Brevet FR2951034A1 — publié le 20110408

La présente invention à pour objet un dispositif électronique de contrôle d'alimentation. Le terme alimentation, au sens de la présente invention, désigne le moyen de fourniture de l'énergie électrique. Cette invention s'applique particulièrement au sein de dispositifs électroniques portables comme des lecteurs de carte à puce, calculatrice ou console de jeu. Ces produits nomades utilisant des sources d'alimentation de type batterie, nécessitent parfois de manière intermittente des besoins en tensions et/ou courants différents. Par exemple, dans un lecteur de carte à puce grand public ne disposant pas d'interrupteur marche/arrêt, au sens de l'interruption totale de l'alimentation électrique, le dispositif est, en général, en mode « veille », mode durant lequel le microprocesseur est uniquement chargé de surveiller un événement externe, comme par exemple, l'introduction d'une carte à puce. Dans ce mode veille, le dispositif est toutefois alimenté par les batteries Lors de l'introduction de la carte à puce, le besoin en tension sera beaucoup plus important (alimentation de la puce de la carte et mise en mode « travail » du microprocesseur du lecteur). De plus, lors de l'affaiblissement des capacités énergétiques de ces batteries, dû au temps d'utilisation de ces produits, les tensions et courants encore disponibles ne permettent plus de garantir un fonctionnement optimal. Dans ces produits dits « grand public » et d'un prix de revient faible, la solution généralement adoptée ne permet pas d'optimiser la durée de vie de batteries internes. Il est donc nécessaire de les changer assez souvent ou de connecter une alimentation extérieure reliée au réseau électrique général. La présente invention pallie ces inconvénients. Elle vise un dispositif électronique du type en question apte à délivrer la puissance électrique nécessaire au fonctionnement d'un produit portable grand public lorsque l'on nécessite, au moins, deux tensions différentes à, au moins, deux moments différents et permettant d'augmenter sensiblement la durée de vie des sources d'énergie. Ce dispositif électronique de contrôle d'alimentation, comprenant au moins deux sources d'énergie distinctes, un module de contrôle et au moins un interrupteur de contrôle se caractérise en ce que ledit interrupteur de contrôle (S) commande la mise en série ou en parallèle desdites sources d'énergie. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 présente une vue synoptique simplifiée du principe de fonctionnement dudit dispositif. Le principe global repose sur l'utilisation d'au moins deux sources d'énergie B1 et B2 de même tension et d'un interrupteur S. Lorsque S est ouvert, B I et B2 sont disposées en parallèle et délivrent chacune une tension V égale à leur tension propre moins la valeur de tension aux bornes des diodes Dl ou D2. Lorsque S est fermé, B1 et B2 se trouvent en série et la tension disponible en V sera donc la somme des tensions délivrée par B1 et B2. Ce dispositif simple et peu couteux permet donc de délivrer deux tensions différentes à l'aide d'une seule commande d'interrupteur. Ainsi, en se référant à la figure 1, ce dispositif électronique de contrôle d'alimentation, se caractérise en ce que ledit module de contrôle est constitué d'au moins : un premier sous-module SM1 formé par la mise en série d'une première diode (Dl) et d'une desdites source d'énergie (B 1), le pole négatif de ladite source d'énergie (B 1) étant relié au référentiel zéro volt, le pole positif de ladite source d'énergie (B 1) étant relié à un premier point de connexion (B), lui-même connecté à l'anode de ladite diode (Dl) et sa cathode à un troisième point de connexion (V). - un second sous-module (SM2) formé par la mise en série d'une seconde diode (D2) et d'une desdites source d'énergie (B2), le pole négatif de ladite source d'énergie (B2) étant relié à un second point de connexion (C), le pole positif de ladite source d'énergie (B2) étant relié audit troisième point (V), l'anode de ladite diode (D2) étant reliée audit référentiel zéro volt et sa cathode