Réparation d’une Enceinte BT & Chargeur induction
Cet article documente une séance de réparation d’un gadget composé d’une enceinte Bluetooth et d’un chargeur à induction.
J’ai récupéré cet objet lors d’un mes déplacements au siège de mon employeur. Un échantillon de goodies étaient à disposition en libre-service. J’imagine que le service Marketing & Communication achète des goodies pour les différents salons et que parfois certains arrivent cassés.
Cette activité de rédaction me permet de poursuivre des échanges passionnants avec d’autres personnes qui comme moi, au-delà de l’acte de la réparation, souhaitent partager leurs démarches de recherches, leurs difficultés. Par cette publication je tiens à remercier Monsieur Philippe Le GUEN pour le temps qu’il a consacré et pour les propositions d’améliorations avancées pendant la relecture du brouillon avant publication. Vous trouverez sur son site web, https://www.pleguen.fr/, une fênetre sur ses réalisations.
Bonne lecture !
Le gadget
Je ne trouve qu’une seule ressource en ligne. La description dans un site marchand le proposant à la vente :
La description du produit :
« Compact design speaker with integrated wireless charger. Bluetooth® connectivity, with lithium battery and 3W power. Hands-free function, with non-slip base and rechargeable via USB cable -included-. Presented in an attractive design box. »
Diagnostic
L’identification de la panne est immédiate. Le connecteur micro-USB n’est plus à sa place et il se balade à l’intérieur. L’alimentation ainsi que la recharge de l’accumulateur intégré ne sont donc plus possibles.
L’intérieur du gadget
Sans plus tarder, je le démonte afin d’isoler les différents éléments qui le composent :
L’électronique tient entièrement sur une carte. Une sérigraphie sur cette dernière indique sa référence HEL-5337A-V10.
En effectuant des recherches je ne trouve aucune documentation.
Je commence une séance d’identification des composants :
- Dans le rectangle vert, la partie qui semble dédiée à la connectivité Bluetooth. Principalement un circuit intégré (DCGB14D9A), un Quartz 26 MHz et l’antenne imprimée.
- Dans le rectangle rouge, un circuit intégré (NS4165B) qui devrait amplifier le signal audio à destination de l’enceinte.
- Dans le rectangle violet, deux transistors MOSFET Doubles, un 9926S (N-Channel) et un 4953A (P-Channel).
- Dans le rectangle noir, un circuit intégré qui ne comporte aucun identifiant.
L’autre face de la carte :
- En rouge, une batterie Li-Pol 602040 (3.7 V – 400 mAh – 1.48 Wh)
- En vert, 4 diodes LED
- En violet, 3 boutons poussoirs
La face arrière de la carte montre la panne. Le connecteur micro-USB n’est plus attaché au PCB et le pistes sont définitivement abîmées :
La réparation
Je soude deux câbles à la carte. Un pour aller porter le +5 V et l’autre sur le plan de masse du PCB. Pour éviter que les soudures portent l’effort mécanique, je les stratifie à l’aide de colle chaude.
Pour être un truc bricolé à la va-vite je suis plutôt satisfait. En plus, cela fonctionne plutôt bien !
Test Bluetooth et commandes audio
J’effectue l’appairage BT avec mon smartphone et cela s’effectue sans aucune difficulté.
J’écoute quelques morceaux de musique. Les commandes pour le volume, pause/play fonctionnent correctement. La qualité est conforme à celle d’un gadget pas trop cher.
Tests chargeur sans fil
Pour effectuer un test du charger sans fil, je branche les deux nouveaux câbles à mon alimentation de laboratoire.
Sur la face destinée à la recharge, je pose un Google Pixel 5 compatible Qi que je me fais prêter car le mien ne l’est pas.
Par une application installée sur le Smartphone, Ampère, j’observe le courant reçu par la batterie :
Pendant ce temps-là, l’alimentation fournie 0.37 A à 5.3 V. Les ordres de grandeurs sont cohérents.
