Low power DC-DC per l’energy harvesting

L'energy harvesting è la cattura e la conversione di piccole quantità di energia disponibili nell'ambiente in energia elettrica utilizzabile. L'energia elettrica è condizionata attraverso una elettronica low power sia per un uso diretto sia accumulata per un uso successivo. Ciò fornisce una fonte alternativa di energia per varie applicazioni, come ad esempio quelle wireless, di telerilevamento, RFID. E anche se l'energia di raccolta è bassa e incapace di alimentare un dispositivo, può ancora essere utilizzata per estendere la durata di una batteria. La raccolta di energia (al seguente link potete consultare la categoria energy harvesting con tanti articoli) fornisce una vita operativa illimitata alle apparecchiature a bassa potenza ed elimina la necessità di sostituire le batterie che rappresenta un’operazione costosa, pericolosa ma soprattutto poco pratica in molte applicazioni. Il raggiungimento di una lunga durata della batteria con tecniche di energy harvesting, oltre a rappresentare un’interessante soluzione applicativa, pone seri problemi di progettazione. I convertitori DC / DC ultra-low power aiutano a risolvere alcune sfide di design, consentendo prestazioni di picco ad alto rendimento, con un minimo consumo di energia in modalità operativa e in standby.

Introduzione

La maggior parte dell’elettronica di bassa potenza, quali sensori remoti e dispositivi integrati, è alimentata da batterie. Tuttavia, le batterie, anche quelle di lunga durata, sono limitate nel tempo e devono essere sostituite ogni pochi anni. Le sostituzioni diventano costose quando ci sono centinaia di sensori in località remote, oltre a rappresentare un grave danno ambientale. Le applicazioni di energy harvesting sono progettate per essere autosufficienti, richiedendo poca o nessuna manutenzione per molti anni. Se l'energia è sufficiente ad alimentare direttamente il dispositivo, può addirittura operare senza una batteria. L'energy harvesting rappresenta un mezzo per alimentare l'elettronica dove non ci sono fonti di energia convenzionale. Con questo stesso motivo, si apre a nuove applicazioni in località remote, sott'acqua, e in altri luoghi di difficile accesso. I componenti del sistema di gestione dell'energia dovrebbero avere le seguenti caratteristiche:

  • Alta efficienza energetica nella memorizzazione di piccoli pacchetti di energia.
  • L’efficienza deve essere tale da garantire che l'energia consumata dal circuito di raccolta sia molto più piccola di quella catturata dalla sorgente.
  • L’energia condizionata dall'elettronica low power deve soddisfare i requisiti di alimentazione relativamente all'applicazione desiderata.

I convertitori DC-DC sono blocchi critici nei sistemi di raccolta dell'energia. Essi sono tenuti a soddisfare delle specifiche molto rigorose e consumare nello stesso tempo meno energia possibile. Pertanto, la loro efficienza di conversione di potenza e la stabilità della funzionalità nell'ambiente diventano considerazioni importanti. Il controllo PWM convenzionale di solito non è adatto per i convertitori DC-DC  in situazioni di energy harvesting a causa della sua cattiva stabilità e la bassa efficienza di conversione di potenza (per maggiori informazioni leggi gli articoli sui convertitori dc-dc). Si dimostra come il controllo adattivo on-time / off-time (AOOT) rappresenta un'ottima alternativa per affrontare il problema, e la commutazione di corrente zero (ZCS)  può essere applicata per migliorare ulteriormente le prestazioni del convertitore DC-DC (Figura 1).

Figura 1: Impiego di un DC-DC nei sistemi di raccolta dell'energia

Figura 1: Impiego di un convertitore DC-DC

Considerazioni progettuali low power

La progettazione di un sistema di gestione dell'alimentazione per un dispositivo che raccoglie l'energia dall'ambiente da diverse fonti, può essere molto impegnativa. Queste fonti, dalla solare a quella vibrazionale, passando per quella termica, sono tutte piccole quantità di energia che variano imprevedibilmente. Questo crea una sfida significativa per un sistema di gestione di potenza che deve funzionare in modo efficiente e fornire un output costante. I requisiti di tensione e di corrente dei sensori e processori sono scesi significativamente, permettendo di utilizzare una fonte di raccolta di energia decisamente più pratica; ma con ancora diversi modi di gestire i sotto-sistemi di alimentazione. Vi è abbondanza di energia ambientale nel mondo che ci circonda, l'approccio convenzionale per la relativa raccolta è stato per molti anni attraverso l’uso di pannelli solari e generatori eolici. Tuttavia, i nuovi strumenti di raccolta ci permettono di produrre energia elettrica da una vasta gamma di fonti ambientali (alternative). Inoltre, in questi casi oltre all’efficienza di conversione energetica dei circuiti, è importante la quantità di energia "media raccolta" disponibile per alimentare il dispositivo. Per esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in elettricità, gli elementi piezoelettrici convertono le vibrazioni meccaniche sempre in energia elettrica, mentre il fotovoltaico sfrutta la luce solare per alimentare carichi elettrici. Ciò rende possibile alimentare sensori remoti, caricando un dispositivo di memorizzazione, come un condensatore o una batteria a film sottile, in modo che un microprocessore e un trasmettitore in una postazione remota possano essere alimentati senza una fonte di alimentazione locale. Con l’avanzare della microelettronica, i sistemi di low power possono sfruttare l’energy harvesting per soddisfare i consumi bassi di potenza dell’ordine dei microwatt e nanowatt che coinvolgono i circuiti integrati odierni in varie situazioni di lavoro. In termini generali, le caratteristiche prestazionali dei IC necessari per l'inclusione in queste applicazioni sono [...]

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4 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 26 gennaio 2017
  2. superfriggi 27 gennaio 2017
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 11 febbraio 2017

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