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Contexte

Des lunettes Google aux bracelets électroniques de pointe pour l’enregistrement d’activité physique, l’affichage tête haute et les appareils de mesure de la pression artérielle, les dispositifs vestimentaires sont entrés dans les marchés militaires, industriels et grand public haut de gamme. Ces dispositifs s’améliorent rapidement et deviennent de plus en plus "intelligents". Un "produit vestimentaire" (wearable) peut se définir comme un produit porté par l’utilisateur pendant une période de temps assez longue, qui améliore l’expérience de l’utilisateur du seul fait d’être porté par lui. Un produit vestimentaire intelligent bénéficie en plus d’une connectivité et de capacités de traitement indépendantes. Il a été estimé que le marché des dispositifs vestimentaires atteindra les 130 millions d’unités d’ici à 2018 [Source : PwC, octobre 2014]. Les dispositifs vestimentaires sont divisés en cinq sous-catégories d’applications : forme physique/bien-être (enregistreurs d’activité physique, bracelets pour garder la forme, podomètres), pour envoyer les données de course à un appareil GPS en intérieur, et appareils de mesure de la fréquence cardiaque), santé/médical (sphygmo-oxymètre, prothèse auditive et appareils de mesure de la pression artérielle), information-divertissement (lunettes intelligentes, lunettes de protection, montres intelligentes et dispositifs d’imagerie), militaire (affichages tête haute, exosquelettes et vêtements intelligents), et industriel (ordinateurs corporels) [Source : IHS Electronics and Media, 2013].

Ces catégories subissent différentes contraintes du marché qui exerce une influence sur leur taux d’adoption. Dans les segments bien-être et médical, elles comprennent l’allongement de l’espérance de vie, la volonté de prolonger une vie en bonne santé et de réduire les séjours à l’hôpital. Pour le militaire, c’est le désir d’améliorer la connaissance d’une situation, les cartes/routes, l’efficacité du combat et de sauver des vies. Pour l’industriel, les principales motivations sont l’amélioration du rendement de la chaîne de production et des capacités de traçage. Et finalement, pour l’information-divertissement, le marché en explosion du jeu basé sur des images d’une qualité inédite et la réalité virtuelle, ainsi que le nombre croissant de dispositifs capables de se connecter sans fil à des téléphones intelligents pour faire partie de l’"Internet des objets" (IdO).

Les architectures et les problèmes des dispositifs vestimentaires intelligents

Alors, qu’est-ce qui se cache sous le "capot" de votre appareil vestimentaire intelligent ? Regardez-le comme un système embarqué miniature. Le partitionnement exact dépend évidemment de l’appareil lui-même. Cependant, généralement, l’architecture du coeur pour un vestimentaire intelligent est une combinaison des éléments suivants : un microprocesseur ou microcontrôleur ou circuit intégré similaire, des capteurs quelconques basés sur un microsystème électromécanique (MEMS), des petits actionneurs mécaniques, un circuit intégré de localisation GPS, une connectivité Bluetooth/cellulaire, de l’électronique d’imagerie, des LED, des ressources informatiques, une batterie ou un bloc de batteries et l’électronique nécessaire au fonctionnement.

Les objectifs fondamentaux d’une unité vestimentaire sont d’avoir un facteur de forme compact, d’être assez légère pour être portative et confortable et d’être ultrabasse consommation de façon à pouvoir allonger l’autonomie de la batterie. Les dispositifs vestimentaires sont bien sûr des produits "cool", mais, les alimenter efficacement et précisément tout en chargeant les batteries avec un courant minimal est une toute autre affaire. Certains des problèmes clés associés à l’alimentation des dispositifs vestimentaires intelligents avec des circuits intégrés sont les suivants :

 Une consommation à faible courant des circuits intégrés dans un dispositif alimenté par batterie est essentielle pour allonger l’autonomie. Un circuit intégré convertisseur micro-puissance (voire nano-puissance) est idéal.

 Certaines architectures de dispositif vestimentaire utilisent une approche multi-batterie, par exemple, 2 x piles au lithium 8,4V au lieu d’une pile au lithium à un seul élément (4,2V). Ceci augmente la capacité et donne une autonomie plus élevée. Cependant, cela nécessite un circuit intégré avec une tension plus haute.

 Un capteur MEMS nécessite une alimentation stabilisée faible bruit. Les actionneurs très sollicités pourraient aussi en bénéficier. Un régulateur faible perte LDO fonctionne très bien pour de tels rails puisqu’il présente des faibles fluctuations en sortie.

 Les rails du système de connectivité Bluetooth/RF nécessitent aussi un faible bruit. Un régulateur faible perte ou, puisque le courant de sortie peut être élevé, un régulateur à découpage post-régulé LDO, est un bon choix.

 Puissance de calcul (le "cerveau" des dispositifs vestimentaires). Du TI OMAP, du microcontrôleur ARM Cortex, de processeurs de signal numérique (DSP), de puces GPS ou FPGA par exemple, qui ont une variété de rails basse tension, d’un bas niveau à de forts courants. Ceux-ci peuvent être alimentés par des LDO ou des régulateurs à découpage.

 Les batteries ont besoin d’attention et d’alimentation de façon à éviter la surcharge qui réduit la durée de vie de la batterie. Des chargeurs de batterie de précision avec algorithmes d’arrêt embarqués assurent un allongement de la durée de vie de(s) élément(s) de batterie.

