Tout profil de charge ne vaut que par l'étage de puissance qui délivre son courant, or la chaîne de puissance analogique est la partie du chargeur le plus souvent traitée comme un détail. La topologie détermine si un chargeur NiMH tourne au frais avec un rendement de 90 pour cent ou dissipe son propre poids en chaleur, s'il maintient un courant constant précis pour une détection -delta-V valide, et s'il peut abaisser une large gamme d'alimentations d'entrée jusqu'à un pack multi-cellules. Cet article compare les régulateurs linéaires et à découpage, développe le convertisseur abaisseur comme étage standard du chargeur NiMH, explique pourquoi le contrôle en mode courant est l'association naturelle pour une chimie contrôlée en courant, et cartographie les compromis rendement-chaleur-encombrement-CEM selon les classes de chargeurs, du chargeur USB à une seule AA aux unités multi-cellules.
Un régulateur linéaire fait chuter la différence entre la tension d'entrée et celle de la batterie dans un transistor de passage, délivrant un courant propre, sans ondulation, avec presque aucune interférence électromagnétique et un nombre de composants minime ; pour une seule cellule depuis une alimentation modeste, c'est bon marché et efficace, et l'absence d'ondulation de courant rend la mesure -delta-V particulièrement propre (Article 6). C'est le choix classique des chargeurs NiMH bon marché à faible courant.
Sa faiblesse est une dissipation égale au courant multiplié par la différence de tension : charger un pack multi-cellules depuis un adaptateur haute tension, ou charger rapidement à 1C, transforme l'étage linéaire en chauffage qui nécessite du cuivre volumineux ou un dissipateur, abaisse le rendement global et ajoute de la chaleur aux cellules mêmes en cours de charge – contre-productif dans un chargeur rapide sensible à la température.
Un convertisseur abaisseur commute une inductance pour abaisser la tension avec un haut rendement – couramment 85 à 95 pour cent –, si bien que peu de puissance est gaspillée en chaleur, permettant des chargeurs rapides compacts et des packs sur une large plage d'entrée ; un abaisseur synchrone remplace la diode de roue libre par un second MOSFET pour gagner quelques points de rendement supplémentaires, avantageux aux courants de charge élevés. Le découpage est la topologie standard partout où le courant, le nombre de cellules ou la chaleur du boîtier rendent la dissipation linéaire intenable.
Le coût est la complexité de conception : choix de l'inductance et du condensateur, compensation de boucle, attaque de grille du MOSFET, et CEM conduite/rayonnée qui doit être filtrée et disposée avec soin ; l'ondulation de découpage apparaît aussi comme un bruit de courant et de tension que la chaîne de mesure doit rejeter, une conséquence directe dont le micrologiciel de terminaison doit tenir compte.
Le NiMH exige un courant contrôlé, la tension n'étant mesurée que pour la terminaison (Article 15) ; le contrôle en mode courant régule le courant de crête ou moyen dans l'inductance directement face à la commande de la machine à états, offrant une limitation de courant inhérente, une réponse rapide aux variations d'entrée et de charge, et un courant de charge stable et bien défini aux niveaux rapide, top-off et trickle. La boucle de courant interne simplifie la délivrance du courant exact supposé par le profil – un prérequis pour un -delta-V et un dT/dt interprétables.
Le contrôleur (un circuit dédié ou un MCU plus pilote de grille) commande la consigne de courant ; l'étage de puissance l'applique cycle par cycle. Les profils multi-étages et pulsés (Articles 2, 13) deviennent des changements de consigne et de rapport cyclique, et la maintenance pulsée une modulation à faible courant moyen que l'abaisseur produit efficacement – des capacités qu'un étage linéaire n'offre qu'en dissipant.
Le choix de topologie suit la relation de tension entrée-batterie : un abaisseur convient quand l'adaptateur dépasse toujours la tension maximale du pack ; des plages larges ou chevauchantes peuvent nécessiter un abaisseur-élévateur ; les entrées USB imposent des contraintes de limitation de courant et d'énumération qui interagissent avec le courant de charge. La saturation de l'inductance doit dépasser le courant de charge rapide avec marge, les capacités d'entrée/sortie doivent maîtriser l'ondulation qui perturbe la mesure, et la conception thermique de l'étage de puissance est coordonnée à la gestion thermique des cellules de l'Article 28 afin que la chaleur du convertisseur ne soit pas prise pour la température des cellules.
À l'échelle multi-cellules, le rendement fixe directement la température du boîtier : un chargeur de 30 W à 85 pour cent dégage 5 W de chaleur en interne, tandis qu'à 93 pour cent il en dégage plutôt 2 W – souvent la différence entre avoir besoin d'une ventilation forcée ou non.
Le bruit de découpage et la mesure de la batterie partagent une carte, donc le routage place la boucle de puissance de façon compacte, utilise une mesure de type Kelvin à la cellule plutôt qu'à travers les chutes des connecteurs, et synchronise l'échantillonnage de tension hors des fronts de commutation (ou filtre sous la fréquence d'ondulation) ; cette co-conception permet à un chargeur à découpage d'atteindre une robustesse de terminaison comparable à celle d'un chargeur linéaire. La première figure oppose les flux de puissance et dissipations linéaire et abaisseur ; la seconde cartographie le choix de topologie selon le courant et le nombre de cellules.
Les modes de défaillance – saturation d'inductance, coupure thermique du découpeur, chute d'entrée sous variation solaire/USB – doivent dégrader le profil de charge en sécurité (maintenir ou réduire le courant) plutôt que de corrompre la terminaison.
Les circuits dédiés de gestion de charge (article suivant) intègrent le contrôle du découpeur avec la terminaison, mais la conception de l'étage de puissance externe reste la responsabilité du concepteur et fixe le rendement et le bruit atteignables. Weijiang fournit les caractéristiques tension/courant côté cellule et la sensibilité à l'ondulation de courant qui aident à régler l'étage de puissance et la mesure pour une terminaison propre. L'article suivant ouvre le circuit de gestion de charge lui-même pour montrer comment l'architecture de contrôle et de terminaison est intégrée dans le silicium.
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