Carte alimentation

Introduction & Fonctionnalités

La carte alimentation permet à partir d’une batterie plomb 12V, de sortir les tensions suivantes :

  • 5V @ 3A (Electronique « propre » du robot)
  • 6V @ 3A (Non utile pour le moment)
  • 24 @ 1,2A (Capteur industriels, etc..)

Lorsque l’on branche une source d’alimentation externe au robot (d’une tension comprise entre 8V et 18V), celle-ci alimente le robot (batterie 12V déconnecté) et recharge en même temps la batterie 12V, et également la batterie 24V (qui sert à alimenter nos moteurs).

La schématique de la carte est séparée en plusieurs parties afin que les blocs qui la constitue puisse être facilement réutilisables dans d’autres design électronique. La partie de gauche concerne les entrées de la carte, le milieu le traitement (sélection d’alimentation, régulation, vumètre, etc..) et enfin les blocs de droites sont les sorties.

(voir le schéma Eagle pour une visualisation plus simple)

Bloc Entrées

Le bloc entrées comporte deux parties qui sont identiques, une concerne l’entrée batterie, et l’autre l’entrée alimentation externe (que nous nommons Nestor). Chaque partie comporte une protection en tension (la diode SMBJ30A) couplée à un polyswitch (protection courant). Lorsqu’un défaut est détecté (over tension), la diode devient passante et se met en court-circuit. Le polyswitch détecte le court-circuit et devient bloquant. La tension et courant max sont définissables en choisissant le polyswitch et la diode adéquate.

Nestor Light Edition

Cette section permet de gérer la charge de la batterie 24V une fois que l’alimentation secteur est branchée. L’objectif est de sortir une tension de 28V (correspond à la fin de charge batterie) et de limiter le courant de sortie à 300mA approximativement (à partir d’une tension d’entrée comprise entre 8 et 18V). Une première approche avait été effectuée sur la V1.0 de la carte, avec le composant LT1618. Ce step-up intégrait également une fonctionnalité de limitation de courant. Malheureusement, ce composant chauffait trop nous devions limiter le courant de charge à 60mA.

Dans la V2.0 de la carte, nous utilisons dans un premier temps le TPS61175 afin d’élever notre tension à 28V et dans un deuxième temps un L200C afin de limiter le courant allant vers la batterie.

Step Up de tension

Le TPS61175 est un régulateur à découpage permettant d’élever la tension à 28V. Il faut d’abord choisir une fréquence de hachage, celle-ci peut être choisie à l’aide de la résistance branchée à la pin FREQ. Une plus haute fréquence permet de choisir des plus petits boitiers d’inductance, mais fournit un moins bon rendement.

La tension de sortie peut être choisie à partir des résistances R20 et R21 en sortie du régulateur et reliées à FB. La tension peut être calculée à partir de la relation suivante : Vch = 1.229 x (R21/R20+1).

Régulation en courant

Le L200C permet de réguler le courant (et accessoirement de réguler une tension, mais nous ne nous servirons pas de cette fonctionnalité ici). Il suffit de placer une résistance entre LIM et OUT pour sélectionner le courant à laisser passer. Une résistance d’1 Ohm permet de fournir approximativement 300mA, une 2.2Ohm 190mA… etc..

La batterie est branchée en sortie du L200C, en prenant soin de mettre une diode entre les deux afin d’éviter les inversions de courant de la batterie vers le circuit.

Sélection Alimentation

Au branchement du l’alimentation externe, la batterie doit être coupée du reste du circuit. Le LTC4412HV est un composant qui permet de contrôler des transistors MOS lorsqu’une deuxième source d’alimentation est détectée. Par défaut, le composant détecte une deuxième source via sa pin SENSE (si celle-ci est supérieure à Vin). Mais cela impose que la deuxième source ait une tension supérieure à Vin. Dans notre cas, vu que la première source est une batterie, sa tension augmente au cours de la charge. Cela peut provoquer des bugs si nous utilisons une alimentation 12V par exemple.

Nous utilisons donc la pin CTL qui permet systématiquement de choisir l’alimentation externe lorsque celle-ci est présente, peu importe que sa tension soit supérieure ou inférieure à celle de la batterie. Cependant, la pin CTL n’est active dès que sa tension dépasse 1.5V. Attention donc aux chutes de tension lors du débranchage de l’alimentation, car la batterie ne redevient active que lorsque la pin CTL passe en dessous de 0,35V. Un pont de résistance permet de réduire ce gap de tension.

Une fois l’alimentation externe branchée, les transistors MOS deviennent bloquant et le courant d’alimentation du reste du circuit passe à travers D5.

Chargeur de batterie

Le chargeur de batterie est constitué du LT1512. Ce composant permet de charger une batterie quelle que soit la tension d’entrée du circuit. Cependant, cette tension d’entrée ne doit pas dépasser la valeur 40V-Vbat. Aussi, pour une batterie 12V, la tension d’entrée ne doit pas dépasser 28V.

La tension finale de charge est sélectionnée via les résistances R14 et R13 de par la relation suivante :

Ensuite, le courant de charge peut être choisi via la relation suivante :

Ich (A) = 0.1 / R16

Barre Graphe

Le barre-graphe permet de vérifier l’état de la batterie 12V à l’aide de 4 leds témoins. Le MAX969 est un composant constitué de 4 comparateurs de tension. Il est également capable de générer une tension de référence de 1,2V. Nous comparons cette tension à notre 12V batterie (qui elle-même est diminuée par des ponts de résistances). Le calcul des valeurs des résistances se fait en fonction des seuils de tension de la batterie désirés. Lorsque le seuil est dépassé, le comparateur va générer un état bas en sortie, créant une différence de potentiel aux bornes de la diode. Celle-ci s’allume alors.

Les diodes sont placées sur une petite carte externe, chacune entre le 5V et la sortie d’un comparateur.

Régulation 5V/6V

Le 5V et le 6V sont générés à partir du 12V batterie par le biais du TPS5430. Ces composants sont des régulateurs à découpage permettant un haut de débit de courant (jusqu’à 3A typiquement). Ils sont protégés en température et contre les courts-circuits. Ils acceptent une tension d’entrée jusqu’à 18V.

La tension de sortie peut être sélectionnée via les résistances en sortie (R1 et R2 pour le 5V, R5 et R6 pour le 6V). La relation qui permet de déterminer cette tension est la suivante :

Note : ces composants sont fournis dans un boitier PowerPad. Ils comportent une zone en dessous qu’il est préférable de relier au plan de masse, pour une meilleure dissipation de chaleur.

Régulation 24V

La régulation 24V est générée par le même step-up utilisé dans le Nestor Light : le TPS61175. Le montage est similaire, les seuls changements consistent dans les résistances en sortie afin de réguler à 24V.

Bloc Sortie

Le bloc sortie n’a rien de sensationnel, il consiste simplement à des emplacements pour des éventuelles capacités (découplage et réserve d’énergie pour le cas ou) ainsi que de quelques LEDs afin de s’apercevoir de la disponibilité des différentes tensions.