Come prolungare la durata della batteria nei dispositivi indossabili

I dispositivi indossabili (noti anche con il termine di “wearable devices”) presentano per loro stessa natura alcune limitazioni di carattere fisico. Il requisito principale che ogni dispositivo indossabile deve soddisfare è quello di avere dimensioni più ridotte possibili, e allo stesso tempo essere molto leggero. Queste caratteristiche hanno inevitabilmente un impatto significativo sulle dimensioni della batteria, sulla sua capacità, e, di conseguenza, sulla sua durata.

Introduzione

I primi dispositivi indossabili introdotti sul mercato (come ad esempio i sensori per il fitness), potevano essere efficacemente alimentati tramite delle comuni batterie a bottone agli ioni di litio (Li-Ion). Con l’introduzione di sistemi più sofisticati, come ad esempio gli smartwatch (molti equipaggiati con display OLED a colori), è inevitabilmente aumentata la domanda di energia, al punto tale che una batteria totalmente carica ha oggi un’autonomia di pochi giorni. I consumatori si sono ormai resi conto che molti dispositivi indossabili richiedono di essere ricaricati con una certa regolarità e, poichè questa è considerata una scomodità, valutano con sempre maggiore attenzione l’acquisto di un nuovo indossabile. Dal canto loro i produttori, per posizionare meglio i propri dispositivi sul mercato, stanno cercando di estendere il più possibile la durata delle batterie. I progettisti stanno quindi studiando e sviluppando nuove tecniche relative alla gestione dell’alimentazione, ricarica wireless, energy harvesting, gestione della batteria, e molte altre tecnologie rivolte ai dispositivi di bassa potenza, con l’obiettivo di aumentare il tempo che intercorre tra le ricariche. Vediamo quindi di esaminare come queste tecniche funzionano.

Energy Harvesting

Le tecniche basate sull’energy harvesting esistono ormai da tempo, e, sebbene sia possibile ricavare qualche milliwatt da una sorgente come la luce ambientale, questa non è sufficiente per alimentare uno smartwatch. Tuttavia, sono disponibili sul mercato dei componenti che possono aiutare a implementare questa tecnica. Il BQ25570 prodotto da Texas Instruments è un integrato harvester  per la gestione di potenze ultra ridotte che utilizza un approccio combinato boost-and-buck per convertire l’energia raccolta (a partire da soli 120 mV) in una tensione fino a 3-5 V, sufficiente quindi per ricaricare una batteria. Anche se, da solo, non è sufficiente per alimentare uno smartwatch, può contribuire ad estendere la durata della batteria. L’integrato BQ25570 include anche un convertitore buck nano-power che può essere utilizzato per fornire all'applicazione una sorgente di alimentazione secondaria.

Ricarica della batteria tramite USB o adattatore di rete

L’utilizzo di un metodo tradizionale di ricarica della batteria, come una porta USB oppure un adattatore di rete, non implica necessariamente che il progetto del prodotto debba essere migliorato. Ad esempio, il relativamente recente integrato BQ25100 di Texas Instruments (Figura 1), progettato per la ricarica di batterie al litio a singola cella, presenta un footprint di soli 1,6 x 0,9 mm, ridotto del 50% rispetto ai dispositivi precedenti. Inoltre, consentendo l’utilizzo di adattatori di rete a basso costo con uscita non stabilizzata, permette di ridurre i costi in un mercato molto competitivo e sensibile ai costi, come quello degli indossabili. Il BQ25100 è un dispositivo lineare ad elevata integrazione, in grado di supportare sia le normali batterie agli ioni di litio (Li-Ion), che gli accumulatori ai polimeri di litio (Li-Pol). La massima tensione di ingresso, in continua, è pari a 28V, con protezione dalle sovratensioni attiva a partire da 6,5V.

Un altro esempio di dispositivo per la gestione della carica delle batterie è rappresentato dall’integrato XC6803A4 prodotto da Torex. Progettato per un’ampia gamma di indossabili come fitness tracker, smartwatch, e orologi GPS, questo dispositivo può essere configurato sia per la carica a tensione costante che per quella a corrente costante.

