Brevet FR3091794A1 — publié le 20200717

Description Titre de l'invention : INTERFACE ELECTRONIQUE POUR RE- CUPERATION D'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR [0001] La présente demande concerne le domaine de la récupération (l'énergie électroma- gnétique et trouve notamment des applications dans les systèmes dits « autonomes » en énergie tels que les interrupteurs sans fil. [0002] Elle vise plus particulièrement une architecture électronique d'interface entre un étage récupérateur d'énergie électromagnétique destiné à produire un signal AC et un étage (le charge doté d'un moyen permettant de stocker cette énergie à partir d'un signal DC. [0003] Un exemple de circuit 20 conventionnel faisant l'interface entre un étage 10 (le récu- pération d'énergie électromagnétique et un étage de charge 30 dans un système d'interrupteur sans fil est donné sur la figure 1. L'étage de charge 30 est ici formé d'une capacité 31 associée à un émetteur RF 35. 100041 Le circuit d'interface 20 est doté d'un convertisseur AC/DC formé de quatre transistors 21, 22, 23, 24, agencés en pont, et qui permet de redresser un courant alternatif en courant continu. En sortie du convertisseur 20, une diode 25 est typiquement prévue pour empêcher un retour de courant vers l'étage 10 de récupération d'énergie. 100051 Un tel circuit a l'avantage d'être peu couteux à mettre en oeuvre mais a un rendement énergétique en sortie, dans l'exemple illustré sur un noeud au potentiel VTANK de l'ordre de 50% à 55% et que Von cherche à améliorer. 100061 Afin d'augmenter la quantité d'énergie électrique extraite du récupérateur d'énergie tout en minimisant les pertes du convertisseur AC/DC, on pourrait envisager d'utiliser un circuit d'interface de type « buck-boost » et semblable à celui décrit dans le document « A piezoelectric impact-induced vibration cantilever energy harvester from speed bump with a low-power management circuit », de Chen et al., sensors and actuators A254 (2017), prévu cependant dans ce document pour une récupération d'énergie piézoélectrique. Ce type de circuit fait notamment appel à une inductance externe qui le rend couteux. 100071 11 se pose le problème de réaliser un nouveau circuit d'interface entre étage de récu- pération d'énergie électromagnétique et un étage de charge, qui ait un rendement énergétique amélioré et un coût réduit. Exposé de l'invention 100081 Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un circuit électronique 2 d'interface entre un étage de récupération d'énergie électromagnétique et un étage de charge, l'étage de récupération d'énergie électromagnétique comprenant une inductance et étant apte à produire un signal alternatif AC résultant d'une conversion d'énergie mécanique en énergie électromagnétique, l'étage de charge étant doté d'un moyen de stockage de charges électriques, en particulier une capacité, le circuit électronique d'interface comprenant : [0009] - un convertisseur AC/DC pour convertir un signal d'entrée entre une première borne et une deuxième borne connectées en sortie dudit étage de récupération, et produire un signal DC en entrée dudit étage de charge, le convertisseur étant doté d'un redresseur pour fournir un signal redressé à destination dudit moyen de stockage de charges électriques, le circuit d'interface comprenant en outre : [0010] - un premier interrupteur, agencé entre la première borne et la deuxième borne et apte à alternativement connecter ou déconnecter la première borne et la deuxième borne l'une de l'autre, l'état fermé ou ouvert du premier interrupteur étant régi par un premier signal de commande VMS, [0011] - un deuxième interrupteur, disposé entre une sortie du redresseur et l'étage de charge et apte à alternativement connecter ou déconnecter la sortie du redresseur dudit étage de charge, l'état ouvert ou fermé du deuxième interrupteur étant régi par un deuxième signal de commande VSR, le circuit électronique d'interface étant doté en outre : [0012] - d'un bloc de contrôle logique configure pour produire ledit premier signal de commande VMS et ledit deuxième signal de commande VSR, ledit bloc de contrôle étant apte à faire alternativement passer lesdits interrupteurs d'une première configuration à une deuxième configuration et de la deuxième à la première configuration, [0013] la première configuration étant une configuration dans laquelle le premier in- terrupteur est ouvert et le deuxième interrupteur est fermé, de sorte que ladite première borne et ladite deuxième borne sont déconnectées et la sortie dudit redresseur est connectée audit moyen de stockage de charges électriques, [0014] la deuxième configuration étant une configuration dans laquelle le premier in- terrupteur