Brevet FR3160521A1 — publié le 20250926

L'invention concerne un procédé de détermination de la présence d’un corps métallique étranger à l’interface entre un émetteur NFC (1) comprenant au moins un MOSFET (5) et un appareil électrique à charger (11), comprenant les étapes consistant à : - mesurer la tension drain-source (V ds ) du MOSFET (5), - déduire de cette mesure une valeur (OE i ) représentative de la présence dudit corps, - émettre un signal et/ou interrompre le cycle de charge lorsque ladite valeur (OE i ) atteint un seuil prédéterminé (OE seuil ). (Fig. 1) Procédé de détermination de la présence d’un corps métallique étranger à l’interface entre un émetteur NFC et un appareil électrique à charger La présente invention se rapporte au domaine du chargement sans fil des appareils électriques. Des appareils électriques nécessitant une faible puissance de charge, tels que des écouteurs intra-auriculaires, des porte-clés ou des montres connectées, peuvent être chargés sans fil par des émetteurs NFC (« Near Field Communication » - Communication en Champ Proche). Le cycle de charge s’effectue en plaçant l’appareil électrique à proximité de l’émetteur, de manière à pouvoir provoquer par induction un courant de charge à l’intérieur de l’appareil électrique. Jusque récemment, cette technologie NFC ne permettait de recharger que des appareils électriques de puissance très faible, c’est-à-dire inférieure à 1W. Avec l’utilisation de MOSFET (« Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor » - Transistor à Effet de Champ à structure Métal-Oxyde-Semiconducteur) dans les circuits des émetteurs NFC, on peut charger des appareils électriques dont la puissance atteint typiquement de l’ordre de 3W, élargissant ainsi le champ d’application de la technologie NFC pour la recharge d’appareils électriques. Un inconvénient inhérent à l’utilisation de la technologie NFC pour recharger les appareils électriques est la possible intrusion d’un corps métallique étranger dans l’interface séparant l’émetteur NFC de l’appareil à recharger. Un tel corps étranger peut être par exemple une pièce de monnaie, un morceau de papier métallique, etc. Sous l’effet du rayonnement NFC, ce corps étranger peut s’échauffer, ce qui peut présenter un risque de brûlure pour l’utilisateur, voire un risque d’incendie. De plus, ce corps étranger perturbe la transmission de puissance à l’appareil électrique à recharger, dégradant ainsi la qualité de service attendue. Différentes solutions ont pu être explorées pour détecter la présence d’un corps métallique étranger, notamment les méthodes de bilan de puissance et les méthodes de mesure de courant et de tension, ces méthodes pouvant être utilisées seules ou en combinaison. A l’usage, ces méthodes se sont révélées peu fiables - en particulier aux fréquences supérieures à 1 MHz où la mesure de paramètres électriques n’est pas assez précise et/ou le bilan de puissance n’est pas suffisant à lui seul. Il alors été envisagé d’utiliser des mesures de paramètres non électriques tels que pression et température, nécessitant l’utilisation de capteurs coûteux et dont la fiabilité n’était pas toujours au rendez-vous. La présente invention a ainsi notamment pour but de fournir un procédé de détermination de la présence d’un corps métallique étranger à l’interface entre un émetteur NFC comprenant au moins un MOSFET et un appareil électrique à charger qui permette de surmonter ces inconvénients de la technique antérieure. On atteint ce but de l’invention avec un procédé de détermination de la présence d’un corps métallique étranger à l’interface entre un émetteur NFC comprenant au moins un MOSFET et un appareil électrique à charger, comprenant les étapes consistant à : mesurer la tension drain-source du MOSFET, déduire de cette mesure une valeur représentative de la présence dudit corps, émettre un signal et/ou interrompre le cycle de charge lorsque ladite valeur atteint un seuil prédéterminé. Différents travaux de recherches et expérimentations ont en effet permis de mettre en évidence que la tension drain-source (c’est-à-dire entre le drain et la source) du MOSFET contenait des informations fortement corrélées à la présence d’un corps métallique dans l’interface entre l’émetteur NFC et l’appareil électrique à charger. Ainsi, en mesurant la tension drain-source et en lui appliquant des traitements numériques appropriés, on peut en extraire des informations permettant de discriminer les situations dans lesquelles la puissance de charge est au moins en partie transmise à un corps métallique étranger au lieu d’être transmise intégralement à l’appareil électrique à charger. Un tel procédé, ne nécessitant aucune modification matérielle d’un émetteur NFC, mais simplement des modifications algorithmiques, permet d’augmenter considérablement la fiabilité de détection d’un corps métallique étranger dans l’interface entre l’émetteur NFC et l’appareil électrique à charger, et ceci à moindre coût. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l’invention : - on détermine la valeur représentative de la présence du corps métallique étranger à partir des harmoniques de ladite tension drain-source ; - on analyse ladite tension drain-source par transformée de Fourier ; - on utilise en outre le produit de la fréquence fondamentale de la tension drain-source par le courant d’entrée de l’émetteur NFC pour déterminer ladite valeur représentative. La présente invention se rapporte également à un émetteur NFC comprenant au moins un MOSFET, des moyens de mémoire dans lesquels ladite valeur seuil a été préenregistrée, des moyens de mesure de la tension drain-source, et des moyens de calcul de ladite valeur représentative et de comparaison avec ladite valeur seuil. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : FIG. 1 : de manière schématique, un émetteur NFC selon l’invention disposé en vis-à-vis d’un appareil électrique à charger ; FIG. 2 : une série de courbes de la tension drain-source d’un MOSFET faisant partie d’un émetteur NFC selon l’invention, pour différentes positions par rapport à l’appareil électrique à charger, et avec ou sans corps métallique étranger ; et FIG. 3 : une série de graphiques de tension drain-source/fréquence correspondant respectivement aux courbes de la FIG. 2 , après application d’une transformée de Fourier. Comme on peut le voir sur la FIG. 1 , l’émetteur NFC selon l’invention 1 comprend typiquement une entrée de courant continu 3, alimentant notamment au moins un MOSFET 5 présentant une tension drain-source V ds 7 alimentant lui-même au moins une bobine 9 susceptible de charger par induction un appareil électrique 11 formant récepteur disposé en vis-à-vis de l’émetteur NFC 1 et lui-même muni de sa propre bobine d’induction 13. Typiquement, ce genre d’émetteur à MOFSET permet d’obtenir un amplificateur de classe E, apte à charger des appareils électriques dont la puissance peut être de l’ordre de 3 W : ces petits appareils électriques rechargeables comprennent par exemple des écouteurs intra-auriculaires, des porte-clés électroniques, des montres connectées, etc. L’émetteur NFC 1 comprend également des moyens de mémoire, ainsi qu’un microcalculateur permettant notamment, à partir de la mesure de la tension drain-source V ds 7 du MOFSET 5 et du courant d’alimentation 3 de l’émetteur, d’effectuer les opérations qui vont être décrites ci-après. Selon l’invention, on calcule en temps réel une valeur extraite de la mesure de la tension drain-source V ds 7, dont on aura pu s’assurer à travers des expérimentations préalables, qu’elle est représentative de la présence d’un corps métallique étranger dans l’interface entre l’émetteur NFC 1 et l’appareil électrique à charger 11. En l’espèce, il est apparu qu’une valeur fortement représentative pouvait s’exprimer sous la forme : OEi = aH12 + bH22+ + xHi2 (1) où OEi est la valeur indicative de présence d’un corps métallique étranger, H1, …. Hi sont les fréquences harmoniques de la tension drain-source Vds 7, et les coefficients a, b, …. x résultent d’un calibrage préalable de l’émetteur NFC 1. Ce calibrage, réalisé en utilisant différents types de corps métalliques étrangers (par exemple pièce de monnaie, morceau de papier métallique…), est effectué une bonne fois pour toute pour un émetteur NFC donné, et les coefficients a, b, ….., x sont stockés dans la mémoire de l’émetteur NFC 1. Les fréquences harmoniques H 1 , ….., H i sont calculées en temps réel par le microcalculateur de l’émetteur NFC 1, par transformée de Fourier. De manière préférée, et pour gagner en précision, on ajoute à la formule ci-dessus référencée un terme P FOM représentatif de la puissance consommée par le MOFSET 5, obtenu en multipliant l’intensité du courant 3 alimentant l’émetteur NFC par la fréquence fondamentale de la tension drain source V ds : OEi = aH12 + bH22+ + xHi2 + PFOM (2) Cette valeur OE i , calculée en temps réel par le microcalculateur de l’émetteur NFC 1, est comparée à chaque cycle de calcul a une valeur seuil OE seuil , dont on aura pu déterminer au préalable et une bonne fois pour toutes, lors d’opérations de calibrage, qu’elle est indicative de la présence d’un corps métallique étranger dans l’interface entre l’émetteur NFC 1 et l’appareil électrique à charger 11. A titre d’exemple, les courbes 1 à 6 de la FIG. 2 illustrent la tension drain-source V ds du MOSFET 5 au cours du temps, pour différentes positions respectives d’un appareil électrique à charger (« récepteur ») et d’un corps métallique étranger par rapport à l’émetteur NFC 1 : courbe 1 : appareil électrique 11 centré par rapport à l’émetteur 1, sans corps métallique étranger, courbe 