Sous-système d'alimentation solaire + batterie pour un nœud IoT agricole distant

1) Objectif et contexte

Un nœud de surveillance distant n’est fiable qu’à la hauteur de son sous-système d’alimentation. Ce sous-système d’alimentation est conçu pour un nœud IoT alimenté par le soleil et soutenu par une batterie, utilisé dans le cadre de la surveillance agricole et de la télédétection. Le nœud doit maintenir un microcontrôleur (MCU) et la logique essentielle en vie 24/7 à partir d’une alimentation continue de 3,3 V, tandis que des rails auxiliaires commutables (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) alimentent des capteurs, des radios et des actionneurs uniquement en cas de besoin via un signal commun EN_AUX. La conception doit tolérer un environnement extérieur hostile (variations de température, humidité, saleté, ESD), supporter des tensions de panneau jusqu’à la plage haute des 20 V typique des modules PV « de classe 12 V », et protéger le pack de batteries Li-ion contre les abus (surtension/sous-tension et événements de courant) avec une visibilité détaillée de l’état de charge.

À un niveau élevé (voir le diagramme fonctionnel fourni), l’énergie circule depuis un connecteur solaire robuste Deutsch DT vers une protection contre les courants inverses et un chargeur solaire MPPT, puis vers un pack de batteries 18650 à 1 cellule (cellules en parallèle pour la capacité). En aval du pack, un eFuse de protection applique l’UVLO/OVLO et la limitation de courant. Un régulateur buck-boost 3,3 V toujours actif alimente le MCU (« 3V3_CNT »). Trois régulateurs auxiliaires (step-up 12 V, buck-boost 5 V, buck-boost 3,3 V) sont contrôlés par EN_AUX pour minimiser la consommation au repos. Un circuit de jauge de carburant rapporte le SoC et la tension au MCU via I²C.

Les décisions de conception sont justifiées ci-dessous avec des alternatives et des compromis. Chaque section se termine par un tableau de comparaison concis. Les citations numériques en ligne utilisent la numérotation entre crochets de style APA (par exemple, [4]) ; la liste complète des références figure à la fin.

2) Entrée solaire et front-end

2.1 Panneau PV et connecteur de terrain

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Le système attend un module PV « de classe 12 V » (≈17–18 V au point de puissance maximale, ≈21–22 V en circuit ouvert, selon la température) connecté via un connecteur étanche Deutsch DT série 2 broches. Les connecteurs DT sont largement utilisés dans l’équipement agricole et hors-route pour leurs joints IP, leur robustesse de verrouillage et leur résistance aux vibrations, réduisant les problèmes d’infiltration d’eau et de contact intermittent courants avec les jacks DC génériques sur le terrain [14]. La tension Voc plus élevée des panneaux « 12 V » est normale et assure la marge pour la charge ; cela est géré par le chargeur MPPT en aval [20]. RS ComponentsAltE Store

Alternatives envisagées. Connecteurs circulaires M8 (capteurs industriels), et jacks barrel non étanches. Le DT a gagné pour l’étanchéité et le verrouillage tactile ; les M8 étanchent de façon comparable mais nécessitent des passe-fils de montage en panneau et coûtent plus cher ; les jacks barrel ont été rejetés pour leur mauvaise protection contre les infiltrations.

2.2 Protection contre les courants inverses et les surtensions (côté PV)

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Un eFuse haute tension avec blocage de polarité inverse/courant inverse (famille TI TPS2660x) protège le système contre les erreurs de câblage et empêche la batterie de réalimenter un panneau à l’obscurité. Comparé à une diode Schottky, l’eFuse évite les grandes pertes par conduction, supporte une limite de courant réglable et tolère les Voc/transitoires ≈30 V dans le pire des cas des panneaux « 12 V » [3]. Texas Instruments

Alternatives envisagées.

Raisonnement : dans un nœud distant, la survabilité l’emporte sur de petites économies de BOM. L’eFuse assure un comportement correct en cas de mauvais câblage, branchement à chaud et baisses de panneau.

