FR3066336B1 - Adaptation d'une recharge electromagnetique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'adaptation d'impédance d'un circuit résonnant comportant au moins un élément inductif, au moins un premier élément capacitif en série avec l'élément inductif et au moins un deuxième élément capacitif en parallèle avec l'élément inductif, comportant les étapes de : comparer (33) une première information représentative des pertes (LOSS) dans l'élément inductif à un premier seuil (TH1) ; comparer (35) une deuxième information (V) représentative de la tension aux borne du circuit résonant à un deuxième seuil (TH2) ; et si la première information est inférieure au premier seuil et la deuxième information est inférieure au deuxième seuil, diminuer la valeur du premier élément capacitif et augmenter la valeur du deuxième élément capacitif.

Description

ADAPTATION D'UNE RECHARGE ELECTROMAGNETIQUE
Domaine
La présente description concerne de façon générale les dispositifs électroniques et, plus particulièrement, les dispositifs alimentés ou rechargeables par couplage électromagnétique. La présente description s'applique plus particulièrement aux dispositifs rechargeable par couplage de proximité. État de l'art antérieur
Les systèmes télé alimentés ou rechargeables sans branchement électrique sont de plus en plus fréquents, en particulier, depuis le développement des technologies de communication en champs proche (NFC - Near Field Communication) ainsi que des dispositifs portatifs rechargeables par couplage électromagnétique résonant.
Ces systèmes exploitent l'énergie produite par un champ électromagnétique radiofréquence d'un terminal ou d'une borne pour alimenter les circuits électroniques du dispositif et/ou recharger une batterie que contient ce dispositif. Dans certaines applications, le terminal échange également des informations avec le dispositif en modulant le signal radiofréquence.
Pour protéger les circuits électroniques du transpondeur contre des surtensions ou des puissances trop élevées que son antenne capterait du terminal, on prévoit généralement des circuits limiteurs de tension en aval d'un pont de redressement haute tension. Cette solution à elle seule n'est toutefois pas satisfaisante. Résumé
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des techniques connues de limitation de puissance ou de tension dans un dispositif électronique à couplage électromagnétique.
Un mode de réalisation propose une solution évitant le recours à des circuits limiteurs de tension.
Un mode de réalisation vise une solution préservant une modulation éventuelle du signal électromagnétique à des fins de communication.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé d'adaptation d'impédance d'un circuit résonnant comportant au moins un élément inductif, au moins un premier élément capacitif en série avec l'élément inductif et au moins un deuxième élément capacitif en parallèle avec l'élément inductif, comportant les étapes de : comparer une première information représentative des pertes dans l'élément inductif à un premier seuil ; comparer une deuxième information représentative de la tension aux borne du circuit résonant à un deuxième seuil ; et si la première information est inférieure au premier seuil et la deuxième information est inférieure au deuxième seuil, diminuer la valeur du premier élément capacitif et augmenter la valeur du deuxième élément capacitif.
Selon un mode de réalisation, le premier seuil est choisi en fonction du courant maximum que peut supporter l'élément inductif.
Selon un mode de réalisation, le deuxième seuil est choisi en fonction de la tension maximale que peuvent supporter des circuits connectés aux bornes du circuit résonant.
Selon un mode de réalisation, si la première information est supérieure au premier seuil et/ou la deuxième information est supérieure au deuxième seuil, on augmente la valeur du premier élément capacitif et on diminue la valeur du deuxième élément capacitif.
Selon un mode de réalisation, la variation de valeur des éléments capacitifs respecte la condition que la somme de leurs valeurs reste constante.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif électronique, comportant : une batterie rechargeable par couplage résonant ; un circuit résonant comprenant au moins un élément inductif, au moins un premier élément capacitif en série avec l'élément inductif et au moins un deuxième élément capacitif en parallèle avec l'élément inductif ; et un circuit de commande des valeurs des éléments capacitifs pour adapter l'impédance du circuit résonant.
Selon un mode de réalisation, le circuit de commande met en oeuvre le procédé d'adaptation d'impédance.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique, sous forme de blocs, d'un mode de réalisation d'un dispositif électronique rechargeable par couplage électromagnétique et d'un exemple de borne ou terminal de recharge ; la figure 2 représente, de façon partielle, une variante de la figure 1 ; et la figure 3 est une représentation très schématique et sous forme de blocs d'un mode de réalisation d'un procédé de réglage d'éléments capacitifs d'un circuit d'adaptation de la résonance du dispositif de la figure 1.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures.