Le téléphone, au repos et sans aucune application démarrée, consomme pratiquement la même quantité d’ampères/heure (Ah) que ce système est capable de lui fournir. Cela équivaut à un maintien de la charge de la batterie dans des conditions où le smartphone ne fait rien d’autre qu’être allumé.
À des fins de comparaisons, lorsque le téléphone est sous charge en utilisant son chargeur par câble, la batterie se charge avec une intensité de 1280 mA. Pratiquement un facteur 10 que lorsqu’il est chargé sans fil.
La partie restante de cet article parcours le fonctionnement des trois fonctionnalités testées :
- Communication Bluetooth
- Reproduction audio
- Chargeur sans fil
La communication Bluetooth
A l’aide de l’application Bluetooth Meter je peux recueillir quelques informations :
Il s’agit d’un système BT Dual-Mode BR/EDR. C’est ce que l’on appelle Bluetooth Classic en comparaison avec le Bluetooth LE (Low Energy) ou Smart.
En plus de BR (Basic Rate), la modalité la plus élémentaire, ce dispositif implémente la modalité EDR (Enhanced Data Rate) introduite par la version 2.0 de la spécification BT. Cette modalité, EDR, permet d’attendre un débit de 3 Mbit/s.
La photo suivante isole les composants principaux constituant ce module de connectivité :
On identifie à première vue un quartz qui fournit une oscillation à 26 MHz ainsi qu’une antenne imprimée de type MIFA (Meandered Inverted F Antenna).
Le circuit intégré, référence DCGB14D9A, est produit par la société AB bluetrum.
Il semblerait que le nom du produit (Product Name ou Product Number) soit caché dans cette référence (DCGB14D9A).
La partie centrale, 14D9, semblerait être le nom du produit en hexadécimal . En convertissant 14D9 en décimal on obtient DC GB 5337 A. C’est à ce moment que je réalise que la référence de la carte (HEL-5337A-V10) contient la référence de ce composant !
Effectivement avec AB5337A, j’arrive à trouver quelque chose, très peu mais c’est mieux que rien. Je trouve notamment un schéma implémentant ce composant :
Je remarque tout de même une différence substantielle importante entre le schéma trouvé et ce que je peux observer sur PCB : l’adaptation d’impédance de l’entrée d’antenne n’est pas réalisée de la même manière.
Dans le schéma on retrouve trois inductances en Pi . Dans le PCB on retrouve un seul composant, le résistance RC1 . La sérigraphie indique l’emplacement de deux inductances, L1 et L2, qui sont pourtant absentes. Ce PCB sert probablement dans d’autres configurations, du BT BLE ou Wi-Fi par exemple.
N’ayant pas d’instruments pour effectuer des mesures en RF, j’arrête ici ce paragraphe concernant ma séance d’observation autour de la partie BT.
Le lien suivant ouvre vers le page académique du Prof Andrea Casula de l’université de Cagliari. Il fut mon enseignent en théorie des antennes en 2004 : https://web.unica.it/unica/en/ateneo_s07_ss01_sss01.page?contentId=SHD30253
Pendant son cours, les antennes dites « à microstrip » furent abordées.
Audio
L’alimentation de l’enceinte pour la reproduction sonore est confiée à un amplificateur audio dont la référence est NS4165B.
Cette réparation me fait voyager. Initialement j’avais identifié une source d’un grossiste turc avec une documentation en chinois : https://www.ulutaselektronik.com/urun/ns4165b-soic-8-audio-amplifier-ic
C’est grâce à l’échange avec Monsieur Le GUEN que j’ai pu trouver une source en anglais : https://en.chipsourcetek.com/Audio-Chip/2277.html
Ce que je retiens :
- Description fonctionnelle
Le NS4165 est un amplificateur audio mono capable de fonctionner en deux modes :
- Classe AB
- Classe D
La commutation se fait via un simple niveau logique appliqué sur une broche dédiée, ce qui permet d’adapter l’ampli à différents environnements d’utilisation.
