Crepuscolare a batteria [progetto completo fai-da-te]

Nel mondo dell'embedded l'utilizzo di accumulatori come fonte di energia è senz'altro un aspetto interessante e forse per alcune applicazioni è l'unica soluzione percorribile; molto spesso però si cerca di evitare l'uso delle batterie in quanto forniscono autonomia limitata e aumentano l'ingombro del dispositivo. Attraverso la progettazione e lo sviluppo hardware e firmware di un crepuscolare vedremo come, utilizzando l'MCP1640 della Microchip che può essere definito a tutti gli effetti un "minatore di cariche", questi limiti possono essere in parte superati; questo chip permette di ridurre il numero delle batterie pur mantenendo la tensione di alimentazione desiderata, facilita l'ottimizzazione dei consumi e soprattutto fornisce la tensione desiderata anche con batterie che solitamente vengono considerate scariche.

Nella progettazione di sistemi elettronici spesso ci si imbatte nell'esigenza di dover alimentare i dispositivi utilizzando appositi accumulatori per motivi legati sia alla praticità di installazione sia alla disponibilità della tensione di rete. Se pensiamo ad esempio al mondo della sensoristica quanto appena detto risulta subito evidente e un esempio chiarificatore può essere quello dei sensori wireless per i sistemi di allarme: in molti edifici già esistenti e in cui si voglia installare un impianto di allarme, non sempre è possibile raggiungere tutti i punti di accesso con dei sensori cablati; in questi casi sarà necessario adottare dei sensori wireless che dovranno lavorare senza cablaggio e quindi tramite l’utilizzo di batterie. Di applicazioni simili che utilizzano come fonte di energia gli accumulatori ce ne sono delle più svariate e presenti in diversi ambiti.

L’utilizzo di accumulatori al posto della tensione di rete è sicuramente una possibilità allettante in quanto, oltre ad evitare la realizzazione dei cablaggi per fornire l’alimentazione al dispositivo, semplifica il circuito da realizzare visto che la tensione è già in regime continuo e a valori relativamente bassi, caratteristica solitamente ricercata in quasi tutti i dispositivi elettronici e ottenuta tramite apposita circuiteria. L’entusiasmo per l’utilizzo degli accumulatori viene però subito attenuato dall’annoso problema della scarica delle batterie, in quanto implica inevitabilmente una manutenzione periodica da parte dell’utente o dell’installatore e quindi un maggiore costo di manutenzione rispetto ai dispositivi alimentati a tensione di rete. Questo “neo” non può essere evitato in quanto è insito nella natura stessa degli accumulatori può però in qualche modo essere limitato o ridotto: una delle soluzioni più adottate è senz’altro quella dell’Energy Harvesting, tecnica con cui si cerca in qualche modo di “raccogliere” tutta l’energia che il dispositivo ha a disposizione dall’ambiente esterno per poi utilizzarla come fonte di alimentazione; nel nostro caso non ci occuperemo di Energy Harvesting ma vedremo come sfruttare al meglio l’energia delle batterie senza doverle buttare non appena la tensione scende di qualche volt.

MCP1640

L’MCP1640 è un convertitore step-up DC-DC compatto che permette di ottenere, con un’efficienza che può arrivare fino al 96%, una tensione di uscita regolabile da 2,0V a 5,5V e con una corrente massima di 300mA, a partire da una tensione di ingresso variabile da 0,35V a 5,5V. Avere un range così ampio per la tensione di ingresso è una caratteristica molto interessante che si traduce in due grandi vantaggi:

  • Il dispositivo continua a funzionare anche con batterie che solitamente vengono considerate scariche.
  • Il numero delle batterie può essere ridotto.

Consideriamo ad esempio una generica applicazione che lavora con una tensione minima di 2V. Senza l’uso dell’MCP1640 questa dovrà essere alimentata ad esempio da una serie di minimo due batterie di tipo AAA da 1,5V; se questa serie scende al di sotto dei 2V (supponiamo 1V a batteria) il dispositivo smetterà di funzionare; utilizzando invece l’MCP1640 non solo sarà possibile adottare anche solo una batteria da 1,5V (a vantaggio dello spazio occupato ma a discapito ovviamente della durata), ma la batteria potrà essere sfruttata fino a 0,35V anziché 1V.

Una nota va fatta anche sull’efficienza di questo convertitore, infatti questa dipenderebbe fortemente dalla combinazione tensione di ingresso - tensione di uscita - corrente di uscita ma grazie ad un’opportuna alternanza di due tecniche di controllo del convertitore (la PWM e la PFM) si riesce a far mantenere il valore dell’efficienza a valori sufficientemente alti per un ampio range di tensioni e correnti, come mostrato dalla seguente figura:

Efficienza

La scelta di una tecnica di controllo piuttosto che di un’altra è operata di volta in volta in modo da massimizzare l’efficienza.

Questo chip per poter eseguire la conversione necessita ovviamente di energia la quale verrà inevitabilmente presa dalla batteria posta in ingresso e se questo consumo “passivo” risulta superiore o paragonabile al consumo dell’intero dispositivo, influirà significativamente sulla durata della batteria. Per limitare questo effetto è stato previsto un pin di Enable che permette di mandare il chip in una sorta di stato di sleep in cui i consumi vengono drasticamente ridotti e portati al di sotto del micro ampere. Ovviamente quando l’MCP1640 viene disabilitato il circuito ad esso connesso deve ridurre i consumi in quanto l’energia per mantenere il circuito in vita sarà quella contenuta nelle capacità di alimentazione; nel progetto che accompagna questo articolo verrà illustrato con maggiore dettaglio quanto appena descritto.

Una cosa di cui fare molta attenzione è che, se viene sfruttata la funzione di Enable, il range di tensione di ingresso si riduce partendo non più dal valore 0,35V ma dal valore 0,65V, in quanto il convertitore è in grado di riabilitarsi solo se la tensione di ingresso è maggiore o uguale a 0,65V; ovviamente se il l’MCP1640 non viene disabilitato il range della tensione di ingresso rimane quello visto precedentemente.

L’MCP1640 è realizzato all’interno sia del package SOT23 a 6 pin sia del package DFN a 8 pin (9 se si considera anche il pin di dissipazione termica):

Package-MCP1640

 

MCP1640 2x3DFN MCP1640 SOT23 Simbolo Descrizione
1 4 VFB Feedback di tensione
2 - SGND Segnale di massa
3 - PGND Segnale di power
4 3 EN Enable
5 1 SW Collegamento induttore
6 - VOUTP Tensione di uscita
7 - VOUTS Sens della tensione di uscita
8 6 VIN Tensione di ingresso
9 - EP Dissipazione termica
- 2 GND Massa
- 5 VOUT Tensione di uscita

I pin tra i due package sono simili e per capirne il loro utilizzo una tipica applicazione sarà sicuramente chiarificatrice, come riportato nel manuale del componente e mostrato nella figura seguente:

an-MCP1640

Come possiamo vedere i componenti che corredano l’MCP1640 sono veramente pochi e la maggior parte sono definiti da manuale:

[...]

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2 Commenti

  1. Emanuelem 7 settembre 2015

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