au second point de connexion (C). La figure 2 présente une vue synoptique plus complète d'un mode de réalisation dudit dispositif appliqué au domaine d'un lecteur de carte à puce connectable à un ordinateur hôte de type PC et sa carte à puce associée. Dans ce mode de réalisation, lorsque que le lecteur est connecté, par exemple, à une connexion USB à l'ordinateur hôte, il est possible de récupérer une source d'énergie délivrée par ladite connexion USB. Dans ce cas, les sources d'énergie du lecteur doivent être déconnectées afin de ne pas les décharger. Dans ce mode de réalisation, on utilise au moins deux sources distinctes d'énergie électrique (B1 et B2), chaque source d'alimentation délivrant une tension de 3 volts, ainsi que l'alimentation électrique pouvant être amenée dans le dispositif par une connexion à un ordinateur hôte. Dans cet exemple, il s'agit de la connexion USB bien connue de l'homme de l'art. Dans cet exemple de réalisation, l'application est destinée à un lecteur de carte à mémoire et spécifiquement de carte à puce, également bien connue de l'homme de l'art. Ces cartes à puces fonctionnent généralement avec une tension d'environ 5 volts. Le dispositif est contrôlé par deux signaux permettant la commutation série/parallèle de B1 et B2 pour obtenir une tension théorique utile de, respectivement, 3 et 6 volts. Les interrupteurs S 1 à S4 s'ouvrent et se ferment en fonction de l'état logique du signal de commande C 1. Les règles de fonctionnement des interrupteurs entre eux sont les suivantes : • Règle 1 (R1) : Les interrupteurs S1 et S3 sont toujours dans un état opposés à S2. C'est à dire qu'ils seront toujours fermés lorsque S2 sera ouvert et inversement. • Règle 2 (R2) : Les interrupteurs S4 et S6 sont toujours en 5 opposition. C'est à dire que si S4 est ouvert, S6 sera fermé et inversement et si S6 est ouvert, S4 sera fermé et inversement. • Règle 3 (R3) : S4 sera automatiquement fermé lorsque l'on connectera le dispositif à une connexion USB d'un ordinateur hôte. 10 On peut maintenant résumer le fonctionnement et les 3 résultats obtenus de l'état de ces interrupteurs dans le descriptif ci-dessous. • MODE 1 : Dans ce mode, Cl est à la valeur logique «0 ». S2, commandé par Cl, est donc ouvert. D'après R1, S1 et S3 sont donc fermés. D'après R3, comme la connexion USB n'est pas engagée, S4 sera ouvert et, d'après R2, S6 sera fermé. Les deux sources d'alimentations B1 et B2 sont donc connectées en parallèle. La tension obtenue en V2 sera donc la tension d'une seule source d'énergie, B1 et B2 fournissant la moitié du courant nécessaire à l'électronique alimentée par V2. Dans ce mode, la durée de fonctionnement électrique du lecteur sera donc, au moins, de deux fois celle obtenue avec une seule source. Ce premier mode est destiné au fonctionnement du lecteur de carte lorsqu'aucune carte à puce n'est introduite. Ce peut-être dans un mode VEILLE (le microprocesseur du lecteur est en sommeil) ou pendant le fonctionnement NORMAL du lecteur (avec la carte à puce non connectée). • MODE 2 : Dans ce mode, Cl est à la valeur logique « 1 ». S2, commandé par Cl, est donc fermé. D'après R1, Si et S3 sont donc ouverts. D'après R3, comme la connexion USB n'est pas engagée, S4 sera ouvert et, d'après R2, S6 sera fermé. Les deux sources 15 20 25 30 d'alimentations B I et B2 sont donc connectées en série. La tension obtenue en V2 sera donc le double de la tension d'une seule source d'énergie, B1 et B2 fournissant chacune le courant nécessaire à l'électronique alimentée par V2. Ce second mode est destiné, par exemple, au fonctionnement du lecteur de carte lorsqu'une carte à puce est introduite dans le lecteur et nécessite d'être alimentée pour fonctionner. • MODE 3 : Dans ce dernier mode, d'après R3, comme la connexion USB est engagée, S4 sera fermée et, d'après R2, S6 sera ouvert. La tension obtenue en V2 sera donc la tension fournie par l'ordinateur hôte via la connexion USB. Dans ce mode les deux sources d'énergie (B l et B2) sont déconnectés de l'électronique du lecteur et, donc, aucun courant ne sera fourni par elles. L'interrupteur