Couverture ElectroniqueS n°127

Il existe de nombreuses méthodes pour accroître la durée de vie de la batterie des moniteurs médicaux surveillant les paramètres vitaux des patients et des timbres transdermiques. À cet égard, l'architecture du sous-système d'alimentation adoptée, ainsi que l'ajout de modes d'économie d'énergie, auront une incidence très importante sur ce paramètre. L e marché des dispositifs médicaux portés sur la personne se développe rapidement. Aujourd'hui, ils servent non seulement à mesurer les constantes vitales, mais aussi à contacter les services d'urgence en cas de besoin. Ces appareils fonctionnant généralement sur batterie, la durée de vie de cet élément constitue l'un des principaux critères d'achat pour les consommateurs. Cette longévité est d'autant plus capitale que la plupart des dispositifs médicaux portés par les patients surveillent leurs constantes en continu. Les systèmes dont la source d'alimentation est une batterie nécessitent un partitionnement minutieux, une utilisation optimale de l'espace et une exploitation efficace de la charge disponible. Il est important de proposer davantage de fonctionnalités, tout en délivrant l'énergie de façon plus efficace, dans un volume réduit, pendant une période plus longue. Des fonctions de mise en veille, en sommeil et en hibernation, d'économie d'énergie et de désactivation de la charge sont essentielles pour permettre aux concepteurs de réduire la consommation électrique et de prolonger la durée de vie de la batterie. Si des microcontrôleurs et des circuits intégrés analogiques basse consommation sont effectivement disponibles, il ne sera toutefois pas possible de tirer profit de la plupart des dernières technologies sans une gestion d'énergie optimisée. De ce fait, il est important d'opter pour la bonne architecture du sous-système d'alimentation. De nombreux types de batteries De nombreux appareils, tels que les car-diofréquencemètres, les patchs multiparamétriques, les lecteurs de glycémie, les tensiomètres, les oxymètres de pouls ou encore les moniteurs d'activité physique ou sportive, peuvent être portés sur soi. Nombre d'entre eux sont jetables ou utilisent des piles qui doivent être remplacées régulièrement. Or, le fait de les connecter à des appareils intelligents augmente leur consommation d'énergie. Il arrive que des piles (de type CR2032 ou CR3032) ne suffisent pas, auquel cas le recours à une batterie d'accumulateurs, donc composée d'éléments rechargeables, est nécessaire. Les accumulateurs lithium-ion (Li-Ion), lithium-polymère (Li-Po), nickel-métal hydrure (Ni-MH), lithium-fer-phosphate, lithium-manganèse ou zinc sont courants dans les appareils médicaux. Pour chacun d'eux, un circuit de charge spécifique est demandé. Il est aussi à noter que les batteries rechargeables présentent un certain taux d'autodécharge. Afin de réduire le nombre de composants et la taille des produits, les concepteurs ont la possibilité de relier directement l'accumulateur au module radio et aux autres périphériques. Cependant, il s'avère que ce n'est pas le moyen le plus efficace d'utiliser la batterie. SANJAY PITHADIA (TEXAS INSTRUMENTS) Sanjay Pithadia est ingénieur système chez Texas Instruments, où il est responsable du développement des sous-systèmes destinés aux applications médicales. Au sein de cette société, il a depuis 2008 contribué au développement de designs de référence en rapport avec l'énergie, les « smart grid », les entraînements de moteurs industriels et l'imagerie médicale. Quelle topologie de convertisseur DC-DC ? Pour un wearable , charger la batterie est un défi car cette dernière doit être petite, donc de capacité modeste. Le courant de charge varie beaucoup suivant que l'on utilise une batterie de 50 mAh, 100 mAh ou 200 mAh, et qu'on la charge à 0,5 C, 1 C ou 2 C (C étant la capacité de la batterie en mAh). La solution consiste à inclure une fonction de charge rapide programmable. Bien qu'un faible temps de charge soit important, emmagasiner le plus d'énergie possible dans la batterie l'est tout autant. Pour y parvenir, le courant de fin de charge doit être maîtrisé avec précision et l'opération se terminer de manière fiable à un niveau très faible. La figure 1 montre qu'il est possible de gagner 2 mAh (soit 5 % environ) sur la durée de vie de la batterie en réduisant le courant de fin de charge à 1 mA. Le nombre de cellules peut varier en fonction de l'application. La