 Une taille compacte et un faible poids rendent le dispositif plus confortable pour l’utilisateur. Les circuits intégrés dans des boîtiers compacts présentent un faible encombrement, permettant de proposer un dispositif à petit facteur de forme.

 Un produit vestimentaire avec de nombreuses fonctionnalités signifie de nombreux rails de système. Des régulateurs à sorties multiples ou des circuits intégrés de gestion de la puissance (PMIC) peuvent sans doute faire l’affaire. Finalement, des circuits intégrés compacts avec chargeurs de batterie intégrés embarqués, fournissent un plus haut niveau d’intégration et de souplesse. Les solutions à base de circuits intégrés à courant de repos ultra bas Il est clair qu’une solution à base de circuit intégré qui répond aux besoins de l’application, et résout aussi les problèmes associés déjà mentionnés, devra présenter plusieurs des caractéristiques suivantes :

 Courant de repos ultra bas, à la fois en mode de fonctionnement et à la mise à l’arrêt

 Large plage de tensions d’entrée pour être compatible avec une variété d’alimentations

 La capacité à alimenter efficacement de multiples rails du système

 Tension de charge de batterie précise pour éviter la surcharge

 La capacité à recharger des batteries avec les compositions chimiques les plus courantes, telles qu’au lithium

 Opération de recharge simple et autonome avec algorithmes d’arrêt de charge embarqués (un microcontrôleur n’est pas nécessaire)

 Encombrement faible et à profil bas

 Boîtier de pointe pour des performances thermiques améliorées et une utilisation de l’espace efficace Heureusement, la nouvelle famille de régulateurs abaisseurs.

LTC3388/-x à courant de repos ultra bas de Linear, et son PMIC LTC3553, combinaison d’un régulateur abaisseur et d’un chargeur de batterie au lithium à un élément, présentent déjà la plupart de ces caractéristiques. Le LTC3388 est un convertisseur abaisseur synchrone à courant de repos ultra bas qui peut fournir jusqu’à 50mA de courant de sortie continu à partir d’une alimentation en entrée de 2,7V à 20V. Le courant de fonctionnement à vide du LTC3388 de 720nA seulement, en fait le candidat idéal pour une large gamme d’applications alimentées par batterie et à courant de repos ultra bas, y compris les alimentations et les dispositifs vestimentaires "d’entretien".

Le LTC3388 utilise un redressement synchrone à hystérésis pour optimiser le rendement sur une large plage de courants de charge. Il présente jusqu’à 90% de rendement pour des charges allant de 15μA à 50mA et ne nécessite que 720nA de courant de repos à vide en régulation, allongeant ainsi la durée de vie de la batterie. La combinaison d’un boîtier DFN 3mm x 3mm (ou MSOP-10) et de cinq composants externes seulement, produit une solution très simple et compacte pour un large éventail d’applications basse puissance. La figure 1 présente un circuit classique d’application du LTC3388.

Figure 1. Circuit classique d’application du LTC3388-1/-3 Pour un plus haut niveau d’intégration, utilisez un PMIC Le LTC3553 est un PMIC polyvalent micro-puissance pour les applications portables à batterie Li-ion/polymère.

Le LTC3553 comprend un gestionnaire de commande PowerPath™ linéaire compatible USB, un chargeur de batterie autonome, un régulateur abaisseur synchrone à haut rendement de 200mA, un LDO 150mA et une commande à bouton poussoir, le tout dans un boîtier compact QFN de 3mm x 3mm ; référez-vous à la figure 2 pour son circuit classique d’application. Pour les applications fonctionnant à des courants faibles en mode veille, le mode de veille du circuit, sélectionné à l’aide de broches appropriées, réduit le courant produit par la batterie à 12μA seulement, tout en maintenant la régulation de toutes les sorties, voir le diagramme de la figure 3 pour les détails. Le LTC3553 est absolument idéal pour les dispositifs navigateurs GPS autonomes (PND), les lecteurs multimédia, les appareils portables médicaux et industriels et autres applications avec dispositif portable à petites batteries de faible capacité, qui consomment peu d’énergie.

Figure 2. Schéma d’application simplifié du LTC3553

Figure 3. Fonctionnement de la batterie en mode débit de courant

Conclusion

Le marché des dispositifs vestimentaires intelligents est en explosion et comprend une grande variété de produits pour garder la santé et la forme et pour les applications médicales, d’information-divertissement, militaires et industrielles. L’architecture du coeur d’un dispositif vestimentaire intelligent dépend du type de produit, mais consiste essentiellement en un microcontrôleur, des capteurs MEMS, une connectivité sans fil, une batterie et de l’électronique de fonctionnement.

Alimenter un dispositif vestimentaire à faible courant peut être très complexe. Cependant, Linear Technology offre une large gamme de produits de pointe capables de très hautes performances à ces niveaux de puissance très faibles. Des dispositifs tels que le régulateur abaisseur LTC3388 à récupération d’énergie et courant de repos ultra bas, et, pour un niveau d’intégration plus élevé, le PMIC LTC3553, associant un chargeur de batterie au lithium et un régulateur abaisseur/LDO, peuvent améliorer la durée de fonctionnement et les performances globales de nombreux futurs dispositifs vestimentaires.