- De plus en plus de personnes surveillent leur santé par le biais d’appareils médicaux autonomes et portables conçus pour prévenir ou traiter diverses maladies. La télésurveillance des patients à domicile permet d’éviter dans certains cas leur hospitalisation et donc de réduire la pression sur les systèmes de santé et le personnel hospitalier.
- Les appareils électroniques de surveillance médicale, portables et autonomes, intègrent des émetteurs RF chargés de transmettre les données enregistrées sur le patient à une plate-forme de surveillance distante ou au médecin traitant pour leur analyse ultérieure.
- Les instruments médicaux, fournis au patient en vue d’un usage à domicile, alimentés par batterie, doivent évidemment conjuguer un niveau maximal de sûreté et de fiabilité puisqu’ils ne feront pas l’objet d’une surveillance professionnelle quotidienne. Il incombe par conséquent aux fabricants et aux concepteurs de veiller à ce que ces instruments fonctionnent sans interruption avec différentes sources d’énergie et qu’ils soient capables de transmettre les données collectées avec fiabilité via une liaison sans fil.
- Le système de gestion et de conversion de l’énergie de ces instruments doit être robuste, flexible, compact, efficace et peu bruyant. Analog Devices explique, dans cet article, les solutions qui permettent de répondre à de telles exigences.
Auteur : Tony Armstrong, directeur du développement commercial, Analog Devices
Analog Devices, qui propose des produits à usage médical depuis plusieurs décennies, a bien conscience du rôle majeur des composants de haute précision et basse consommation dans l’essor des appareils médicaux portables et sans fil. Ces appareils doivent généralement respecter des normes très strictes en matière de fiabilité, de durée de fonctionnement et de robustesse. Ces contraintes reposent dans une large mesure sur le système et les composants de gestion de l’alimentation. Les appareils de surveillance médicale doivent fonctionner notamment pouvoir basculer avec fiabilité entre différentes sources d’alimentation : batterie, secteur, supercondensateurs, voire collecte d’énergie ambiante.
Les concepteurs de systèmes d’alimentation doivent concevoir un système protégé contre les défaillances, mais également parfois capable de les tolérer afin de maximiser la durée de fonctionnement — en cas d’alimentation par batterie — tout en veillant à la fiabilité du système en conditions opératoires normales dès qu’une source d’alimentation valide est détectée.
Architecture de conversion d’énergie
S’ils génèrent davantage de bruit que leurs homologues linéaires, les régulateurs à découpage affichent un rendement généralement supérieur. Les niveaux de bruit et d’interférences électromagnétiques (EMI) peuvent être aisément gérés dans nombre d’applications sensibles au bruit si le régulateur agit de manière prévisible. Lorsqu’un régulateur à découpage commute à fréquence constante en mode normal, et que les fronts de commutation sont nets et réguliers sans dépassements ni oscillations à des fréquences élevées, les interférences électromagnétiques seront minimes. L’association d’un boîtier de dimensions réduites et d’une fréquence de fonctionnement élevée permet un routage compact sur le circuit imprimé, ce qui minimisera les interférences électromagnétiques. De plus, la combinaison d’un régulateur et de condensateurs céramiques à faible résistance série équivalente (ESR) permet de maintenir l’ondulation de la tension d’entrée et de sortie à un niveau peu élevé. Toutefois, les concepteurs système ne disposent pas tous des compétences requises en matière de conversion de puissance à découpage pour traiter cet aspect de bruits induits.
Nombre de ces systèmes nécessitent par ailleurs plusieurs bus d’alimentation basse tension pour alimenter les capteurs, la mémoire, les cœurs de microcontrôleurs, les entrées/sorties et les circuits logiques basse consommation — sans oublier les contraintes de conception thermique dues à l’absence de circulation d’air ou de dissipation de chaleur.
Dans le domaine des systèmes électroniques médicaux par exemple, de nombreuses applications nécessitent une alimentation continue, même en cas d’interruption de l’alimentation, ce qui implique le recours à une alimentation de secours robuste. La durée de fonctionnement de secours de ces systèmes est généralement définie par le temps dont le système a besoin pour s’arrêter correctement en cas de coupure de la source d’alimentation principale. Ce délai varie de quelques minutes à plusieurs heures, en fonction de l’application finale.
Solution de conception des alimentations de secours
Les supercondensateurs apportent une excellente solution aux systèmes qui exigent une alimentation de secours de forte puissance fonctionnant pendant une brève période. Tout circuit intégré associé à ce type d’application doit généralement être capable de supporter des tensions d’alimentation comprises entre 2,9 et 5,5 V lorsque l’alimentation principale est interrompue. En raison de leur capacité d’énergie crête élevée, les supercondensateurs constituent un choix idéal pour les systèmes dont les applications nécessitent une alimentation de secours qui requièrent une forte puissance crête pendant de brefs intervalles de temps.