Figura 1: tipico schema applicativo del dispositivo BQ25100 di Texas Instruments

Soluzioni per la ricarica wireless conformi allo standard Qi

Nel corso degli ultimi anni, la tecnica di ricarica wireless ha acquisito una certa popolarità anche nell’ambito dei dispositivi indossabili. Di conseguenza, alcune funzionalità per la ricarica wireless sono state introdotte in dispositivi come le lampade da tavolo, e altre apparecchiature elettroniche per la casa e l’ufficio. Alcune note catene di caffetterie e fast-food stanno persino inserendo dei dispositivi per la ricarica wireless all’interno dei propri tavoli. I consumatori, da parte loro, stanno recependo con favore questa nuova tecnica per la ricarica, considerata più comoda rispetto ai tradizionali caricatori a filo. Molti tra i principali distributori di semiconduttori stanno quindi cominciando a rendere disponibili dei controller per la ricarica wireless, molti dei quali sono in grado di supportare completamente una soluzione di ricarica wireless. Texas Instruments ha sviluppato un progetto di riferimento utilizzando un integrato per la ricarica lineare a singola cella BQ25100 e un ricevitore di potenza wireless BQ51003, conforme allo standard Qi.

Il reference design, denominato TIDA-00318, è stato realizzato e sottoposto a test approfonditi. I risultati dei test, come la documentazione relativa al progetto, sono disponibili qui. Ricordiamo che Qi rappresenta uno standard internazionale per l’interoperabilità dei dispositivi in grado di supportare la ricarica wireless. Ciò significa che ogni dispositivo con ricevitore di potenza wireless certificato Qi, come ad esempio lo smartwatch Moto 360, può funzionare con ogni base per la ricarica wireless certificata Qi. Ne consegue che ogni indossabile conforme al reference design TIDA-00318 dovrebbe essere in grado di ottenere la certificazione Qi, e quindi funzionare con qualunque base per la ricarica Qi. Il TIDA-00318 si riferisce ad applicazioni con correnti di ricarica pari a 135 mA, e i file Gerber forniti a corredo del design permettono di realizzare un dispositivo con un footprint molto ridotto, di soli 5 x 15 mm.

Gestione dell’alimentazione

Nei dispositivi indossabili, la conversione di potenze ultra ridotte è un fattore chiave per l’ottenimento di una gestione ottimale della batteria. Esistono diversi modi per ottenere questi risultati. Un approccio si basa ad esempio sull’utilizzo di un regolatore a basso drop-out (LDO), come quelli appartenenti alla serie TPS727xx di TI. I dispositivi di questa famiglia sono caratterizzati da una corrente a riposo ultra ridotta, solo 7,9 µA, ridotto drop-out (65 mV tipici @ 100 mA, 130 mV tipici @ 200 mA, e 163 mV tipici @ 250 mA), e un'eccellente risposta al transitorio di linea e di carico. Questi regolatori LDO presentano un elevato rapporto di reiezione della tensione di alimentazione (PSRR), pari a 70 dB @ 1 kHz, un fattore molto importante nelle applicazioni per radio frequenza (RF). Sono inoltre stabili, e richiedono solo dei condensatori ceramici piccoli ed economici da 1 µF.

Un differente approccio consiste nell’utilizzo di un convertitore step-down, come il TPS82740A di TI. Si tratta di un modulo convertitore step-down da 200 mA, in grado di offrire un’efficienza della conversione pari al 95%, con un assorbimento di soli 360 nA durante il funzionamento attivo, e di 70 nA nella modalità standby. Il modulo, di dimensioni estremamente compatte, è disponibile in un contenitore completamente integrato MicroSiP, che include anche un regolatore switching, induttanze e condensatori, tutti racchiusi in un’area di soli 6,7 mm2.

Lato trasmettitore di potenza wireless (la “base” nei sistemi di ricarica wireless), TI propone il reference design TIDA-00334. Questo design, che include i risultati dei test condotti da TI e file relativi al PCB, fornisce un valido supporto agli ingegneri per la progettazione di una soluzione completa di trasmettitore di potenza wireless. La progettazione del trasmettitore utilizza l’integrato BQ500212A con piccolo fattore di forma, particolarmente adatto per impieghi come i dispositivi indossabili. Per lo stesso componente, è inoltre disponibile il modulo di valutazione BQ500212AEVM-550. L’integrato può essere alimentato direttamente con i 5V prelevati da un connettore micro-USB, e supporta una potenza di uscita (al ricevitore) fino a 2,5 W.

Il reference design TIDA-00334 per trasmettitori wireless occupa un’area di 30 mm2, esattamente pari alla dimensione di una bobina circolare Wurth 760308101103, che a sua volta è poco più grande di una moneta statunitense da un quarto di dollaro, o di una moneta da 2 Euro.