2.3 Régulateur de charge solaire MPPT

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. TI bq24650 — un chargeur buck synchrone avec boucle MPPT à tension constante intégrée. Il réduit le courant de charge pour que le panneau fonctionne près de son PMP programmé et supporte une large plage d’entrée PV, idéal pour les modules « de classe 12 V » [4]. L’appareil gère la précharge, la terminaison et l’état ; il charge un pack Li-ion à 1 cellule à 4,2 V (réglable via feedback). Texas InstrumentsFarnell

Alternatives envisagées.

Raisonnement : le bq24650 offre le bon équilibre entre plage d’entrée, efficacité et comportement MPPT documenté pour notre classe de panneau. Si le système privilégiait une BOM minimale plutôt qu’un courant de charge de pointe, le LT3652 serait une alternative crédible. Analog Devices

Note sur la longévité de la batterie. Si le cyclage à long terme est primordial, la tension de charge peut être réduite (par exemple, 4,10 V) pour prolonger la durée de vie des cycles au détriment de la capacité ; la littérature industrielle rapporte de manière cohérente de grands gains de durée de vie de cycle lorsque la charge se fait en dessous de 4,2 V [6]. Nous gardons 4,20 V ici pour préserver la pleine capacité face aux charges de pointe, avec l’option de déclasser ultérieurement via le diviseur de feedback. Battery University

3) Stockage d’énergie : pack de batteries 18650 à 1 cellule

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Un pack Li-ion 1S (1 cellule) construit à partir de plusieurs cellules 18650 en parallèle pour augmenter la capacité et le courant de pointe tout en maintenant le système à 3,0–4,2 V. Cela maintient les convertisseurs en aval efficaces et permet un seul circuit intégré de charge. L’utilisation de cellules réputées (par exemple, Samsung 30Q/35E) garantit une impédance et une durée de vie de cycle cohérentes, importantes pour les démarrages à froid et les rafales radio. Les capacités typiques sont de 3 000–3 500 mAh par cellule (le choix exact relève d’une décision BOM). Pour une longue durée de vie dans les applications à cycle de service, nous évitons la décharge profonde (voir UVLO au §3) et, si nécessaire, pouvons adopter une tension de flottement plus faible conformément à la note ci-dessus [6].

Alternatives envisagées. Li-ion 2S (bus plus haut simplifie le boost 12 V mais augmente le nombre de composants), ou LiFePO₄ 1S (plus sûr/meilleure durée de vie de cycle mais densité d’énergie plus faible, chargeur différent). Nous avons choisi le Li-ion 1S pour minimiser la diversité des circuits intégrés et maintenir une grande efficacité du convertisseur à faible charge.

4) Protection côté batterie (eFuse + superviseurs)

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Un eFuse côté batterie (TI TPS25946) fournit une limitation de courant réglable, UVLO et OVLO, un contrôle de l’inrush et un contrôle de courant inverse. Cet appareil déconnecte proprement le pack des rails en aval lors de défauts (courts-circuits, surtension), limitant le stress et empêchant les latch-ups lors des branchements à chaud des charges. Un superviseur de tension dédié fournit un UVLO précis autour de 3,3 V (pour préserver la santé de la cellule) et un OVLO autour de 4,1 V (utilisé éventuellement si nous choisissons de limiter le bus système pendant la passation de charge). Le FET et la boucle de contrôle intégrés de l’eFuse sont nettement plus prévisibles que les fusibles polymères + MOSFETs discrets dans l’électronique de faible puissance [7]. Texas Instruments

Alternatives envisagées.