est fermé et le deuxième interrupteur est ouvert de manière à déconnecter la sortie du redresseur dudit étage de charge et connecter entre elles la première borne et la deuxième borne. [0015] Le circuit d'interface alterne ainsi des configurations différentes permettant respec- tivement de réaliser des phases de charge et de décharge de l'inductance, sans faire appel à une inductance externe. [0016] Ces différentes configurations permettent de réaliser un fonctionnement bi-modes avec un premier mode appelé « linéaire » et un deuxième mode appelé « boost », le mode linéaire utilise ladite première configuration des interrupteurs, tandis que le mode « boost » utilise en alternance la première configuration et la deuxième confi- 3 guration. [0017] Avec un tel circuit, on améliore le rendement énergétique tout en limitant le coût des composants. [0018] Le circuit électronique d' interface peut en particulier comprendre en outre un étage de détection dc mode de fonctionnement doté d'un comparateur pour comparer une tension de sortie V0,5, appliquée audit moyen de stockage de charges à une tension égale à un produit R,'i'J'', d'un courant Ter délivré en sortie dudit redresseur et apte à être injecté dans ledit moyen de stockage de charges par une résistance R''' de valeur prédéterminée en fonction de la valeur d'impédance de sortie 12, dudit étage de récupération d'énergie électromagnétique, et générer lorsque ce produit12.,';;L', est inférieur à la tension dc sortie VoL,' un signal de déclenchement Vb', à destination dudit bloc de contrôle logique et apte à déclencher un passage de la première configuration à ladite deuxième configuration du premier mode au deuxième mode. [0019] Le circuit se trouve alors dans un mode dc fonctionnement dit « dc boost » dans lequel le circuit est apte ensuite à alterner une ou plusieurs phases dans ladite première configuration et une ou plusieurs phases dans ladite deuxième configuration. [0020] La valeur dépend du type de récupérateur et est donc adaptée en fonction de l'étage de récupération d'énergie électromagnétique utilisé et de son impédance optimale 120,,,. [0021] Un tel mode de fonctionnement permet de récupérer de l'énergie en particulier sur les alternances du signal fourni par le récupérateur en optimisant l'impédance vue du récupérateur. [0022] Avantageusement, la résistance Rminest telle que : [0023] R',i, =KI .-Rs= K2,12,', avec K2 Raim*Isense il devient préférable d'adopter le mode dc fonctionnement en mode « Boost » car l'impédance de charge dc l'étage récupérateur 110 peut alors être maîtrisée et mise à une valeur Rip,. [0095] Le mode de fonctionnement « Boost » permet d'optimiser la récupération d'énergie du système sur les alternances de plus faible amplitude du signal en sortie de l'étage 110 de récupération. [0096] Le circuit d'interface 120 peut être muni d'un bloc de détection 310 de mode de fonctionnement. Cc bloc 310 est typiquement doté d'un comparateur 311 pour comparer la tension de sortie VOLT au produit [0097] Avantageusement, la résistance est telle que : R,'' = K1 .-Rs= K2 avec K2 R,''*I'''permet ainsi de mettre à un niveau logique '1' le signal VROOST qui, à condition que les signaux Vpor et TOFFD soient également à un niveau logique '1' permet de déclencher une mise à un niveau logique `1' de l'entrée SET d'une bascule RS 337 de l'étage 322, ce qui peut entraîner une mise à un niveau logique '1' du signal TON produit en sortie de l'étage 322, et par conséquent une mise à un niveau logique '0' du signal Top, indicateur de première configuration et résultant d'une inversion du signal TON par un inverseur 341 placé en sortie de la bascule 337. Cela peut permettre ainsi de placer les signaux de commande VsR et VMS dans des états respectifs permettant de mettre le dispositif dans la deuxième configuration des interrupteurs 240, 260. [0104] Dans le mode « Boost », une fois avoir été mis dans la deuxième configuration, le circuit peut être remis dans la première configuration puis mis à nouveau dans la deuxième configuration des interrupteurs. Une alternance d'une ou plusieurs phases de deuxième configuration et de première configuration peut être ainsi réalisée. En mode « Boost », la boucle alterne ainsi au moins une phase de charge de l'inductance L du récupérateur 110 avec un interrupteur de charge 260 fermé pendant une durée D_Ton, puis au moins une phase de décharge de l'inductance L avec un interrupteur de décharge 240 fermé pendant une durée maximale D_Toffmax qui est au plus égale à la durée D_TON de charge. [0105] La durée des phases correspondant à la deuxième configuration est fixée à une durée D_TON. Pour cela, le dispositif est pourvu d'un bloc 290 indicateur d'écoulement