S5, dans ce mode, sera fermé lorsque la tension disponible en VDD sera stabilisée et donc envoyée vers V1 qui est connectée, dans notre exemple de réalisation, à la carte à puce. La figure 3 présente un exemple de réalisation électronique de l'invention. Dans ce mode de réalisation a été employée une technologie largement répondue et connue de l'homme de l'art pour sa facilité d'emploi et 20 son bas coût. On y retrouve le descriptif fonctionnel du mode de réalisation décrit à la figure 2 avec quelques différences liées à l'optimisation de cette innovation pour un lecteur de carte spécifique et sa carte à puce associée. Les transistors Tl, T2, T4, T5 et T6 sont de technologie P-MOS, T3 de technologie N-MOS. Le transistor T7 est un transistor bipolaire de type PNP. Les deux 25 batteries B1 et B2 utilisées sont de type CR2032, délivrant chacune une tension nominale de 3 volts. Dans ce mode de réalisation, la tension VDD est délivrée à l'électronique du lecteur de carte. La tension VCC, destinée à être délivrée à la carte à puce, est contrôlée par le signal SC_POFF. En effet, dans un mode de 30 réalisation privilégié, le lecteur peut décider d'alimenter ou non la carte à puce 10 15 pour un souci évident d'économie d'énergie des batteries, la carte en étant l'élément le plus consommateur. La tension V_USB est l'alimentation délivrée par l'ordinateur hôte via la connexion USB. Un nouveau signal de commande FULL_BAT, par rapport à la figure 2 a été rajouté. Ce signal permet de gérer le mode particulier de « veille » du microprocesseur de l'électronique interne du lecteur. En effet, lorsque le lecteur n'est pas utilisé, ce qui est la majorité du temps, il est toutefois alimenté par les batteries B1 et B2 alors placées en parallèle, Lorsque le microprocesseur est placé en mode « VEILLE », il ne consomme qu'un très faible courant, inférieur à 1 micro-ampère. Les deux batteries peuvent donc se décharger l'une dans l'autre et leurs durée de vie s'en trouvera fortement affectée. Nous verrons en détail comment l'utilisation de ce signal FULL_BAT améliore très sensiblement ce problème. Nous allons décrire maintenant le détail du fonctionnement des différents états possibles de ce dispositif d'alimentation. ^ ETAT 1 - Mode Veille : Les signaux LOW_VOLTAGE et FULL_BAT sont positionnés à la valeur VDD. La connexion USB n'est pas engagée, donc V_USB = 0. Les transistors Ti, T2, T6 et T7 sont bloqués. T3 et T4 sont conducteurs. T 1 étant bloqué, seul B2 délivrera un courant. La valeur de la tension VDD sera la tension de B2 moins la tension aux bornes de la diode interne de T4 (environ 0.6 volts). ETAT 2 - Mode normal: Le signal LOW_VOLTAGE est positionné à la valeur VDD, FULL_BAT est positionné à zéro volts. La connexion USB n'est toujours pas engagée, donc V_USB = 0 (T5 non utilisé). Les transistors T2, T6 et T7 sont bloqués. Tl, T3 et T4 sont conducteurs. Les deux batteries Bl et B2 sont donc placées en parallèle et délivrent chacune la moitié 25 5 10 15 2025 du courant nécessaires pour alimenter l'électronique interne du lecteur. ^ ETAT 3 - Mode carte : Les signaux LOW_VOLTAGE et FULL_BAT sont positionné à zéro volt. La connexion USB n'est toujours pas engagée, donc V_USB = 0 (T5 non utilisé). Les transistors T3 et T6 sont bloqués. T2 et T4 sont conducteurs. T7 étant conducteur, Ti sera bloqué et les deux batteries B1 et B2 seront positionnées en série. VDD sera donc égale à la somme des deux tensions délivrées par B1 et B2, soit, dans un mode privilégiée de l'invention, environ 6 volts. Dès lors, l'électronique de commande, si une carte à puce à été insérée, peut décider d'alimenter la carte en positionnant de façon adéquate la valeur du signal SC_POFF et, donc, rendant passant T6 et délivrant VCC=VDD. ^ ETAT 4 - Mode USB : La connexion USB est engagée, donc V_USB = 5 volts. Les transistors T2 et T4 sont bloqués, T3 est passant. B1 et B2 sont donc positionnées en parallèle et la tension (VG-T5) aux bornes de la grille de T5 sera la valeur de la tension de B2. Comme la valeur de la tension (VS-T5) sur la source de T5 est d'environ V_USB moins la chute de tension aux bornes de la diode de structure de T5, la tension (VGS-T5) entre la grille et la source de T5 est donc négative, T5 sera alors conducteur. Dès lors, VDD est égale à V_USB. Comme T4 est bloqué les batteries B1 et B2 ne sont pas sollicitées dans ce mode. On pourra aisément visualiser l'analogie entre les figures 1 à 3 et on pourra lire, indifféremment, dans le reste du document, les références à l'une ou l'autre des figures fonctionnellement identiques. Par exemple, l'interrupteur (S) de la figure 1 est équivalent à (S2) de la figure 2 et (T1) de la figure 3. Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'obtenir une tension variable comprise entre la valeur de tension fournie par B1 et B2 placées en parallèle jusqu'à la valeur de tension fournie par B I et B2 placées en série. Ce mode peut être réalisé aisément par l'homme de métier en faisant varier successivement le signal LOW_VOLTAGE de sa valeur basse tension à haute tension, par le biais, par exemple, d'une commande de type PWM (Pulse Width Modulation) ou PFM (Pulse Frequency Modulation) bien connue de l'homme du métier.10 REVENDICATIONS1. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation, comprenant au moins deux sources d'énergie distinctes, un module de contrôle et au moins un interrupteur de contrôle caractérisé en ce que l'interrupteur de contrôle (S) commande la mise en série ou en parallèle desdites sources d'énergie. 2. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module de contrôle est constitué d'au moins : un premier sous-module SM1 formé par la mise en série d'une première diode (Dl) et d'une desdites source d'énergie (B1), le pole négatif de ladite source d'énergie (B 1) étant relié au référentiel zéro volt, le pole positif de ladite source d'énergie (B 1) étant relié à un premier point de connexion (B), lui-même connecté à l'anode de ladite diode (Dl) et sa cathode à un troisième point de connexion (V). - un second sous-module (SM2) formé par la mise en série d'une seconde diode (D2) et d'une desdites source d'énergie (B2), le pole négatif de ladite source d'énergie (B2) étant relié à un second point de connexion (C), le pole positif de ladite source d'énergie (B2) étant relié audit troisième point (V), l'anode de ladite diode (D2) étant reliée audit référentiel zéro volt et sa cathode au second point de connexion (C). 3. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit interrupteur de contrôle (S) est connecté entre 25 lesdits points de connexion (B) et (C). 2951034 ' 10 4. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture dudit interrupteur de contrôle (S) entraine la mise en parallèle desdites sources d'énergie (B1, B2). 5. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon les revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que la fermeture dudit interrupteur de contrôle (S) entraine la mise en série desdites sources d'énergie (B1, B2). 6. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un second signal de contrôle (FULL_BAT) permet la déconnection électrique d'une desdites sources d'énergie (B1, B2) 10 lorsqu'elles sont connectées en parallèle audit troisième point de connexion (V) 7. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un troisième signal de contrôle (V_USB) permet, d'une part de déconnecter lesdites sources d'énergie (B1, B2) dudit 15 troisième point de connexion (V) et d'autre part, de connecter une troisième source d'énergie audit troisième point de connexion (V). 8. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite troisième source d'énergie est délivrée par la connexion USB connectée à un ordinateur hôte. 20 9. Dispositif électronique de contrôle d'alimentation selon les revendications précédente, caractérisé en ce que la tension disponible audit point de connexion (V) peut varier de : - la tension de ladite première source d'énergie (B1) ou de la tension de ladite seconde source d'énergie (B2), - jusqu'à la tension de ladite première source d'énergie (Bl) plus la tension de ladite seconde source d'énergie (B2) en modulant ledit signal de contrôle (S).