il existe un gradient thermique (c'est-à-dire un côté chaud et un côté froid). Ce phénomène est généralement exploité via des thermocouples qui génèrent une tension lorsqu'ils sont soumis à un gradient thermique. Si le gradient de température est constant, cela peut constituer une source d'énergie très fiable, mais le faible rendement des thermocouples complique leur mise en œuvre. Comme les thermocouples sont des matériaux solides, ils sont exempts de pièces mobiles, ce qui les rend fiables pour une utilisation à long terme. En outre, l'utilisation d'un générateur thermoélectrique dédié peut aider à augmenter la quantité d'énergie collectée à partir d'un gradient thermique.
Les émissions radioélectriques provenant de l'activité humaine constituent également une option énergétique viable pour les collecteurs d'énergie. Les ondes radioélectriques issues des routeurs Wi-Fi, des réseaux cellulaires et des stations de radio peuvent toutes être collectées pour alimenter des appareils. En fait, des récepteurs à cristaux situés à proximité d'une station de radio peuvent fonctionner sans la moindre alimentation auxiliaire. Toutefois, la plupart des sources d'énergie radioélectrique sont extrêmement faibles, ce qui peut faire obstacle au fonctionnement des collecteurs d'énergie.
Quels sont les défis qu'affrontent les convertisseurs de puissance ?
Bien que l'énergie existe naturellement dans l'environnement qui nous entoure, l'exploitation de cette énergie présente des défis majeurs. Le premier obstacle majeur que les collecteurs d'énergie doivent surmonter se rapporte aux très faibles quantités d'énergie propres aux sources naturelles. Les cellules solaires peuvent générer des tensions substantielles, mais l'énergie issue des sources mécaniques, vibratoires, radioélectriques et sonores peut être de l'ordre du nanowatt. Sachant que la tension et l'intensité sont tous deux proportionnels à la puissance, l'énergie collectée génère une tension ou une intensité minuscule.
Nous nous heurtons ainsi au premier obstacle majeur à l'exploitation des collecteurs d'énergie : l'extraction de l'énergie. Un circuit de collecte d'énergie dont la tension générée est trop faible n'est pas en mesure d'activer les composants à semi-conducteurs en raison de la nécessité d'une polarisation en sens direct de la tension (par exemple, les diodes au silicium conduisent le courant seulement à partir d'une chute de tension directe de 0,6 V).
Il est possible d'augmenter la tension en modifiant la nature du collecteur (p. ex., en ajoutant des spires à une inductance ou en augmentant l'impédance d'entrée du collecteur d'énergie), mais cela réduit l'intensité. Une baisse d'intensité signifie qu'il faut plus de temps pour charger un condensateur ou une batterie, ce qui réduit le rapport temps de fonctionnement/chargement.
Si un collecteur d'énergie parvient à surmonter ce premier défi, le deuxième consistera à stocker cette énergie de manière fiable. Les condensateurs sont petits, peuvent servir à stocker une charge et sont capables de réagir rapidement à une forte demande de courant, mais ils peuvent présenter des fuites, selon la technologie utilisée. En outre, le circuit de charge présente également un certain niveau de fuite inhérent, causé par des composants non idéaux. Ainsi, un collecteur d'énergie doit présenter un taux de charge supérieur à son taux de décharge dû aux fuites naturelles.
Le troisième défi auquel sont confrontés les collecteurs d'énergie consiste à déterminer quand l'énergie stockée est suffisante pour alimenter un appareil. Pour cela, l'une des façons les plus simples consiste à utiliser un condensateur de taille connue, puis d'attendre que la tension atteigne un certain niveau (qui correspondra directement à l'énergie stockée) avant de l'injecter dans un convertisseur de puissance. Cependant, l'opération de mesurage de la tension nécessite de l'énergie (en supposant que le circuit de détection de la tension soit basé sur des composants actifs), ce qui impacte la vitesse de charge du système.
Une fois que la quantité correcte d'énergie a été stockée, le dernier défi consiste à libérer efficacement l'énergie vers un appareil à une tension appropriée. Les régulateurs linéaires sont très performants pour fournir des tensions d'alimentation exemptes de bruit, mais ils sont extrêmement gaspilleurs. Les collecteurs d'énergie utilisent donc des régulateurs de commutation. Toutefois, ces derniers peuvent introduire du bruit dans un circuit, ce qui requiert une attention particulière en phase de conception.
En résumé, les sources d'énergie sont souvent minuscules, ce qui signifie que les impédances entre la source d'énergie et le collecteur doivent être correctement dimensionnées. En raison des fuites de courant, les composants doivent être sélectionnés avec soin. Les basses tensions associées aux collecteurs d'énergie signifient que des composants actifs à faibles chutes de tension directe doivent être choisis, et les convertisseurs de puissance doivent être aussi efficaces que possible.