5) Rails système, enables et power-gating

Un seul rail 3,3 V toujours actif alimente le MCU et le jauge de carburant. Les rails auxiliaires (12 V, 5 V, 3,3 V_AUX) sont désactivés par défaut et ne sont activés que lorsque des tâches en ont besoin. Cette stratégie de power-gating réduit la consommation au repos en supprimant à la fois le courant de repos du régulateur et les fuites des capteurs lorsqu’ils ne sont pas utilisés. Lorsque les charges ont une grande capacité d’entrée (par exemple, radios, solénoïdes), la séquence d’activation laisse les soft-starts de l’eFuse et du régulateur dompter les courants d’inrush. Si un contrôle d’inrush particulièrement agressif est requis par charge, un petit interrupteur de charge (par exemple, TPS22965) au point de charge du rail peut ajouter un contrôle supplémentaire de vitesse de montée avec un IQ de microampères [17]. Texas Instruments

5.1 3,3 V toujours actif (rail MCU) : buck-boost synchrone TPS63020

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Le TPS63020 maintient 3,3 V sur toute la plage de batterie (≈3,0–4,2 V), passant en douceur du buck au boost. Son mode à 100 % de rapport cyclique minimise les pertes de commutation et le ripple lorsque Vin est légèrement supérieur à Vout (courant à 3,5–3,8 V), ce qui est idéal pour un rail MCU silencieux. Il offre une bonne efficacité à faible charge sans les problèmes de dropout qu’aurait un buck uniquement à proximité de 3,3 V [1]. Texas Instruments

Principales alternatives (et quand elles pourraient l’emporter).

Pourquoi nous avons choisi le buck-boost : nous avons besoin d’une garantie de 3,3 V à tout SoC avec une bonne efficacité et un faible ripple pour le MCU et les périphériques I²C.

5.2 Rail auxiliaire 5 V : buck-boost synchrone TPS63020

Ce rail alimente les périphériques 5 V lorsque EN_AUX est activé. La topologie et le circuit intégré sont volontairement les mêmes qu’au §4.1 pour réduire la diversité de la BOM et réutiliser le savoir-faire de layout. Ici, le convertisseur fonctionne exclusivement en région boost (puisque 3,0–4,2 V → 5 V). Un convertisseur boost uniquement (par exemple, TPS61023) est une alternative valide et peut être légèrement moins cher avec un très faible IQ, mais réutiliser le TPS63020 a simplifié la qualification et la modélisation thermique [10]. Pas besoin de répéter la discussion électromagnétique/compensation déjà couverte au §4.1. Texas Instruments

Différences ciblées par rapport au §4.1 :
• Des charges en rafale plus lourdes sont attendues (capteurs de classe USB, front-ends analogiques), nous dimensionnons donc l’inductance et les condensateurs de sortie en conséquence.
• Puisque le rail est éteint la plupart du temps, son courant de repos à l’arrêt domine — le courant de désactivation du TPS63020 est suffisamment faible pour notre budget [1].

Comparaison ciblée pour 5 V :

5.3 Rail auxiliaire 12 V : boost synchrone TPS61377

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Le TPS61377 délivre 12 V (et plus) depuis le bus 1S avec une capacité de courant de commutation de crête de 6 A et un IQ d’environ 70 µA ; il est bien adapté aux solénoïdes, vannes et instrumentation qui n’ont besoin de 12 V qu’intermittemment. Il supporte le PFM/PWM sélectionnable pour l’efficacité à faible charge et dispose de protections OVP/OCP. Dans notre conception, son enable est lié à EN_AUX [2]. Texas InstrumentsMouser Electronics

Alternatives envisagées.

6) Jauge de carburant et télémétrie

Ce que nous avons utilisé et pourquoi. Jauge de carburant MAX17043 avec l’algorithme ModelGauge du fabricant. Elle rapporte l’état de charge et la tension de la cellule via I²C sans résistance de shunt, minimisant les pertes et simplifiant le layout. Ses seuils de quick-start et d’alerte facilitent la mise en œuvre de comportements robustes de batterie faible sur le MCU [5]. Analog Devices

Alternatives envisagées.

Pourquoi nous avons choisi le MAX17043 : nous avions besoin d’une surveillance détaillée avec un minimum d’overhead BOM/firmware et sans pertes de shunt — idéal pour un nœud contraint en énergie.

