Test – Régulateur Boost pour IOT (TPS61073)

Dans ce billet, je vais « tenter » de tester un régulateur (en particulier, un éleveur de tension : « boost ») et vous faire partager mon expérience.

Besoins

Pourquoi avoir besoin d’un régulateur ?

Hé bien, parce que je me suis mis en tête de développer des objets connectés et que si on veut un objet fiable et performant, on est quasiment obligé d’utiliser un régulateur de tension.

Dans mon cas, je veux des objets connectés autonomes, donc sur piles ou batteries. Et quand on fait la correspondance entre la technologie des piles, leur tension, leur capacité et les besoins en électronique, cela devient vite un casse tête.

En effet, les microcontrôleurs fonctionnent souvent sur des plages de tension et peuvent différer selon leur technologie et leur type.

Cependant, vous pourrez remarquer que la plupart des micros fonctionnent avec un tension « normal » de 3.3v.

Les piles

Maintenant, quand on regarde la technologie des piles, on peut lister les tensions les plus répandues:

  • 1.5v
  • 3.0v
  • 3.6v
  • 4.5v
  • 9v

Bien entendu, lorsqu’on les met en parallèle, ces tensions sont additionnées et vous pourrez obtenir tout un panel de tensions disponibles.

Autre chose importante, la vie des piles … Selon la technologie de la pile, vous allez rencontrer un cycle de vie complètement différent. Par exemple, les piles les plus connues et répandues sont les alcalines.

glossaire-piles

Si on prend pour exemple les piles LR6 AA, elles commencent leur vie à environ 1.6v et finissent leur vie à 0.9v puis vont se mettre à couler vers 0.4v jusqu’à atteindre les 0.1v.

Exemple:

Schéma alcalines lr6 aa

En regardant la courbe, on comprend que sur le temps, et en fonction de la consommation, la tension délivrée n’est pas stable et non linéaire.

Les piles Lithium sont complètement différentes, sachant qu’il existe plusieurs technologies dans les Lithium, comme manganèse, fer, ion etc…

Hormis une capacité, en général, plus importante, la tension durant son cycle de vie est beaucoup plus stable.

Exemple :

hybrid_lithium_iron_phosphate_iv_curve

Voilà, dans cet exemple, on voit bien la stabilité du Lithium dans le temps.

Bon ok, le choix des piles c’est pas si évident que ça.

De plus, je souhaite un objet connecté le plus petit possible (comme tout le monde)… Du coup, le choix dans la technologie de piles/batteries est encore plus limité.

Bref, je ne vais pas vous faire un cours sur les technologies de piles, mais tout ça pour dire que si je veux concevoir un objet connecté sur pile(s) ou batterie(s), je suis obligé (quasiment, parque ce qu’avec la technologie du lithium, c’est pas impossible) d’utiliser un régulateur.

Dans mon cas, je souhaite avoir une tension « idéale » de 3.3v et comme je souhaite prendre le moins de place possible (au niveau des piles), je pense partir sur une seule pile de type CR123A.

cr123a

PS: ne faites surtout pas comme sur la photo (on le voit pas bien mais il y a du plastique qui protège les pôles) sous peine de créer un court-circuit.

Sur ce format, il existe en 3v (non rechargeable) et en 3.6v/3.7v en rechargeable. Ce sont deux technos lithium différentes. NB :Les capacités sont plus importantes sur du non rechargeable.

Bon !!!! Du coup, j’ai besoin d’un régulateur éleveur de tension.

Le régulateur TPS61073

Il existe beaucoup de technologies de régulateurs « boost » éleveur de tension. Voici un tableau très intéressant qui va me permettre de choisir le bon régulateur en fonction de mes besoins. Je suis parti sur la marque Texas Instrument avec la série TPS61xxx.

tps61xxx

Synthèse des besoins:

  • Tension de sortie : 3.3v
  • Courant de sortie assez important.
  • Boitier pas trop petit (hé oui la CNC ne fait pas de miracle) SOT23 max

Mon choix s’est donc tourné vers le régulateur boost TPS61070/1/2/3 qui est un bon compromis par rapport à mes besoins.

Mise en test

La technologie

Vite fait parce que c’est toujours bien de comprendre comment ça marche. Voici le principe de l’élévateur de tension. A lire si vous avez du temps.

sot23

Pour faire simple, en gros, ce composant, (à l’aide d’autres composants passifs) va effectuer un « hashage » de la tension en coupant et en remettant du courant dans une « bobine de cuivre » (l’inductance).