2 : appareil électrique 11 sur le côté de l’émetteur 1, sans corps métallique étranger, courbe 3 : appareil électrique 11 centré par rapport à l’émetteur 1, avec corps métallique étranger centré par rapport à l’émetteur, courbe 4 : appareil électrique 11 centré par rapport à l’émetteur 1, avec corps métallique étranger sur le côté de l’émetteur, courbe 5 : appareil électrique 11 sur le côté de l’émetteur 1, avec corps métallique étranger centré par rapport à l’émetteur, courbe 6 : appareil électrique 11 sur le côté de l’émetteur 1, avec corps métallique sur le côté de l’émetteur. Dans ces exemples, les situations considérées comme critiques, c’est-à-dire comme non souhaitables car susceptibles de conduire à une situation de chauffage du corps métallique étranger et/ou de charge incorrecte de l’appareil électrique 11, sont celles des figures 3, 5 et 6. Les graphiques 1 à 6 de la FIG. 3 illustrent respectivement les transformées de Fourier des courbes 1 à 6 de la FIG. 2 . Comme cela est visible sur cette FIG. 3 , les graphiques 3, 5 et 6 sont ceux qui comportent des harmoniques présentant les plus fortes amplitudes, ce qui permet de comprendre pourquoi les formules (1) et (2), utilisant les harmoniques de la tension drain-source V ds susmentionnée, peuvent traduire les situations considérées comme critiques en termes de chauffage d’un corps métallique étranger et/ou de charge incorrecte. Lorsque la valeur OE i atteint la valeur OE seuil , cela indique avec un fort intervalle de confiance qu’un corps métallique étranger se trouve dans l’interface entre l’émetteur NFC 1 et l’appareil électrique à charger 11, et l’émetteur 1 est alors programmé pour émettre un signal à l’attention de l’utilisateur ou bien pour cesser le cycle de charge, afin d’éviter le chauffage du corps métallique étranger et/ou la charge incorrecte de l’appareil électrique 11. A titre illustratif, dans un cas particulier on aura pu utiliser la formule de calcul suivante pour la valeur OE i : OEi = 4.8H32 + H52+ 1.8(H4/H3)2 + 3PFOM et avec une valeur de seuil OEseuil comprise entre 1.86 et 2.04, cette formule a permis de détecter des situations critiques (chauffage d’un corps métallique étranger et/ou charge incorrecte de l’appareil électrique 11) avec 93,6% de réussite. Comme on peut le comprendre à la lumière de la description qui précède, le procédé selon invention permet, uniquement par mise en œuvre d’un algorithme approprié et sans aucune modification matérielle particulière d’un émetteur NFC à MOFSET, de détecter la présence d’un corps métallique étranger dans l’interface entre l’émetteur et l’appareil électrique à charger. Cet algorithme s’avère en pratique très fiable, en particulier dans des plages de fréquences supérieures à 1 MHz, où les méthodes de détection de la technique antérieure font défaut. Dans la présente invention, le MOSFET combine donc deux fonctions : en plus de sa fonction de base permettant de recharger par induction des appareils électriques de relativement faible puissance, et grâce à un algorithme développé spécialement à cet effet, le MOFSET peut remplir la fonction de capteur de présence d’un objet métallique interposé entre l’émetteur NFC et un appareil électrique à recharger. Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Procédé de détermination de la présence d’un corps métallique étranger à l’interface entre un émetteur NFC (1) comprenant au moins un MOSFET (5) et un appareil électrique à charger (11), comprenant les étapes consistant à : mesurer la tension drain-source (V ds ) du MOSFET (5), déduire de cette mesure une valeur (OE i ) représentative de la présence dudit corps, émettre un signal et/ou interrompre le cycle de charge lorsque ladite valeur (OE i ) atteint un seuil prédéterminé (OE seuil ). Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la valeur représentative (OE i ) de la présence du corps métallique étranger à partir des harmoniques (H 1 ,…, H i ) de ladite tension drain-source (V ds ). Procédé selon la revendication 1, dans lequel on analyse ladite tension drain-source (V ds ) par transformée de Fourier. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise en outre le produit (P FOM )de la fréquence fondamentale de la tension drain-source (V ds ) par le courant d’entrée (3) de l’émetteur NFC (1) pour déterminer ladite valeur représentative (OE i ). Emetteur NFC (1) comprenant au moins un MOSFET (5), des moyens de mémoire dans lesquels une valeur seuil (OE seuil ) a été préenregistrée, des moyens de mesure de la tension drain-source (V ds ), et des moyens de calcul d’une valeur représentative (OE i ) et de comparaison avec ladite valeur seuil (OE seuil ), ledit émetteur étant programmé pour émettre un signal ou pour cesser le cycle de charge lorsque ladite valeur (OEi) atteint un seuil prédéterminé (OEseuil).