7) Notes d’intégration système

1. Power domaining EN_AUX. Le MCU maintient 3V3_CNT toujours actif. Lorsque des tâches nécessitent des périphériques, il active EN_AUX. Les trois régulateurs auxiliaires partagent EN_AUX, mais des enables décalés dans le temps peuvent être ajoutés dans le firmware si les événements d’inrush font baisser le bus. Des interrupteurs de charge (TPS22965) peuvent être ajoutés aux charges individuelles qui nécessitent encore un contrôle de vitesse de montée [17]. Texas Instruments
2. Mise à la terre et layout. Gardez le retour PV, la masse de puissance du chargeur et les régulateurs à découpage sur un plan de masse à faible impédance. Connectez en étoile le retour de l’eFuse/batterie dans ce plan pour éviter les erreurs de mesure dans le réseau de charge/limitation de courant.
3. Comportement brown-in/out. L’UVLO de l’eFuse côté batterie empêche la décharge profonde ; le chargeur MPPT redémarre la charge lorsque le PV se rétablit. Cette coordination évite les boucles « charge-pendant-brown-out ».
4. Points de consigne de charge. Objectif par défaut de 4,20 V ; profil optionnel de 4,10 V pour l’extension de durée de vie selon le §1.3 si une révision future du firmware/BOM échange capacité contre durée de vie de cycle [6].
5. Attentes de tension PV. Les panneaux « de classe 12 V » mesurant ≈22 V en circuit ouvert sont normaux ; la régulation d’entrée (MPPT) du chargeur est conçue exactement pour ce régime [4][20]. Texas InstrumentsAltE Store

8) Évaluation des risques et atténuations

• Réalimentation et mauvais câblage : l’eFuse (côté PV et côté batterie) avec blocage de courant inverse et OVP/UVP réduit considérablement le risque de défaillance sur le terrain comparé aux diodes/polyswitchs seuls [3][7]. Texas Instruments+1
• Contrainte de la batterie : l’UVLO autour de 3,3 V et la coordination thermique/OVLO protègent la santé de la cellule. Utilisez des cellules appariées, maintenez une faible impédance du pack et configurez les minuteries du chargeur de manière appropriée.
• EMI/bruit sur le rail MCU : le mode à 100 % de rapport cyclique du TPS63020 et un bon choix de LC maintiennent le ripple faible en région buck ; placez l’inductance et les condensateurs d’entrée/sortie selon les recommandations de layout de la datasheet [1]. Texas Instruments
• Charges en rafale auxiliaires : pour les solénoïdes/vannes alimentés en 12 V, incluez des TVS locales et des chemins de roue libre si inductifs ; comptez sur l’OCP du convertisseur boost et la limite de courant de l’eFuse côté batterie pour le confinement des défauts [2][7]. Texas Instruments+1

9) Résumés composant par composant avec alternatives

Ci-dessous, chaque bloc ne liste que les détails incrémentaux s’il réutilise des concepts déjà couverts. Cela évite la répétition et se concentre sur les différences importantes.

9.1 Panneau solaire + connecteur

• Choisi : module « 12 V » de classe 25 W, connecteur Deutsch DT-2.
• Pourquoi : robuste, étanche, serviceable sur le terrain ; la marge Voc du panneau est attendue et gérée par le chargeur [14][20]. RS ComponentsAltE Store

9.2 Protection contre les courants inverses (entrée PV)

• Choisi : eFuse TPS2660x jusqu’à 60 V.
• Pourquoi : protection complète (OVP/UVP/ILIM) et faible perte ; meilleur que la diode ou la diode idéale de base pour un nœud déployé [3][8][9]. Texas InstrumentsFarnelldeutschconnectorstore.com

9.3 Chargeur MPPT

• Choisi : bq24650, MPPT de type CV ; Li-ion 1S à 4,20 V.
• Alternatives : LT3652 (buck monolithique 2 A), CN3791 (économique).
• Pourquoi : La plage d’entrée et la documentation solide pour PV font du bq24650 un choix flexible pour les panneaux « de classe 12 V » [4][12][13]. Texas InstrumentsAnalog Deviceslaskakit.cz