Par souci de clarté, seules les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la génération du champ électromagnétique côté borne ou terminal n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les techniques usuelles de génération de champ.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
Dans la description qui suit, lorsqu'on fait référence aux termes approximativement, environ et, de l'ordre de, cela signifie à 10% près, de préférence à 5% près.
La figure 1 est une représentation schématique, sous forme de blocs, d'un mode de réalisation d'un dispositif électronique 1 rechargeable par couplage électromagnétique et d'un exemple de borne ou terminal de recharge 2.
La borne 2 comporte un résonateur L2 faisant partie d'un circuit oscillant 21, par exemple série. Le résonateur L2 est, dans cet exemple, reliée en série avec un élément capacitif C2 entre deux bornes de sortie d'un amplificateur 22 (AMP). L'amplificateur reçoit d'un convertisseur d'énergie 23 (AC/DC / DC/DC), alternatif-continu ou continu-continu, un signal haute fréquence (généralement d'une fréquence comprise entre quelques centaines de kHz et quelques dizaines de MHz) à la fréquence de résonance du circuit oscillant 21. Le convertisseur 23 reçoit de l'énergie PW d'une source interne (batterie) ou externe (chargeur raccordé au réseau de distribution d'électricité). L'élément capacitif C2 est un condensateur variable dont la valeur permet d'adapter l'impédance du circuit oscillant 21 et d'ajuster la fréquence de résonance. Dans ce cas, la valeur de l'élément capacitif C2 est commandée à partir d'un circuit d'adaptation d'impédance 24 (IM) recevant une commande d'un circuit de commande 25 (CT). D'autres circuits peuvent équiper la borne 2, notamment si elle est également utilisée pour communiquer avec le dispositif 1.
Le dispositif 1 comporte un circuit résonant 11, destiné à capter le champ électromagnétique généré par la borne 2. Les (deux) bornes du circuit résonant 11 sont reliées à des bornes d'entrée d'un circuit redresseur 12 (RECT), de préférence double alternance. Les bornes de sortie du circuit redresseur 12 sont reliées en entrée d'un régulateur de tension 13 (REG), par exemple un régulateur de type alimentation à découpage ou à faible chute de tension série. Le régulateur 13 fournit l'énergie de charge à une batterie 14 (BAT). L'énergie prélevée sur le champ rayonné par la borne 2 est donc utilisée pour recharger la batterie 14 du dispositif 1.
Selon le mode de réalisation représenté, le circuit résonant 11 comporte au moins un résonateur L1 en série avec au moins un premier élément capacitif Cl de valeur réglable et également en parallèle avec au moins un deuxième élément capacitif C3 de valeur réglable. Les éléments Cl et C3 sont commandés par un circuit 15 (CTRL) . Le rôle du circuit 15 est d'adapter l'impédance du circuit résonant 11 pour optimiser la récupération d'énergie. Le dispositif 1 comporte d'autres circuits et fonctions non représentés qui sont alimentés par la batterie 14. Par ailleurs, le circuit 15 peut recevoir des informations ou consignes d'autres circuits, par exemple un microprocesseur du dispositif 1.
On prévoit de régler les valeurs des éléments capacitifs Cl et C3 pour maximiser le transfert d'énergie jusqu'à une certaine limite afin de ne pas endommager les circuits électroniques connectés au circuit résonant 11, ni le circuit résonant lui-même.
En effet, en fonction de la distance et de la position entre la borne 2 et le dispositif ou transpondeur 1, et pour des valeurs données des éléments inductif et capacitifs, le couplage k varie fortement et la puissance du champ reçue par le circuit résonnant 11 varie également fortement. Cela engendre des variations importantes de la tension développée aux bornes du résonateur Ll, donc du circuit résonant 11. Cette tension pouvant atteindre plusieurs dizaines de volts peut excéder la tension que sont susceptibles de supporter les circuits électroniques du dispositif 1, qui n'est généralement que de quelques volts, ou à l'inverse être si faible que l'énergie récupérée n'est pas suffisante pour charger la batterie 14.
Pour protéger les circuits contre des surtensions, les solutions usuelles utilisent des circuits de limitation de la tension de sortie du circuit de redressement. Toutefois, ces solutions nécessitent que les éléments constitutifs du pont redresseur 12 et, plus généralement, que tous les éléments entre le circuit résonant 11 et le redresseur 12 soient capables de supporter les éventuelles surtensions aux bornes du résonateur. En particulier, les diodes ou éléments équivalents assurant cette fonction ont besoin de supporter ces surtensions qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de volts.
Par ailleurs, un courant trop élevé dans le résonateur Ll risque de l'endommager. Les circuits n'examinant que la tension ne protègent pas le résonateur contre un courant trop élevé.