Il utilise également une technologie de spreading spectrum (étalement de spectre) pour améliorer le rendement global, dépassant 85 %, ce qui le rend idéal pour les systèmes audio basse tension et haute puissance.
- Caractéristiques principales
- Il s’agit d’un amplificateur audio en classe AB/D (sélection par niveau logique)
- Output power:
- 3W(4Ω load /VDD=5V)
- 4W(2Ω load /VDD=5V)
- Tension recommandée : 3 V à 5,5 V
- THD = 0,1 % (Taux de Distorsion Harmonique Totale)
- Efficacité pouvant atteindre 85 %
- Protections : surintensité, surchauffe, sous-tension
Un circuit d’application typique fait partie de la documentation :
Si je comprends bien, il est possible de modifier la classe d’amplification en intervenant sur le niveau logique de la broche 3. Je me demande si dans l’implémentation de ce PCB cette broche est connectée à une valeur logique fixe ou s’il s’agit d’une valeur calculée à partir du signal d’entrée. Ce qui pourrait permettre à l’amplificateur de changer dynamiquement sa classe de fonctionnement.
Le diagramme synoptique est également fourni :
Ce qui peut être intéressant à remarquer est la présence de l’oscillateur interne.
Cet oscillateur pourrait intervenir dans la génération d’une fréquence de commutation aléatoire, ce qui serait cohérent avec la fonctionnalité de type spreading spectrum citée dans la description. Elle permet de produire une légère modulation afin de varier constamment la porteuse. Le résultat est qu’au lieu d’avoir une seule fréquence de commutation avec un pic d’énergie, cette dernière sera étalée sur une petite bande de fréquences.
Cette configuration permet de respecter plus facilement les normes EMI et sur le plan de la conception il n’y a plus besoin d’un filtre LC en sortie.
Toujours vers la fin l’on retrouve des diagrammes :
Il y en a deux qui attirent mon attention. Par exemple ceux dans la deuxième ligne : OUTPUT POWER vs SUPPLY VOLTAGE.
Dans la description principale était écrit que la tension d’alimentation du circuit intégré était entre 3 V et 5,5 V. Le diagramme nous permet de déterminer la puissance en sortie en fonction de la tension d’alimentation.
Dans le même graphique on constate également que le maintien de la qualité audio (le THD le plus faible) devient plus compliqué lors de l’augmentation de la puissance demandée en sortie. Ce constat est explicité par les deux diagrammes en troisième ligne.
Pour finir on retrouve le schéma de brochage :
Je ne dispose pas d’instruments spécifiques aux tests de systèmes audio . Avant de terminer ce paragraphe, je me contente d’effectuer le test suivant :
- Je connecte l’enceinte à l’ordinateur via le système Bluetooth
- Je reproduis un fichier audio qui contient un son à la fréquence fixe de 1 kHz
- Je branche l’oscilloscope à l’enceinte (broche 5 sur la référence et broche 8 sur la sonde) et j’affiche le signal :
Le signal qui arrive à l’enceinte est bien perçu à la fréquence de 1,027 kHz .
La forme du signal est probablement la série d’impulsions (la description parlait d’une modulation de type PWM) dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à l’amplitude du signal à l’instant considéré.
Chargeur à induction
Le dernier chapitre de cet article concerne ce qui était mon intérêt principal pour cet objet : sa fonctionnalité de chargeur à induction. Pour rappel, le chargement par induction est un système capable de transférer sans contact de l’énergie entre un émetteur et un récepteur.
Le chargeur à induction est divisé en deux parties.
Dans la première photo ci-dessous on retrouve l’élément principal, l’inducteur. J’ai ajouté quelques commentaire s sur la photo pour que le lecteur ait un ordre de grandeur de ses dimensions.
Dans cette deuxième photo, j’ai identifié les composants électroniques qui, c’est ce que je pense, pilotent l’inducteur.