9.4 Pack de batteries

• Choisi : 1S-nP 18650 (capacité évolutive par n).
• Pourquoi : Haute densité d’énergie, rail de charge unique ; écosystème commun.
• Note : Charge optionnelle à 4,10 V pour longévité selon le §1.3 [6]. Battery University

9.5 Protection de batterie

• Choisi : eFuse TPS25946 + superviseur pour UVLO/OVLO.
• Alternatives : Protecteurs de classe DW01A (au niveau du pack), ou « pas de protection supplémentaire ».
• Pourquoi : Un comportement système réglable et prévisible l’emporte sur les seuils fixes [7][18]. Texas Instruments+1

9.6 3,3 V toujours actif (MCU)

• Choisi : Buck-boost TPS63020.
• Alternatives : LDO TPS7A02 (critique en bruit, IQ ultra-faible) ; buck TPS62130 (non sûr près de 3,3 V d’entrée).
• Pourquoi : Régulation garantie sur tout le SoC avec bonne efficacité [1][15][11]. Texas Instruments+2Texas Instruments+2

9.7 5 V auxiliaire

• Choisi : Buck-boost TPS63020 (réutilisation).
• Alternative : TPS61023 (boost uniquement) si la réduction de BOM l’emporte sur la réutilisation [10]. Texas Instruments

9.8 12 V auxiliaire

• Choisi : Boost TPS61377.
• Alternative : LT3757/LM3478 SEPIC pour une entrée très large ou des sorties plus élevées [16]. Texas InstrumentsOctopart

9.9 Jauge de carburant

• Choisi : MAX17043.
• Alternatives : bq27441, MAX17048.
• Pourquoi : Pas de shunt, faible overhead, intégration I²C simple [5]. Analog Devices

10) Checklist de vérification

1. Côté PV
   • Avec le panneau connecté et la batterie absente, confirmez que l’eFuse permet la conduction directe et que le bq24650 régule l’entrée près du PMP sous charge.
   • Dans l’obscurité, vérifiez qu’il n’y a pas de courant inverse vers le panneau (fuite au niveau mA uniquement).
2. Paramètres de charge
   • Mesurez les courants de précharge, de charge rapide et de terminaison CV selon les points de consigne de conception.
   • Confirmez que la thermistance (si utilisée) limite la charge par temps froid/chaud (fonctionnalités du bq24650).
3. Protection de batterie
   • Balayez le bus de 2,8 V→3,6 V et confirmez le déclenchement UVLO autour de 3,3 V ; vérifiez le comportement OVLO pendant les transitoires de passation de charge.
   • Court-circuitez le rail 5 V/12 V au bord de la carte avec une alimentation en amont à courant limité ; confirmez la limite de courant de l’eFuse et le comportement de réessai automatique.
4. Rails et enables
   • Avec EN_AUX bas, mesurez le courant de veille (objectif : dominé par le IQ du régulateur 3V3_CNT + MCU).
   • Basculez EN_AUX tout en enregistrant le courant de batterie ; assurez-vous que l’inrush reste dans les limites et que le rail MCU ne chute pas.
5. Jauge de carburant
   • Étalonnez les seuils d’alerte ; confirmez que le SoC suit de manière raisonnable les séquences de charge/décharge sur la plage de température.

11) Conclusion

Cette architecture assure une opération robuste en extérieur avec un contrôle fin de l’alimentation. L’étage bq24650 MPPT maximise la récolte d’énergie des panneaux « de classe 12 V » ; un pack Li-ion 1S simplifie les étages de conversion et maintient l’efficacité ; une stratégie de protection centrée sur l’eFuse renforce le nœud contre les défauts de câblage et de charge ; et les rails contrôlés par EN_AUX garantissent que les charges auxiliaires n’érodent pas la durée de vie en veille. Les composants sélectionnés frappent un équilibre pratique entre efficacité, coût et résilience, et chaque bloc dispose d’alternatives claires si les exigences futures évoluent.