Ainsi, les inventeurs prévoient de modifier l'accord du circuit résonnant pour, non seulement maximiser l'énergie récupérée, mais également assurer la fonction de protection en limitant la tension à une valeur donnée et le courant dans le résonateur.
Pour ce faire, on prévoit de modifier les valeurs respectives des capacités série Cl et parallèle C3 pour adapter l'impédance afin d'optimiser le transfert d'énergie. Par optimiser, on entend, pour une condition de couplage donnée, tirer le maximum d'énergie possible du champ tout en restant dans une plage de tensions acceptable pour les circuits du dispositif 1, et avec des pertes acceptables dans le résonateur.
Afin de préserver la résonance, la somme des valeurs respectives des capacités Cl et C3 doit rester constante pour une fréquence de résonance donnée. Avec cette condition, plus on diminue la valeur de la capacité série Cl (et plus on augmente la valeur de la capacité parallèle C3 pour maintenir la condition sur la somme), plus on augmente le courant dans l'élément inductif et la tension en entrée du pont de redressement, donc l'énergie récupérée.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, le circuit 15 reçoit une information représentative de la tension V récupérée en sortie du redresseur 12 et une information représentative du courant dans le résonateur (l'inductance Ll). Le courant dans le résonateur Ll est, par exemple, mesuré au moyen d'un capteur de courant 16 dans le circuit résonnant 11. Le rôle de la mesure du courant est d'évaluer les pertes dans le résonateur que l'on cherche à minimiser pour une condition de couplage donnée.
La figure 2 représente, de façon partielle, une variante de la figure 1, dans laquelle l'information relative aux pertes dans le résonateur Ll ne provient pas d'une mesure de courant, mais d'une mesure de température dans le résonateur. En effet, les pertes dans le résonateur Ll sont des pertes résistives et provoquent un échauffement du récepteur qui utilise le résonateur Ll. Dans l'exemple de la figure 2, une information représentative de la température du résonateur Ll, mesurée par un capteur 16' de température placé à proximité de celui-ci, est fournie au circuit 15.
Le choix entre une mesure de courant ou de température dépend de l'application et des conditions pratiques liées au placement d'un capteur de température dans le dispositif, à proximité du résonateur.
De préférence, on effectue l'ajustement des valeurs des capacités Cl et C3 en permanence. Par conséquent, on prévoit un traitement en boucle des informations par le circuit 15 dès qu'un champ est capté par le résonateur.
La figure 3 est une représentation très schématique et sous forme de blocs d'un mode de réalisation d'un procédé de réglage des éléments capacitifs Cl et C3 du circuit résonant 11.
Les plages de variations des valeurs des éléments Cl et C3 sont choisies, à la conception du circuit, entre autres en fonction de la valeur inductive du résonateur, de la fréquence de résonance souhaitée et du couplage maximum attendu, donc de l'énergie maximale (la tension maximale) attendue.
De préférence, les valeurs respectives des capacités Cl et C3 sont au repos maximale et minimale (bloc 31, C1MAX ; C3MIN) . Cela garantit que, lorsque le dispositif 1 entre dans le champ d'une borne, il n'y a pas de risque de voir une surtension dommageable se développer aux bornes du circuit résonant. Dès qu'un champ est capté, donc dès qu'une tension est présente en sortie du redresseur 12, on effectue un traitement en boucle de réglage des valeurs des capacités Cl et C3.
On commence par mesurer (bloc 32, MEAS LOSS) les pertes dans le circuit résonant 11 (mesure du courant ou de la température).
On compare alors (bloc 33, LOSS > TH1 ?) la mesure à un seuil TH1 de pertes qui correspond en fait au courant maximal ou à la température maximale afin de ne pas endommager le dispositif de réception et son résonateur.
Si ces pertes sont inférieures au seuil TH1 (sortie N du bloc 33), on peut se permettre d'accroitre l'énergie captée.
On mesure alors (bloc 34, MEAS V) la tension V en sortie du redresseur 12 et on compare (bloc 35, V > TH2 ?) sa valeur à un deuxième seuil TH2 choisi en fonction de la tension maximale que peuvent supporter les circuits du dispositif 1.
Si la tension maximale n'est pas atteinte (sortie N du bloc 35), on peut se permettre d'augmenter l'énergie captée.
On augmente alors (bloc 36, INC C3) la valeur de la capacité parallèle C3 et on diminue (bloc 37, DEC Cl) la valeur de la capacité série Cl afin de modifier l'impédance du circuit résonant. Le pas de réglage dépend de l'application et des éléments capacitifs Cl et C3 choisis.