solution de charge de la batterie sera également dépendante de ce facteur. Considérons l'exemple d'un wearable exploitant un circuit radio de la famille CC254x de Texas Instruments. La tension de fonctionnement d'un CC254x est comprise entre 2 V et 3,6 V. En interne, la tension d'alimentation est généralement ramenée à 1,8 V grâce à des régulateurs à faible tension de déchet (LDO). Par la suite, pour les systèmes alimentés sous une tension élevée, une grande partie de l'énergie est perdue au niveau de ces LDO. Afin d'y remédier, un convertisseur DC-DC externe se révélera souvent bénéfique pour ramener la tension à 2 V environ, et ainsi améliorer le rendement global du système. Un convertisseur DC-DC tel que le TPS62730 est capable de ramener une tension d'entrée de l'ordre de 3,9 V à la valeur souhaitée de 1,9 V. Lorsque la tension d'alimentation du convertisseur descend en dessous de 2,2 V, ce dernier passe automatiquement en mode de court-circuit. Sa sortie est alors directement reliée à la batterie. La consommation de courant est ainsi réduite en mode actif, prolongeant la durée de vie de la batterie. La figure 2 montre la réduction du courant de la batterie obtenue en ayant recours au TPS62730. Si le microcontrôleur ne dispose pas de broches disponibles pour commander le circuit, il est possible de faire appel à d'autres convertisseurs abaisseurs à courant de repos ultra-faible, tels que le TPS62743 ou le TPS62740. Les dispositifs médicaux qui mesurent la fréquence cardiaque ou la saturation en oxygène dans le sang des patients (SpO 2 ) disposent de circuits de commande pour les Led vertes, rouges et infrarouges. Compte tenu de la tension de seuil de ces Led, la tension d'alimentation du driver doit être supérieure à la tension de la pile bouton (par exemple 3 V). Pour ce faire, un convertisseur élévateur à très faible courant de repos (I Q ) est un choix envisageable. Les pompes à insuline sont de plus en plus compactes depuis que l'aiguille d'injection est intégrée. Pour ces dispositifs, le cou-rant de charge sera très élevé, car il faut alimenter à la fois la pompe et le circuit d'interfaçage de l'aiguille. Un convertisseur élévateur tel que le TPS610981 ( voir figure 3 ) peut être relié directement à la batterie, alors que son très faible courant de repos est une garantie du bon fonctionnement de la pompe. Souvent oubliés au profit des convertisseurs abaisseurs ou élévateurs, les convertisseurs abaisseurs-élévateurs sont avantageux dans les applications dont la source est constituée de petites batteries. Dans les wearables , la tension requise pour les rails d'alimentation n'excède pas 3 V. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de faire appel à un convertisseur élévateur. Les rails d'alimentation des microcontrôleurs et des circuits sans fil fonctionnent souvent à partir d'une tension basse. Le choix d'un convertisseur abaisseur semble s'imposer, du moins tant que tous les aspects de la conception n'ont pas été pris en compte. Lorsque le courant d'alimentation est fourni par la batterie sous la forme d'une charge en régime impulsionnel, la tension au niveau de la batterie est susceptible de descendre en deçà de la tension de sortie requise pendant un court laps de temps, sous le seuil de fonctionnement défini par le fabricant. Il y a alors un risque d'instabilité de la régulation de tension. Cette chute de tension est particulièrement significative à la fin de la durée de vie de la batterie, car la valeur de sa résistance interne augmente au fil du temps. Comme son nom le suggère, un convertisseur abaisseur-élévateur est en mesure de délivrer une tension supérieure à la tension d'entrée. Cela permet d'avoir une tension précise et parfaitement régulée pour les profils de courants de charge en régime impulsionnel et les batteries à haute impédance. Il permet donc plus de souplesse dans le choix de la batterie et de l'architecture d'alimentation qu'un convertisseur simplement abaisseur. Des LDO pour améliorer le rendement On estime généralement que les contrôleurs ou les convertisseurs à découpage permettent de réaliser des schémas d'alimentation à haut rendement, ce dont les LDO sont incapables. Or, les topologies des LDO ont évolué. Aujourd'hui, elles sont à même de garantir des tensions de déchet très faibles. Pour y parvenir, les différents régulateurs LDO à faible tension d'entrée et de sortie (LILO, low-input low-output ) mettent en œuvre