La conversione di tipo step-down tende ad essere più efficiente di una conversione di tipo step-up oppure boost. Tuttavia, diverse scelte progettuali sono limitate dalla tensione della batteria utilizzata nell’applicazione. I display, ad esempio, richiedono normalmente una tensione più elevata, che spesso si traduce nella necessità di utilizzare un approccio all’alimentazione di tipo step-up. Un esempio significativo di convertitore step-up è il modello MAX8627 prodotto da Maxim. Questo dispositivo (figura 2) è in grado di generare, partendo da una batteria a singola cella agli ioni di litio, una tensione di uscita compresa tra 3V e 5V, con corrente massima di 1 A. L’efficienza è molto elevata, pari al 95%, mentre l’assorbimento è di soli 20 µA Iq.

Figura 2: tipico schema applicativo del MAX8627 di Maxim

 

Altre soluzioni

Quando si tratta di estendere la durata di una batteria in un dispositivo indossabile, un approccio di tipo globale rappresenta la soluzione migliore, in quanto è in grado di assicurare che ogni parte del circuito sia stata progettata ai fini di ridurre l’assorbimento complessivo. Una tecnica molto diffusa consiste nello spostare le funzionalità del dispositivo più esigenti in termini di energia e quindi di assorbimento (come gli algoritmi di calcolo, l’analisi dei dati, le funzioni per la visualizzazione sul display) in un altro dispositivo a cui l'indossabile può collegarsi, come ad esempio uno smartphone oppure un PC.

Per i progettisti di sistemi embedded, avventurarsi nell’analogico, e spesso imprevedibile, mondo della radio frequenza (RF) rappresenta un’impresa piuttosto ardua. Tuttavia, l’aggiunta di una connettività Bluetooth a un indossabile è oggi semplificata dalla disponibilità di un buon numero di moduli wireless e microcontrollori certificati e conformi agli standard radio internazionali. Per le applicazioni a corto raggio e di potenza ultra ridotta, la tecnica più comune si basa sull’utilizzo di un’interfaccia Bluetooth Low Energy (BLE). Un esempio di dispositivi di questo tipo è rappresentato dai moduli della serie BGM113 prodotta da Silicon Labs (Figura 3).

Figura 3: il modulo Bluetooth BGM113 Bule Gecko

La scelta di un microcontrollore (MCU) è un altro importante fattore da considerare quando si parla di gestione della potenza per dispositivi indossabili. I microcontrollori efficienti sono infatti in grado di processare i dati rapidamente, per poi portarsi in uno stato “sleep” di basso assorbimento. I progettisti di dispositivi wearable hanno oggi a disposizione un’ampia gamma di MCU a basso assorbimento, tenendo anche presente che i microcontrollori a 32-bit sono diventati molto competitivi, sul piano dei costi, con quelli a 16-bit. La serie di core Cortex-M a 32-bit di ARM, ottimizzata per l’impiego in microcontrollori a basso costo e basso assorbimento, sta riscuotendo un notevole successo nel settore dei wearable. Partendo dai core ultra-low-power Cortex-M0 e M0+, fino a giungere al core ad elevate prestazioni Cortex-M7, la serie Cortex-M di ARM offre una vasta selezione di core processor in grado di soddisfare le molteplici esigenze di diversi tipi di dispositivi indossabili. Le MCU basate sul core ARM Cortex-M sono oggi offerte da diversi produttori come Texas Instruments, STMicroelectronics, NXP, Microchip, Infineon, Silicon Labs e Cypress.

Un particolare spesso trascurato nella progettazione degli indossabili è quello relativo al modo con cui i sensori assorbono potenza. Diversi sensori, infatti, in aggiunta al signal conditioning, richiedono anche un circuito esterno di pilotaggio. I progettisti devono perciò porre molta attenzione a quanta potenza questi circuiti assorbono: ad esempio, anche una semplice rete ladder di resistenze assorbe una qualche potenza. Gli amplificatori operazionali sono spesso utilizzati per il signal conditioning, e un dispositivo come l’OA4NP di STMicro, con un assorbimento di soli 580 nA per canale, rappresenta la scelta ideale.

Conclusioni

La progettazione di un dispositivo indossabile a basso assorbimento richiede che tutto il team di sviluppo conosca i profili di assorbimento di ogni componente o parte del progetto. Un approccio di tipo globale sicuramente li può aiutare a trovare soluzioni in grado di estendere la durata della batteria, risparmiando ogni singolo µA di energia disponibile.

 

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 24 febbraio 2017

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