Nel settore dell’energy harvesting e dell’Internet delle cose si sta raggiungendo “un punto di flesso”

Il campo di applicazione dei sistemi di alimentazione portatili è vasto e differenziato. I prodotti vanno dalle reti senza fili di sensori (WSN, Wireless Sensor Network) che consumano potenze il cui valore medio è misurabile in microwatt, a sistemi di acquisizione dati o apparecchiature mediche collocate su carrelli e che impiegano batterie ricaricabili da varie centinaia di wattora. Ma nonostante questa molteplicità, sono emerse alcune tendenze: i progettisti continuano a richiedere più potenza nei loro prodotti a supporto di una sempre maggiore funzionalità e vogliono che la batteria possa essere caricata utilizzando qualsiasi sistema di alimentazione disponibile. La prima tendenza implica capacità delle batterie sempre più elevate. Sfortunatamente, gli utenti spesso sono impazienti e queste batterie di capacità superiore devono essere caricate in un tempo ragionevole, il che comporta correnti di carica maggiori. La seconda tendenza richiede che la soluzione ideata per la carica della batteria sia estremamente flessibile poiché deve gestire un’ampia gamma di sistemi di alimentazione e potenze d’ingresso. 

Panoramica sullo stato dell’arte

La proliferazione di sensori wireless compatibili con l’Internet delle cose (IoT) ha aumentano la richiesta di convertitori di potenza compatti ed efficienti realizzati su misura per dispositivi a potenza inferiore senza fili.  Uno degli ultimi segmenti emergenti in relazione all’IoT e particolarmente interessante dal punto di vista dell’accumulazione di energia (“energy harvesting”), è quello dei dispositivi elettronici indossabili, che include già prodotti quali Samsung Galaxy Gear e Google Glass. Ma un fattore di forma che, in questo segmento, suscita grandi aspettative è quello degli orologi da polso. Non mi riferisco qui al ricetrasmettitore indossato al polso, sotto forma di un normale orologio, da Dick Tracy nei classici fumetti degli anni Quaranta, bensì alle versioni attuali che offrono le funzioni di trasmissione dati e comunicazioni vocali, navigazione in Internet e streaming di video che troviamo riunite in uno smartphone. Sul mercato sono già disponibili molti di tali prodotti; una ricerca veloce in Amazon ne mostra oltre mezza dozzina e un esempio notevole è il Qualcomm Toq. Ciò nonostante, sembra che questo dispositivo, e molti altri, siano messi in ombra dall’iWatch di Apple, del quale si parla molto.  Naturalmente, la tecnologia dei dispositivi indossabili non risponde solo alle esigenze delle persone; esistono molte applicazioni adatte anche per gli animali. Alcune delle più recenti: speciali cerotti per ultrasuonoterapia, sistemi di ottimizzazione elettronica della sella di un cavallo, collari per altri animali che rispondono a scopi di monitoraggio, identificazione, diagnosi e così via. Indipendentemente dall’applicazione, la maggior parte di questi dispositivi richiede una batteria come sorgente primaria di potenza. Tuttavia, per quanto riguarda le applicazioni concepite per le persone, sembra che ben presto saranno disponibili tessuti indossabili in grado di generare energia elettrica sfruttando l’energia solare. Li si possono considerare esoscheletri! Una delle imprese all’avanguardia in questo campo di ricerca è Dephotex, un progetto fondato dall’Unione Europea che ha sviluppato metodi per fabbricare un materiale fotovoltaico leggero e flessibile quanto basta per essere indossato. Naturalmente, il materiale converte i fotoni in energia elettrica, che a sua volta è utilizzabile per alimentare vari dispositivi elettronici indossati dall’utente o per caricarne le batterie principali o anche per una combinazione delle due funzioni.