Références

[1] Texas Instruments. (2023). TPS63020 – High efficiency single inductor buck‑boost converter. Datasheet. Source : https://www.ti.com/product/TPS63020
[2] Texas Instruments. (2024). TPS61377 – 23‑VIN, 25‑VOUT, 6‑A synchronous boost converter. Product page and EVM. Source : https://www.ti.com/product/TPS61377 and https://www.ti.com/lit/gpn/tps61377
[3] Texas Instruments. (2021). TPS2660x – 60‑V, 2‑A eFuse with reverse polarity and over‑voltage protection. Datasheet. Source : https://www.ti.com/product/TPS2660
[4] Texas Instruments. (2016/2024). BQ24650 – Stand‑alone synchronous buck battery charger for solar power with MPPT. Datasheet and EVM notes. Source : https://www.ti.com/product/BQ24650 and https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq24650.pdf
[5] Analog Devices (Maxim Integrated). (2016). MAX17043/MAX17044 – 1‑Cell/2‑Cell fuel gauge with ModelGauge. Datasheet. Source : https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17043-max17044.pdf
[6] Cadex Electronics. (n.d.). Battery University BU‑808: How to prolong lithium‑based batteries – effect of charge voltage on cycle life. Source : https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries
[7] Texas Instruments. (2023/2024). TPS25946 – 2.7‑V to 23‑V, 5.5‑A eFuse with bidirectional current support. Datasheet. Source : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps25946.pdf
[8] Analog Devices (Linear Technology). (2010). LTC4412 – Low loss PowerPath controller for ideal‑diode ORing. Datasheet. Source : https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/4412fc.pdf
[9] Texas Instruments (National Semiconductor). (2011). LM5050‑1 – Ideal diode controller. Datasheet. Source : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1.pdf
[10] Texas Instruments. (2020). TPS61023 – 5‑V boost converter with low IQ. Datasheet. Source : https://www.ti.com/product/TPS61023
[11] Texas Instruments. (2017). TPS62130 – 3–17 V, 3‑A step‑down converter. Datasheet page. Source : https://www.ti.com/product/TPS62130
[12] Analog Devices. (2015). LT3652 – Power tracking 2‑A battery charger for solar power. Datasheet. Source : https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3652fe.pdf
[13] Consonance Electronic. (n.d.). CN3791 – 4 A standalone Li‑ion charger with photovoltaic MPPT. Datasheet. Source : https://www.laskakit.cz/user/related_files/dse-cn3791-2.pdf
[14] TE Connectivity. (2018). DEUTSCH DT series connector system – application specification. Document. Source : https://docs.rs-online.com/9955/A700000011098985.pdf
[15] Texas Instruments. (2020). TPS7A02 – 200‑mA, 25‑nA Iq, low‑dropout voltage regulator. Datasheet. Source : https://www.ti.com/product/TPS7A02
[16] Texas Instruments / Analog Devices. (2011+). LM3478 and LT3757 – Wide‑VIN boost/SEPIC controllers. Datasheets. Sources : https://www.ti.com/product/LM3478 and https://www.analog.com/en/products/lt3757.html
[17] Texas Instruments. (2021). TPS22965 – 6‑V, 6‑A load switch with quick output discharge. Datasheet. Source : https://www.ti.com/product/TPS22965
[18] Fortune Semiconductor. (n.d.). DW01A – One‑cell Li‑ion/polymer battery protection IC. Datasheet. Source : https://www.ic-fortune.com/upload/Download/DS-02-0001(7).pdf
[19] Texas Instruments. (2023/2024). TPS61378‑Q1 family – 25‑µA IQ synchronous boost converters (automotive variants, for comparison). Datasheet. Source : https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61378-q1.pdf
[20] altE Store. (2016). How do I read solar panel specifications? Explanation of Voc/Vmp in “12 V” panels. Article. Source : https://www.altestore.com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specifications