L’inductance fonctionne sur le même principe que les bobines d’allumage d’une voiture. La batterie (12v) charge une bobine de cuivre (votre bobine d’allumage) avec du courant, et la tension va augmenter jusqu’à atteindre le point de rupture et de décharge. Hé « paf » ! d’un coup vous balancez plusieurs milliers de volts pour enflammer l’essence de votre voiture.

Le régulateur, avec l’inductance fait la même chose sauf qu’il va osciller ou « hasher » (grâce à la patte du switch du composant SW) afin d’augmenter la tension puis décharger puis ré-augmenter etc … les condensateurs vont alors emmagasiner l’énergie et lisser tout ça pour donner une tension moyenne correspondant à votre besoin.

L’inductance permet d’augmenter la tension grâce à un courant et les condensateurs vont jouer le rôle de réserve d’énergie pour lisser la tension, un peu comme un barrage d’eau, un château d’eau ou un réservoir d’eau tout simplement.

Voici le schéma de l’explication.

1052px-boost_chronogram-svg

Voilà un extrait de la datasheet du composant qui caractérise mes propos du dessus.

hashage

Conception

La première chose à faire est bien entendu de lire la datasheet qui est indispensable à la mise en pratique.

Dans la datasheet, ils vous mâchent largement le travail. Ils vous donnent toutes les valeurs pour une application commune ainsi que la schématique pour pouvoir le mettre en pratique.

Schématique

schematique

  • L’inductance doit être de 4.7uH
  • les capacités d’entrée et de sortie doivent être de 10uF

Il ne reste plus qu’à calculer les résistances afin d’obtenir la tension de sortie voulue. Pour cela, ils mettent à la disposition la formule de calcul suivant:

R2 = R3 * ((3.6/0.5)-1)

  • R2 = 1MOhm (conseillé dans la datasheet)
  • 3.6 correspond à la tension de sortie voulu (oui je prend 3.6v car je vais mettre une diode de protection qui va faire baisser légèrement la tension)
  • 0.5 correspond à 500mV qui est la tension de « feedback » pour la programmation de la tension de sortie

du coup on obtient R3 = 160Kohm

Design

design

Voilà le design de la petite carte…

img_20160930_195254

… et une fois usinée avec la CNC et montée.

Tests

Pour effectuer les tests, j’utilise un oscilloscope portatif et une alimentation paramétrable. grâce à ces deux outils, je vais pouvoir simuler les baisses de tension et observer si le régulateur fait bien son travail, à savoir, rehausser la tension et la stabiliser à la valeur voulue. Pour qu’il y ait un peu de courant (hé oui, faire les tests sans faire des appels de courant, ça n’a pas d’intérêt), je vais utiliser une LED toute simple.

1er résultat : (à tension normal 3.3v)

tension 3.3v

A 3.3v, mon régulateur fournit du 3.52v (Tout va bien)

2ème résultat : (Pile faible 2.7v)

tension 2.7v

A 2.7v, le régulateur fournit toujours 3.52v de manière stable.

3ème résultat : (Tension minimum de démarrage 1.8v)

tension 1.8v

A 1.8v, le régulateur fournit encore 3.52v.

Entre la tension normal et la tension minimal, le courant a très peu augmenté ce qui signifie que le régulateur a un très bon rendement. Grâce à ce régulateur, on va pouvoir exploiter la capacité des piles au maximum.

Conclusion

Au final, ce régulateur me parait être idéal pour concevoir des objets connectés. Il permet d’exploiter au maximum l’utilisation des piles avec un rendement assez impressionnant.

Cependant, le design du circuit imprimé doit être assez précis pour avoir une bonne stabilité. J’avoue qu’au début, ça ne fonctionnait pas comme je le souhaitais car je ne respectais pas forcément les recommandations de la datasheet. Du coup, voici ce qui me semble indispensable (ces recommandations sont d’ailleurs implicitement décrites avec la proposition d’un design référence):

il faut absolument :

  • Un plan de masse avec un accès au GND le plus court possible
  • Des condensateurs d’entrées et de sorties au plus proches des broches du régulateur (et avec les bonnes valeurs)
  • Une inductance adaptée et le plus proche des bornes du VBAT et SW.

Bref, il est indispensable de rapprocher au mieux les composants du régulateur pour qu’il y ait le moins de chemin à parcourir. Grrrrouuuupiirrr !!!

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