Problemi riguardanti la conversione di potenza

Al limite inferiore dello spettro di potenza esistono requisiti sulla conversione di nanopotenza per sistemi di energy harvesting (EH) come quelli spesso presenti nelle WSN e che devono impiegare circuiti integrati di conversione della potenza in grado di gestire livelli bassissimi di potenza e corrente, come decine di microwatt e nanoampere.  Le tecnologie EH avanzate e immediatamente disponibili, ad esempio in celle fotovoltaiche indossabili o in locali chiusi e in sistemi di accumulazione dell’energia generata da vibrazioni, producono livelli di potenza dell’ordine dei milliwatt in condizioni di funzionamento tipiche. Sebbene questi livelli di potenza possano apparire limitativi, il funzionamento di elementi di energy harvesting nel corso di vari anni può far sì che le tecnologie siano in gran parte compatibili con batterie principali di lunga durata, sia per quanto riguarda la raccolta di energia che in termini del costo unitario dell’energia fornita. Inoltre, i sistemi che incorporano soluzioni EH in genere sono in grado di ricaricarsi quando la carica si esaurisce, un vantaggio che manca nei sistemi alimentati da batterie principale. Ciò nonostante, nella maggior parte delle implementazioni si impiega una sorgente di energia ambiente come generatore primario di energia, ma integrandola con una batteria principale che può essere inserita se tale sorgente non è più disponibile o viene interrotta.  Naturalmente, l’energia fornita dalla sorgente di energy harvesting dipende dal periodo di tempo in cui tale generatore è disponibile. Quindi, il parametro principale per confrontare le fonti di energia accumulata è la densità di potenza, non la densità di energia. Poiché l’accumulazione di energia dipende da livelli di potenza bassi, variabili e imprevedibili, si utilizza spesso una struttura ibrida che s’interfaccia con l’accumulatore di energia oltre a una riserva secondaria di potenza. Quest’ultima potrebbe essere una batteria ricaricabile o un condensatore di accumulazione dell’energia (forse anche supercondensatori). A causa della sua alimentazione illimitata e della carenza di potenza, l’accumulatore è la fonte energetica del sistema. La riserva di potenza secondaria – una batteria o un condensatore – fornisce una potenza di uscita maggiore ma accumula meno energia, fornendo potenza quando necessario, ma venendo regolarmente ricaricata dall’accumulatore. Quindi, in mancanza di energia ambientale occorre usare la riserva di potenza secondaria per alimentare i sistemi elettronici a valle o la WSN. Naturalmente, questo comporta un ulteriore grado di complessità per il progettista, che ora deve tenere conto della quantità di energia da accumulare nel sistema di riserva secondaria per compensare la mancanza di una fonte di energia ambientale.

Soluzioni per l’energy harvesting

Fortunatamente, per il progettista di sistemi così complessi esistono vari circuiti integrati di conversione della potenza che offrono le funzionalità e le caratteristiche prestazionali necessarie per consentire l’utilizzo di livelli così bassi di energia accumulata in applicazioni tecnologiche indossabili. Recentemente, Linear Technology ha introdotto LTC3331 per rispondere specificamente a questi requisiti, come illustrato nella Figura 1.

Figura 1. Circuito integrato LTC3331 per energy harvesting e prolungamento della durata della batteria

Figura 1: circuito integrato LTC3331 per energy harvesting e prolungamento della durata della batteria

Il circuito integrato LTC3331 è una soluzione EH completa dotata di circuito di regolazione, che genera fino a 50mA di corrente continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia da accumulare. Non assorbe corrente di alimentazione dalla batteria quando trasferisce potenza regolata al carico utilizzando l’energia accumulata e solo 950nA quando è alimentato dalla batteria a vuoto. Integra un alimentatore EH ad alta tensione oltre a un convertitore CC/CC buck-boost sincrono alimentato da una batteria principale a celle, ricaricabile, per creare una singola uscita di continuità per applicazioni di energy harvesting come quelle delle WSN.   L’alimentatore EH dell'integrato LTC3331, consistente di un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi CA o CC e di un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, accumula l’energia generata da sorgenti piezoelettriche (CA), solari (CC) o magnetiche (CA). Uno shunt da 10mA consente di caricare la batteria con l’energia accumulata, mentre una funzione di scollegamento della batteria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti della scarica profonda. La batteria ricaricabile alimenta un convertitore buck-boost sincrono che funziona con tensione d’ingresso compresa tra 1,8V e 5,5V e s’inserisce quando l’energia accumulata non è disponibile, per regolare l’uscita indipendentemente dal livello a cui si trova l’ingresso: superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. Il caricabatteria dell'integrato LTC3331 è dotato di una funzione molto importante di gestione della potenza e che non può essere trascurata quando si impiegano sorgenti di micropotenza. Il circuito integrato LTC3331 incorpora una funzione di controllo logico del circuito di carica della batteria tale che questa viene caricata solo quando l’alimentatore che accumula l’energia ne ha una quantità in eccesso; senza questa funzione logica, all’avvio la sorgente di energia accumulata rimarrebbe ‘bloccata’ in qualche punto di funzionamento non ottimale e non sarebbe in grado di alimentare il dispositivo previsto.

