Contributions à la conception intégrée des circuits d’interface de chargeur des batteries Li-Ion

Abstract

La conception de l'interface de chargeur de batterie Li-Ion utilisée dans les applications mobiles et automobiles requiert des exigences strictes de performance; notamment, celles relatives à la charge rapide de la batterie, à l'efficacité élevée et à la surface réduite. Cette thèse concerne la conception et l’optimisation de deux nouvelles interfaces de chargeur de batterie Li-Ion, l'une utilisant une technique basée sur la commutation et l'autre utilisant la technique de contrôle par impulsions. La première partie de cette thèse traite l’intégration d’un nouveau décaleur de niveau associé à un pilote de grille dans l'architecture de l'interface de chargeur de batterie Li-Ion. Ils sont conçus pour passer de la basse tension du signal de commande à une tension plus élevée. D'autre part, le délai de propagation est considérablement réduit à 0,25ns. Ce circuit proposé est fixé à la grille du transistor PMOS de puissance pour alimenter la charge de la batterie par une action de commutation et pour réguler la valeur pratique du courant dans la batterie. La deuxième partie de cette thèse traite la conception d'une nouvelle interface de chargeur de la batterie Li-Ion utilisant une technique basée sur la commutation. Ce nouveau chargeur de batterie permet d’avoir un chargement complet par des passages à chaque mode de charge (TC, CC et CV) en trente-trois minutes. Avec une tension d'entrée VIN = 4,5V, la tension de sortie de la batterie VBAT peut varier de 2,7V à 4,2V et le courant de charge maximal de la batterie IBAT est égale à 1,7A. Le rendement maximal de la nouvelle interface du chargeur atteint 97% et sa surface totale est seulement de 0.3mm2. La troisième partie de cette thèse traite la conception d'une autre nouvelle interface du chargeur de batterie Li-Ion utilisant la technique de contrôle par impulsions. Ce nouveau chargeur de batterie permet d’avoir un chargement complet en quarante et une minutes en passant par le mode de charge à courant constant CC qui inclut également le mode dedémarrage (Start-Up), et par le mode de charge à tension constante CV. Avec une tension d'entrée maximale VIN égale à 5V, la tension de sortie de la batterie VBAT peut varier de 2,9V à 4,35V et le courant de charge maximal de la batterie IBAT est égale à 2,1A. Le rendement maximal de la nouvelle interface de chargeur atteint 98 % et sa surface totale est seulement de 0,1mm2. Les deux interfaces proposées du chargeur de la batterie Li-Ion, en utilisant la technique basée sur la commutation ou la technique de contrôle par impulsions, atteignent les normes les plus importantes qui sont : le haut rendement, la surface minimisée et la rapidité de charge. Elles sont conçues, simulées sous le logiciel Cadence Virtuoso en utilisant la technologie TSCM 180 nm CMOS.