Je distingue trois grands blocs :
- Un microcontrôleur dont on ne connaît rien
- Une batterie capacitive composé de 4 condensateurs en parallèle
- Deux circuits intégrés. Celui sur la gauche comportant deux MOSFET à canal N et celui de droite comportant deux MOSFT à canal P. Deux de ces 4 MOSFET doivent être dans une configuration PUSH-PULL et je suppose qu’ils fonctionnent en commutation pour la génération du signal destiné à la bobine.
Avant d’aller plus loin, je vous propose un aperçu des différents principes physiques qui permettent le transfert d’énergie sans contact ainsi qu’une présentation synthétique des grandes familles de standard qui apportent chacune un cadre d’implémentation.
4 méthodes de transfert d’énergie sont possibles :
- Electromagnetic Induction
- Magnetic Resonance
- Electric Field Coupling
- Radio Reception
Chacune de ces méthodes se distingue par ses spécificités comme l’efficience, la consommation et la distance maximale entre l’émetteur et le récepteur. Ce ne sont qu’une partie des leurs caractéristiques. Les fréquences de fonctionnement ainsi que la géométrie des antennes peuvent également être un facteur discriminant selon l’usage. Les systèmes basés sur la technologie à résonance magnétique se distinguent par la possibilité de transférer vers plusieurs récepteurs depuis un seul émetteur.
Le chargeur qui fait objet de notre réparation fonctionne selon la première méthode, celle de l’induction électromagnétique.
Certains fabricants s’organisent autour d’organismes de standardisation afin de partager des critères d’interopérabilité. Cette dynamique permet la comptabilité entre émetteurs et récepteurs issus de fabricants différents.
Les noms des organisations qui reviennent le plus , et par éponymie de leurs standards, sont les suivants :
- Wireless Power Consortium (WPC) / Qi (du mot qui en chinois veut dire « énergie »)
- AirFuel Alliance
- Power Matters Alliance (PMA)
- Alliance for Wireless Power (A4WP) / Rezence
Je ne connais pas les spécificités des uns et des autres. Néanmoins il se peut que le Qi (par WPC) soit le seul standard ouvert.
A ce monde de normes partagées s’ajoutent les formats propriétaires à certaines marques qui ne jouent que pour elles et essaient d’imposer les leurs.
Dans l’image suivante j’ai schématisé l’émetteur et le récepteur.
Le récepteur ne faisant pas objet de réparation, nous nous concentrons sur l’émetteur donc la partie de gauche.
L’ensemble des éléments sur notre carte composent le TX Controller. Le Cp est la batterie de condensateurs alors que LTX représente l’inducteur circulaire.
Le TX Controller produit un signal AC. Ce signal alimente la série Cp et LTX qui résonne nt à une fréquence en fonction de leurs caractéristiques . Cette résonance génère un champ magnétique qui est capté par l’inductance LRX du récepteur. Le RX Controller récupère ce signal AC à très haute fréquence, il le redresse et le filtre . La VOUT est désormais un signal à tension continue.
Pendant la préparation de l’examen de « Propagation de champs électromagnétiques », avec Prof Mazzarella en 2003, la compréhension de la loi de Biot et Savart été indispensable :
Le champ magnétique créé en un point p sur l’axe vertical d’une boucle est inversement proportionnel au rayon et à la distance. Autant de cauchemars que des lettres dans ces formules.
La distance entre LTX et LRX ainsi que leur angle entre les deux surfaces peuvent influencer énormément le facteur de transmission.
Revenons maintenant à l’image précédente, celle du schéma de fonctionnement. Dans un système comme celui décrit dans l’image on pourrait supposer que tout se passe dans un seul sens, de l’émetteur vers le récepteur. Pour ce qui est de la transmission de l’énergie c’est le cas. En revanche un transfert d’information sera possible du récepteur vers l’émetteur. L’émetteur pourrait varier l’impédance de son système composé de LRX, CS et Cd. Ces variations peuvent être captées par l’émetteur et élaborées. C’est par ce système, entre autres, que le récepteur prévient l’émetteur de sa présence ainsi que des consignes concernant la quantité d’énergie à transmettre.