Options propres à certains appareils
Le défi consistant à consommer de l'énergie pour actionner les composants actifs qui surveillent l'énergie stockée peut être solutionné au moyen de piles boutons. Bien qu'extrêmement limitée, leur capacité peut suffire à faire fonctionner les composants de contrôle pendant une période extrêmement longue (potentiellement des années).
La seule fonction de ces piles est de maintenir une tension de polarisation permettant au circuit de contrôle de puissance de fonctionner. De plus, grâce à la technologie MOS, la conception entière consomme une quantité insignifiante de courant, faisant de la pile bouton une option viable. Toutefois, l'utilisation d'une pile va à l'encontre du principe de collecte d'énergie, et le fait que la pile finira par s'épuiser n'est pas de bonne augure pour les applications à distance.
En ce qui concerne le stockage d'énergie, les condensateurs sont idéaux en raison de leur faible résistance, de leurs capacités de charge et de décharge rapides et de leur facilité d'intégration. Néanmoins, les supercondensateurs permettent des capacités de stockage bien supérieures à des tensions inférieures, et leur fonctionnement à basse tension en fait le choix idéal pour une utilisation avec des sources d'énergie à basse tension.
Comme la plupart des sources d'énergie sont extrêmement faibles, il peut également être avantageux pour les ingénieurs de combiner plusieurs sources d'énergie dans un même appareil. Par exemple, une petite cellule solaire associée à un thermocouple et à un générateur piézoélectrique peut être utilisée pour collecter simultanément de l'énergie lumineuse, acoustique et thermique. Une telle disposition offre plus d'options énergétiques à l'appareil tout en augmentant la vitesse de charge. En fait, certains circuits intégrés de collecte d'énergie ont des entrées dédiées pour se connecter à plusieurs sources d'énergie.
Le MAX17710 est un exemple de circuit intégré conçu pour la collecte d'énergie. Ce circuit intègre deux options d'entrée d'alimentation pour différentes sources d'énergie (une source haute tension et une source basse tension), un régulateur survolteur et une machine d'état interne pour la connexion à un microcontrôleur. De plus, le MAX17710 est également conçu pour fonctionner avec les batteries THINERGY MEC101 qui sont des batteries plates à semi-conducteurs. La finesse de ces batteries et l'utilisation de semi-conducteurs signifient qu'elles sont compactes, intrinsèquement sûres et idéales pour être utilisées dans des dispositifs à distance minces.
Le chargeur STMicroelectronics SPV1040 est un exemple de chargeur de batterie solaire spécialement conçu pour collecter efficacement de l'énergie à l'aide d'un régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracker). En substance, un régulateur MPPT permet de régler le point de charge d'une cellule solaire à son niveau optimal pour un transfert d'énergie maximal, et le chargeur SPV1040 l'utilise pour atteindre un rendement de 95 %. En outre, le chargeur SPV1040 peut fonctionner jusqu'à 0,3 V (c'est-à-dire à des tensions très faibles).
L'AEM30940 d'e-peas est un circuit intégré dédié à la collecte d'énergie qui peut s'actionner automatiquement à partir d'une tension d'entrée de 380 mV avec une puissance d'entrée de 3 µW. Tirant de l'énergie des fréquences radio parasites, ce circuit intègre un régulateur MPPT pour maximiser le transfert de puissance de l'entrée radio-électrique et du convertisseur d'énergie. Il peut fonctionner avec toutes les options de stockage, y compris les batteries, les condensateurs et les supercondensateurs, et il peut être connecté à une batterie primaire pour un fonctionnement sécurisé. De plus, l'AEM30940 intègre plusieurs régulateurs LDO pour produire diverses tensions de sortie, requises par de nombreux microcontrôleurs modernes (p. ex., un noyau de 1,8 V et des E/S de 3,3 V).
Conclusion
Lorsqu'ils tentent d'extraire de l'énergie du milieu environnant, les collecteurs d'énergie sont confrontés à une multitude de défis : la disponibilité de l'énergie, la nécessité d'utiliser des composants actifs pour détecter les états de charge, les fuites de courant des composants et les rendements élevés requis par les convertisseurs de puissance. Les limites intrinsèques des semi-conducteurs empêchent un fonctionnement à très basse tension, et l'inconstance des sources d'énergie naturelles rend quasiment impossible un fonctionnement fiable.
Cependant, de grands progrès ont été réalisés dans le domaine de la collecte d'énergie, et des options existent pour les ingénieurs, comme l'AEM30940 d'e-peas et le MAX17710. Mais, quelle que soit la technologie utilisée, les ingénieurs peuvent faire le choix judicieux d'opter pour des microcontrôleurs ayant des besoins énergétiques extrêmement faibles et des modes de veille prolongée. En fin de compte, il n'est pas nécessaire de se préoccuper du stockage de grandes quantités d'énergie si un système nécessite peu d'énergie seulement.