de durée de deuxième configuration qui, après réception dudit signal indicateur TON, génère après un délai fixé D_TON, un signal indicateur TOND d'écoulement de durée de deuxième configuration à destination de l'étage 322 du bloc 320 de contrôle logique. Une fois ce délai fixé écoulé, le bloc 320 de contrôle logique peut alors modifier l'état des signaux TON et Torr ce qui déclenche un changement d'état des signaux de commande V's et Vs« et permet de revenir dans la première configuration. [0106] Le bloc 290 indicateur d'écoulement de durée de deuxième configuration peut être par exemple doté d'une ou plusieurs capacités dont le temps de charge détermine le délai D TON fixé. [0107] Un exemple de réalisation particulier du premier bloc 290 est donné sur la figure 9. Dans cet exemple, le signal indicateur To,' d'écoulement de durée de deuxième configuration est délivré par une porte ET 298 dont une entrée reçoit le signal To, ici après avoir été inversé puis ré-inversé par le biais d'inverseurs 292, 296 et dont une autre entrée est reliée à la sortie d'une bascule à seuil 297 non inverscuse qui dépend de la charge d'une capacité C15, lorsqu'elle est connectée à une résistance R15 et n'est pas mise en court-circuit par un interrupteur formé ici d'un transistor M2 dont la grille est commandée par l'inverse du signal TON. Dans cet exemple de réalisation, pour pouvoir régler la durée du délai D TON, on adapte les valeurs respectives de la capacité C15, et de la résistance R15.Une durée maximale D TOFFmax des phases correspondant à la première configuration est également prédéterminée. Pour cela, le dispositif est pourvu d'un bloc 300 indicateur d'écoulement de durée maximale de première configuration pour, après réception du signal indicateur TOFF, générer après un délai prédéterminé D TOFFrnax un signal indicateur To,,,, d'écoulement maximal de durée de première configuration. [0108] Le bloc 300 indicateur d'écoulement maximal de durée de première configuration peut être par exemple doté d'une ou plusieurs capacités dont le temps de charge détermine le délai D_TOFFmax. [0109] Un exemple de réalisation particulier de ce bloc 300 générant le signal Toppr, est donné sur la figure 10. Dans cet exemple, le bloc 300 à une construction similaire à celui du bloc 290 générant le TON, les composants 292, 294, Ris, M25, C15, 296, 297, 298 étant remplacés par des composants 302, 304, R16, M,6, C16, 306, 307, 308 de même type. [0110] Ainsi, dans cet exemple de réalisation, pour pouvoir régler la durée du délai D_TOFFmax, on adapte les valeurs respectives de la capacité C,6, et de la résistance R, 6. [0111] L'écoulement de la première configuration peut être déclenché consécutivement à un changement d'état du signal indicateur Tom-) d'écoulement maximal ou par un signal de détection de seuil de courant VINHN de charge I',', produit par un étage 280 de détection de courant minimal. Cet étage peut être muni d'un comparateur de courant 281, pour comparer le courant IsENsE avec un courant seuil I'fa',. Le signal de détection de courant minimal VINIIN à destination du bloc de contrôle 320 en sortie du comparateur 321 indique, par un changement d'état, par exemple mis à un niveau logique `1' lorsque le courant IsENsE passe en dessous de ce seuil. 16 [0112] Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le bloc 320 de contrôle logique est ainsi configure pour modifier l'état du signal indicateur TON et de l'autre signal indicateur To 'complémentaire de ce dernier, en fonction des états respectifs des entrées R et S de la bascule 337, l'entrée R étant dépendante des signaux ToN, Tom), l'entrée S étant dépendante des signaux Tour, Tom). [0113] La deuxième configuration est signifiée par exemple par une mise à un niveau '1' du signal indicateur TON, tandis que le signal complémentaire To' est mis à '0'. lorsque la deuxième configuration est écoulée, cet écoulement est signifié par une mise à un niveau '1' du signal To', ce qui entraine une mise à '1' de l'entrée R de la bascule 337 et permet, dans la mesure où les signaux Tot, et Tom, sont à '0', un changement d'état des signaux TON et To,' entrainant une mise dans la première configuration. [0114] La première configuration est signifiée par une mise à '1' du signal indicateur Tour, tandis que le signal complémentaire TON est mis à '0'. Lorsque la première configuration est écoulée, cet écoulement est signifié par une mise à un niveau '1' du signal Tom, ce qui est susceptible d'entrainer une mise à '0' de l'entrée S de la bascule 337 et peut permettre, dans la mesure où les signaux Ton et Tom, sont à '1', un changement d'état des signaux TON et TOPE. [0115] La durée fixée D_TON peut être telle que L/2Rs