En ce qui concerne la fréquence de travail, celle-ci devrait être légèrement au-dessus de la fréquence de résonance (typiquement 100 kHz).
Pendant que l’appareil est allumé sans que le smartphone ne soit posé dessus, la fréquence du signal mesuré sur la bobine est de 83 kHz.
Dès que le smartphone est positionné sur le chargeur, la fréquence du signal passe à une fréquence de 116 kHz.
L’émetteur sait, grâce au changement de l’impédance opérée par le récepteur, à quel moment il doit basculer d’un état de veille à un état de fonctionnement.
La bobine
Terminons cet article par un approfondissement sur la bobine de l’émetteur.
Elle est composée de 11 spires en forme de couronne circulaire dont le rayon intérieur est de 1 cm et celui extérieure de 2 cm.
Au moment de la réparation je n’avais pas encore reçu mon LCR Meter. Au regard des lectures que j’ai pu effectuer, la bobine devrait avoir une inductance d’environ 8 μH.
L’enroulement est posé sur un support en ferrite. Cette ferrite participe à l’alignement, par un système aimanté coté récepteur, afin d’optimiser le facteur de mérite lors de transmission de l’énergie.
L’enroulement est composé d’un fil de Litz, nous verrons plus tard de quoi il s’agit, isolé par une matière textile très fine. Cette matière pourrait être du nylon ou de la soie.
La partie du fil connectée vers la carte nous permet d’entrevoir sa construction intérieure :
Il est composé de plusieurs fils très fins, lui permet tant d’assumer les formes les plus variées. Il s’appelle « fil de litz » du mot allemand Litzendraht et qui signifie fil torsadé.
L’objectif est de réduire le plus possible l’effet de peau. L’effet de peau est le phénomène électromagnétique qui force le courant électrique à circuler davantage en surface d’un conducteur lors de l’augumentation de la fréquence du signal. Ce phénomène ne concerne que les systèmes à régime alternatif, ce qui est bien notre cas lorsque le courant traverse la bobine.
L’épaisseur de cette région intéressée, pour un fil en cuivre, pendant qu’il est traversé par un signal à 100 kHz est de 0,21 mm. Lorsque le diamètre du fil est inférieur l’épaisseur de peau , le courant traversera la section du fil d’une manière uniforme.
Le fil de litz est un type de fil très utilisé dans la conception d’appareils fonctionnant à haute fréquence. Selon les fréquences de travail et la puissance à transmettre on peut se retrouver avec des géométries très variées. Il arrive de retrouver un fil textile coloré, torsadé avec les fils conducteurs, qui nous permet de connaître le pas et ainsi de calculer le nombre de tours par unité de longueur .
Le BMS
Où se trouve le BMS pour la gestion de la charge de la batterie ? Au départ je m’étais dit que je l’aurais trouvé englobé à la batterie sous son enveloppe en aluminium mais je ne l’ai pas trouvé.
Il se peut qu’il soit intégré dans le PCB principal et que deux des quatre MOSFET servent à l’implémentation d’un classique système S1. Je vais conclure cet article en laissant cette question ouverte.
Conclusions
Avant de démarrer la séance je savais que je n’en avais vraiment pas l’utilité. Premièrement je ne dispose pas d’un téléphone portable compatible Qi, d’autre part je ne manque pas d’enceinte BT dans mes placards.
Je garde cet objet dans mon atelier car il pourrait toujours servir en pièces détachés pour des projets futurs.
Cette séance m’a remémoré certains sujets abordés pendant la formation en parcours d’ingénieur. Même si aujourd’hui je n’utilise plus ces formalismes, je me rends compte de l’utilité d’en connaître au moins l’existence.
J’ai décidé de m’y attarder exclusivement pour l’intérêt que je porte au fonctionnement d’un charger sans fil car je n’avais jamais eu l’occasion d’en réparer un. J’espère que cet article vous aura plu et n’hésitez pas à laisser un commentaire plus bas si vous rencontrez des erreurs ou pour partager votre expérience lors d’une réparation d’un objet similaire.
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