Par exemple, le gestionnaire de batteries LTC4041 utilise un convertisseur synchrone bidirectionnel intégré pour charger un supercondensateur en mode abaisseur à haut rendement, ainsi qu’une alimentation de secours en mode élévateur conjuguant un courant élevé et un haut rendement. Lorsqu’une alimentation externe est disponible, ce circuit fonctionne comme un chargeur en mode abaisseur pour un ou deux supercondensateurs, en accordant la préférence à la charge système. Lorsque la tension d’alimentation d’entrée chute au-dessous du seuil réglable de défaillance de la tension d’entrée PFI (Power-Fail Input), le LTC4041 bascule en mode élévateur (boost) pour délivrer jusqu’à 2,5 A à la charge système à partir du supercondensateur. En cas de défaillance de l’alimentation, le contrôleur PowerPath intégré assure un blocage du courant inverse dû à l’inversion de tension, ainsi qu’une commutation sans coupure entre l’alimentation d’entrée et l’alimentation de secours. Le gestionnaire de batterie LTC4041 convient tout particulièrement aux alimentations de secours, que l’on trouve généralement dans les appareils médicaux, les systèmes de comptage, les systèmes d’alarme industriels, les serveurs et les disques durs électroniques (SSD).
Lorsque deux supercondensateurs sont utilisés, un circuit d’équilibrage interne maintient un niveau de tension égal sur chaque supercondensateur et limite leur tension maximale à une valeur prédéterminée. Sa fonction réglable de limitation du courant d’entrée permet d’opérer à partir d’une source de courant limitée tout en donnant la priorité au courant d’alimentation du système par rapport à la charge de la batterie. Un interrupteur sectionneur externe isole l’alimentation d’entrée primaire du système pendant la phase d’alimentation de secours. Le dispositif comprend par ailleurs une fonction de surveillance du courant d’entrée, un indicateur de défaillance de la tension d’entrée (PFI) et un indicateur de défaillance de l’alimentation système. Le circuit LTC4041 comprend en option une protection contre les surtensions (OVP), un Mosfet externe se chargeant de protéger le circuit intégré contre les tensions d’entrée supérieures à 60 V.
Contraintes thermiques et d’encombrement des alimentations
Les concepteurs d’alimentations destinées aux systèmes médicaux soumis à des contraintes thermiques et d’encombrement doivent souvent recourir à un convertisseur abaisseur 5 V compact et à haut rendement afin de minimiser les contraintes thermiques dans un encombrement et une épaisseur minimes.
Le convertisseur Power by Linear LTC3309A répond spécifiquement à ces contraintes de conception thermique et d’encombrement. Ce convertisseur abaisseur continu-continu monolithique compact et à faible niveau de bruit est capable de délivrer un courant de sortie de 6 A à partir d’une alimentation d’entrée comprise entre 2,25 et 5,5 V. Il utilise l’architecture Silent Switcher avec des condensateurs de découplage externes sur les boucles de courant à fort di/dt, pour concilier des interférences électromagnétiques minimes et rendement élevé à des fréquences de découpage pouvant atteindre 3 MHz.
De plus, le LTC3309A est un convertisseur abaisseur continu-continu à fréquence constante fonctionnant en mode courant. Un oscillateur active le transistor interne de puissance supérieur au début de chaque cycle d’horloge. Le courant parcourant l’inductance augmente jusqu’à ce que le comparateur de courant du commutateur supérieur se déclenche et ouvre le transistor supérieur. Le courant de crête de l’inductance auquel l’interrupteur supérieur s’ouvre est contrôlé par la tension sur le nœud ITH. L’amplificateur d’erreur pilote le nœud ITH en comparant la tension aux bornes de la broche FB à une tension de référence interne de 500 mV. En augmentant, le courant de charge provoque une baisse de la tension image de la tension de sortie par rapport à la tension de référence, ce qui amène l’amplificateur d’erreur à augmenter la tension ITH jusqu’à ce que le courant d’inductance moyen corresponde au nouveau courant de charge. Lorsque l’interrupteur du haut se bloque, l’interrupteur synchrone se ferme jusqu’au début du cycle d’horloge suivant ou, en mode d’omission de cycles, au moment où le courant d’inductance tombe à zéro. Si une surcharge provoque la circulation d’un courant excessif dans l’interrupteur inférieur, le cycle d’horloge suivant sera retardé jusqu’à ce que le courant de l’interrupteur recouvre un niveau sûr. Lorsque la broche EN est tirée à l’état bas, le LTC3309A est désactivé et passe en mode de faible courant de repos. Lorsqu’elle passe au-dessus de son seuil, le régulateur à découpage est activé.
Grâce à son architecture de contrôle en mode courant crête à fréquence constante, le convertisseur LTC3309A peut fournir une réponse rapide sur les transitoires de charge, avec un minimum de valeur de capacité de sortie. Une tension de référence de 500 mV autorise des sorties basse tension, tandis que la possibilité de monter à un rapport cyclique de 100 % permet de réduire la tension de déchet entre tension d’entrée et tension de sortie. Parmi les autres caractéristiques figurent un signal Power Good qui indique que la tension de sortie est dans sa plage de régulation, un seuil de marche/arrêt de haute précision, une protection contre les surtensions en sortie, un dispositif de protection thermique (arrêt du découpage), une fonction de surveillance de la température, une synchronisation de l’horloge, une sélection du mode de fonctionnement et une protection contre les courts-circuits en sortie. Le convertisseur LTC3309A est disponible en boîtier compact LQFN 12 contacts 2mm ×2 mm.