Il circuito integrato LTC3331 inserisce automaticamente la batteria quando la sorgente per energy harvesting non è più disponibile. Si ottiene così l’ulteriore vantaggio di consentire alla WSN alimentata dalla batteria di prolungarne la durata operativa da 10 a oltre 20 anni se per almeno metà del tempo è disponibile una sorgente di alimentazione EH adatta; la durata sarà ancora maggiore se tale sorgente è disponibile per un intervallo più lungo. È stato integrato anche un circuito di bilanciamento a supercondensatore, che consente di accumulare una quantità maggiore di energia all’uscita.  Il modello LTC3129 è un convertitore buck-boost sincrono che eroga sino a 200mA di corrente di uscita continua a partire da un’ampia gamma di generatori: batterie a una o più celle, pannelli solari e supercondensatori. L’intervallo di tensioni d’ingresso – da 2,42V a 15V – e di uscita – da 1,4V a 15,75V – assicura un’uscita regolata con ingresso di valore superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. La topologia buck-boost a basso rumore incorporata nell'integrato LTC3129 offre una transizione continua attraverso tutte le modalità operative, rendendolo ideale per applicazioni EH in cui la tensione di uscita deve rimanere costante anche se la tensione d’ingresso scende sotto di essa (vedere la Figura 2).

Figura 2. Convertitore buck-boost da 15V e 200mA LTC3129

Figura 2: convertitore buck-boost da 15V e 200mA LTC3129

Il convertitore buck-boost LTC3129 include la funzione di controllo del punto di potenza massima programmabile (MPPC) che assicura l’estrazione della massima potenza possibile da sorgenti di potenza non ideali, come celle fotovoltaiche. La corrente di quiescenza di soli 1,3µA lo rende ideale per applicazioni di energy harvesting e “always-On”, in cui un’autonomia prolungata della batteria è di importanza fondamentale. La frequenza di commutazione costante dell’LTC3129, pari a 1,2MHz, assicura basso rumore e alta efficienza oltre a ridurre al minimo le dimensioni dei componenti esterni.

Conclusione

Anche se le applicazioni indossabili con sistemi di energy harvesting richiederanno un vasto intervallo di livelli di potenza per il corretto funzionamento, dai microwatt a oltre 1 watt, per il progettista di sistemi è già disponibile un’ampia scelta di circuiti integrati di conversione della potenza. Ma è nella fascia inferiore della gamma di potenze, dove occorre convertire correnti a livello di nanoampere, che la scelta diventa limitata.  Fortunatamente, la combinazione dell’integrato LTC3331, che accumula l’energia e prolunga la durata della batteria, e del convertitore buck-boost sincrono a bassa potenza LTC3129, offre correnti di quiescenza bassissime, per cui i due dispositivi sono ideali per una ampia gamma di applicazioni a bassa potenza. Correnti di quiescenza minori di 1,3µA prolungano la durata della batteria per circuiti che devono essere sempre alimentati in dispositivi elettronici portatili e indossabili, mentre rendono possibile una nuova generazione di applicazioni EH. E questo è molto interessante poiché sono prossimi cambiamenti di grande rilievo nel settore dell’energy harvesting e dell’Internet degli oggetti; stiamo per raggiungere “un punto di flesso”.

A cura di Tony Armstrong Director of Product Marketing Linear Technology Corporation

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 19 gennaio 2017

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