un transistor MOS canal N (NMOS) mis en série, ainsi qu'une tension de polarisation pour obtenir une faible tension de déchet. Dans cette topologie, le potentiel du rail d'alimentation est plus élevé et alimente la majeure partie de la circuiterie interne du LDO, de telle sorte que ce dernier puisse fonctionner à partir de faibles tensions d'entrée. Deux configurations d'alimentation courantes. Dans le premier cas, un régulateur LDO classique à faible courant de repos est utilisé. Dans le second cas, un régulateur LDO LILO a été choisi. Les bilans énergétiques figurent dans le tableau 1 (voir ci-dessous). La baisse de la tension de déchet se traduit par un rendement accru, qui est alors comparable à celui obtenu avec une ali-mentation à découpage. Dans les appareils électroniques portables, les capteurs sont couramment alimentés à partir de régula-teurs LDO, dans la mesure où un convertisseur à découpage générerait trop de bruit. Les concepteurs ont parfois recours à des régulateurs LDO à faible courant de repos, en partant du principe que la batterie du système aura une durée de vie plus longue lorsque la charge est pulsée. Ce n'est cependant pas nécessairement la solution la plus efficace car, lorsque la charge est activée, l'importante quantité de puissance dissipée qui en résulte est susceptible de réduire considérablement le rendement du système. La figure 4 représente deux configurations d'alimentation de systèmes portatifs courantes. Dans le premier cas, un régulateur LDO classique à faible courant de repos est utilisé. Dans le second cas, un régulateur LDO LILO a été choisi. Si l'on compare la dissipation de puissance des deux solutions, le premier régulateur affiche 2,7 mW de perte, contre 1,8 mW pour le second ( voir tableau 1 ). Le régulateur LDO LILO améliore le rendement, qui passe de 55 % à 82 %, même si le courant de repos total est plus élevé. Un module radio peut encore consommer plus de 10 µA en sommeil profond ou en hibernation. Le commutateur de charge ramènera ce courant résiduel à une valeur de 10 nA seulement. Comme le montre le tableau 1, le recours à des régulateurs LDO LILO dans des applications portables est clairement avantageux, si les principaux critères sont la durée de vie de la batterie et l'efficacité du système. Diminuer le courant résiduel avec des commutateurs de charge Une fois que l'on a optimisé le frontal d'entrée du chargeur de la batterie, ainsi que les convertisseurs DC-DC et les régulateurs LDO, il est encore possible de réduire le courant résiduel en utilisant un commutateur de charge. Un module radio peut consommer plus de 10 µA en sommeil profond ou en hibernation. Le commutateur de charge ramènera ce courant résiduel à une valeur de 10 nA seulement ( voir figure 5) . Si le produit intègre de multiples capteurs et un émetteur sans fil, il est possible de recourir à plusieurs commutateurs pour désactiver la charge. Prenons maintenant l'exemple d'un patch transdermique sans fil, basé sur le protocole Bluetooth Low Energy, doté d'une batterie lithium-ion rechargeable de 4,2 V dont la capacité est de 100 mAh. Afin qu'un fonctionnement pendant au moins sept jours sans recharge de la batterie soit envisageable, il est possible d'alimenter uniquement les capteurs des constantes vitales et de désactiver le module radio. Le tableau 2 montre que, si le module radio draine un courant de 10 µA lorsqu'il est désactivé, l'économie réalisée est au moins de 10 µA x 24 heures x 7 jours 1,68 mAh sur les 100 mAh disponibles. En d'autres termes, ce seul module est responsable d'au moins 1,68 % (1,68 mAh/100 mAh) de la perte de la capacité totale de la batterie. Notons qu'il existe d'autres types de pertes : pertes liées aux variations des spécifications en fonction des températures minimales et maximales, pertes dans les composants de puissance et pertes imputables au courant de fuite des autres modules radio. Le recours à un commutateur de charge réduira le courant de fuite résiduel à quelque 10 nA. Le module radio, s'il est désactivé, aura alors une incidence négligeable (0,00168%) sur la durée de vie de la batterie. n POUR EN SAVOIR PLUS • Janice Escobar, « The future of wearable biosensors and linear chargers », article de blog de la communauté TI E2E, 4 décembre 2017 • Abhishek Chattopadhyay, « Current savings in CC254x using the TPS62730 », note d'application (SWRA365B), 2012

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