On revient enfin en entrée du bloc 32 pour continuer à adapter les valeurs de capacité Cl et C3 si nécessaire.
Dans le cas où la tension maximale (seuil TH2) est déjà atteinte (sortie Y du bloc 35), il n'est pas possible d'augmenter l'énergie récupérée sans risquer d'endommager les circuits internes au dispositif. On revient alors en entrée du bloc 32 pour une boucle suivante.
De façon similaire, si les pertes sont déjà supérieures au seuil TH1 (sortie Y du bloc 33) , on ne peut pas augmenter l'énergie récupérée sans risquer d'endommager le résonateur L1. On revient alors en entrée du bloc 32 pour une boucle suivante.
Le mode de réalisation décrit en relation avec la figure 3 est particulièrement simple et présente l'avantage, à condition de couplage donnée, de maximiser l'énergie récupérée tout en protégeant à la fois le résonateur et les circuits électroniques du dispositif 1.
Selon une variante de réalisation, on prévoit d'effectuer un réglage des capacités Cl et C3 dans les deux sens, c'est-à-dire de pouvoir augmenter la valeur de la capacité série Cl (et diminuer la valeur de la capacité parallèle C3) en cours de transfert d'énergie. Cela revient à effectuer cette variation inverse dans le cas où la tension V mesurée est supérieure au seuil TH2 (sortie Y du bloc 35) et/ou dans le cas où les pertes LOSS dans le résonateur sont supérieures au seuil TH1 (sortie Y du bloc 33). Une telle variante permet, par exemple, d'adapter le circuit en cas de modification des conditions de couplage pendant un transfert d'énergie.
Selon une autre variante de réalisation, on prévoit de ne pas démarrer l'adaptation d'impédance par rapport aux valeurs extrêmes des capacités (minimale pour C3 et maximale pour Cl) mais par rapport à des valeurs intermédiaires dans la plage de variation possible. Cette variante est plus particulièrement combinable avec la variante précédente. On veille toutefois à ne démarrer l'adaptation dans des conditions où la valeur de la capacité Cl est si faible que la surtension développée aux bornes du résonateur risque de dépasser le seuil TH2.
Un avantage des modes de réalisation décrits est qu'ils permettent d'optimiser le transfert d'énergie et donc la recharge de la batterie du dispositif 1 tout en protégeant à la fois les circuits du dispositif et le résonateur.
Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix de la valeur des seuils TH1 et TH2 dépend des caractéristiques du résonateur et de la tenue en tension des composants du dispositif, de la capacité du récepteur à dissiper la chaleur issue des pertes résistives, etc. et peut varier d'une application à une autre. De plus, le choix de la plage de variation des capacités Cl et C3 dépend entre autres de la variation de couplage attendu et peut également varier d'une application à une autre. En outre, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier en utilisant les indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des composants électroniques en eux-mêmes usuels.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé d'adaptation d'impédance d'un circuit résonnant (11) comportant au moins un élément inductif (Ll) , au moins un premier élément capacitif (Cl) en série avec l'élément inductif et au moins un deuxième élément capacitif (C3) en parallèle avec l'élément inductif, comportant les étapes de : comparer (33) une première information représentative des pertes (LOSS) dans l'élément inductif à un premier seuil (TH1) ; comparer (35) une deuxième information (V) représentative de la tension aux borne du circuit résonant à un deuxième seuil (TH2) ; et si la première information est inférieure au premier seuil et la deuxième information est inférieure au deuxième seuil, diminuer la valeur du premier élément capacitif et augmenter la valeur du deuxième élément capacitif.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier seuil (TH1) est choisi en fonction du courant maximum que peut supporter l'élément inductif (Ll).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième seuil (TH2) est choisi en fonction de la tension maximale que peuvent supporter des circuits connectés aux bornes du circuit résonant (11).
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel si la première information (LOSS) est supérieure au premier seuil (TH1) et/ou la deuxième information (V) est supérieure au deuxième seuil (TH2), on augmente la valeur du premier élément capacitif (Cl) et on diminue la valeur du deuxième élément capacitif (C3) .
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la variation de valeur des éléments capacitifs (Cl, C3) respecte la condition que la somme de leurs valeurs reste constante.
  6. 6. Dispositif électronique (1), comportant : une batterie rechargeable (14) par couplage résonant ; un circuit résonant (11) comprenant au moins un élément inductif (Ll), au moins un premier élément capacitif (Cl) en série avec 1'élément inductif et au moins un deuxième élément capacitif (C3) en parallèle avec l'élément inductif ; et un circuit (15) de commande des valeurs des éléments capacitifs, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour adapter l'impédance du circuit résonant.
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