Progettare per bassi consumi: quanto sono sufficientemente bassi?

I moderni dispositivi palmari – sia quelli orientati al mercato consumer che quelli industriali – possono includere un telefono cellulare che può anche essere utilizzato come modem, un modulo Wi-Fi, un modulo Bluetooth, un grande display retroilluminato … e l’elenco può continuare. L’architettura del sistema di alimentazione di molti dispositivi palmari può quindi rispecchiare quella di un telefono cellulare. In genere, si impiega una batteria agli ioni di litio da 3,7V come generatore primario di energia grazie alla sua elevata densità di energia gravimetrica (W·h/kg) e volumetrica (W·h/m3).

Panoramica sullo stato dell’arte

Nel passato, molti dispositivi ad alta potenza utilizzavano una batteria agli ioni di litio da 7,4V per ridurre la corrente necessaria, ma la disponibilità di circuiti integrati economici di gestione della potenza da 5V ha portato all’adozione dell’architettura a tensione inferiore per un numero sempre crescente di dispositivi palmari. Ciò nonostante, elevate correnti di carica non impediscono ai consumatori di voler caricare i loro dispositivi ad alta potenza da una porta USB nel caso in cui un adattatore da parete AC/DC a elevata corrente non fosse disponibile. Per soddisfare questi requisiti, un caricabatteria deve essere in grado di caricare a una corrente elevata (>2A) quando l’adattatore da parete è collegato, ma deve poter continuare a utilizzare in modo efficiente la potenza di 2,5W – 4,5W fruibile dalla porta USB. Muovendoci verso l’altro estremo dello spettro dei consumi di potenza, esistono requisiti sulla conversione di nanopotenza per sistemi di accumulazione di energia (energy harvesting, EH) come quelli spesso presenti nelle reti di sensori wireless (WSN) e che devono impiegare circuiti integrati di conversione della potenza in grado di raccogliere, immagazzinare e gestire livelli bassissimi di potenza e corrente, come decine di microwatt e nanoampere.

L’energy harvesting per reti di sensori wireless

Nel mondo, intorno a noi, c’è una quantità enorme di energia disponibile nell’ambiente, e con l’approccio convenzionale all’energy harvesting si è fatto ricorso ai pannelli solari e ai generatori eolici. Tuttavia, nuovi strumenti di accumulazione dell’energia consentono di produrre energia elettrica sfruttando un’ampia gamma di fonti ambientali. Inoltre, è importante non tanto l’efficienza della conversione energetica dei circuiti, ma soprattutto la quantità di energia “immagazzinata media” disponibile per alimentarli. Per esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in energia elettrica, gli elementi piezoelettrici convertono l’energia delle vibrazioni meccaniche e gli impianti fotovoltaici convertono la luce solare (o qualsiasi altra sorgente di fotoni). Risulta così possibile alimentare sensori remoti o caricare un dispositivo di “storage”, come un condensatore o una batteria a film sottile, affinché sia possibile alimentare un microprocessore o un trasmettitore da un punto remoto senza un generatore locale. Le WSN sono essenzialmente sistemi autonomi consistenti di un trasduttore per convertire l’energia ambientale in un segnale elettrico, in genere seguito da un convertitore DC/DC e da un circuito di gestione per fornire il giusto livello di tensione e di corrente all’elettronica a valle, costituita tipicamente da un microcontrollore, un sensore e un transceiver a basso consumo.

Quando si prova a realizzare una WSN, è opportuno porsi la seguente domanda: quanta potenza serve per farla funzionare? In teoria sembrerebbe facile rispondere, mentre in realtà non è così semplice a causa di vari fattori. Ad esempio, con quale frequenza si devono rilevare i dati? O, ancora più importante: che dimensioni ha il pacchetto di dati e a che distanza deve essere trasmesso? Ciò impatta notevolmente i consumi del transceiver che, ad esempio potrebbe assorbire anche fino al 50% dell’energia usata da tutto il sistema magari per una singola lettura del sensore.

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’immagazzinamento 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 e una riserva secondaria di potenza.

A causa della sua alimentazione potenzialmente illimitata e della carenza di potenza, l’accumulatore sarà la fonte energetica del sistema. Non solo: una 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 che possa essere accumulata, occorre usare la riserva di potenza secondaria per alimentare la WSN. Naturalmente, questo comporta un ulteriore grado di complessità per il progettista, che a questo punto deve tenere conto della quantità di energia da accumulare nel sistema di riserva secondaria per compensare la mancanza di una fonte di energia ambientale. La quantità esatta da accumulare dipende da numerosi fattori:

  • il periodo di tempo durante il quale la fonte di energia ambientale è assente;
  • il duty cycle della WSN (ossia la frequenza alla quale devono essere letti e trasmessi i dati);
  • le dimensioni e il tipo di “riserva” secondaria (condensatore, supercondensatore o batteria);
  • se è disponibile energia ambientale sufficiente sia per operare come generatore primario che per lasciare energia residua sufficiente per caricare una riserva secondaria quando l’energia ambientale non è disponibile per un determinato periodo.

Le fonti di energia ambientale sono molteplici: luce solare, differenziali di temperatura, elementi vibranti, segnali RF trasmessi o qualsiasi altra sorgente in grado di produrre cariche elettriche attraverso un trasduttore.

Fonte di energia Livello di energia tipico prodotto Applicazione tipica
Pannelli solari compatti Alcune centinaia di mW/cm2 (luce solare diretta) Dispositivi elettronici palmari
Pannelli solari compatti Alcune centinaia di µW/cm2 (luce solare indiretta) Dispositivi elettronici palmari
Dispositivi Seebeck (che convertono l’energia termica in energia elettrica) Alcune decine di µW/cm2 (calore corporeo) Sensori wireless remoti
Dispositivi Seebeck (segue) Alcune decine di mW/cm2 (sistema di scarico dei fumi di una caldaia) Attuatori wireless remoti
Dispositivi piezoelettrici (che producono energia mediante compressione o deflessione di un elemento elastico) Alcune centinaia di µW/cm2 Dispositivi elettronici palmari o attuatori wireless remoti
Energia a radiofrequenza da un’antenna Alcune centinaia di pW/cm2 Sensori wireless remoti

Tabella 1: fonti di energia e la quantità di energia che possono produrre

Soluzione con circuiti integrati per nanopotenze

È chiaro che le WSN hanno livelli molto bassi di energia disponibile. Ciò a sua volta significa che i componenti impiegati nel sistema devono essere in grado di funzionare con tali bassi livelli di potenza. Sebbene questo sia stato già ottenuto nel caso dei transceiver e dei microcontroller, per quanto riguarda la conversione della potenza c’è un vuoto. Analog Devices Inc. ha quindi introdotto l’LTC3388-1/-3 per rispondere specificamente a questo requisito. Il circuito integrato LTC3388-1/-3 è un convertitore buck sincrono che accetta un ingresso sino a 20V e può erogare all’uscita sino a 50mA di corrente continua; è realizzato in un package di 3mm x 3mm (o MSOP10-E) – vedere lo schema nella Figura 2. Funziona con un range di tensione d’ingresso da 2,7V a 20V, così da essere ideale per un’ampia gamma di energy harvester e applicazioni alimentate a batteria, compresi applicazioni “keep-alive” e controlli industriali.

Figura 1: tipico circuito applicativo dell’LTC3388-1/-3

Il convertitore LTC3388-1/-3 utilizza un circuito di raddrizzamento sincrono a isteresi per ottimizzare l’efficienza in un ampio range di correnti di carico. Può offrire efficienza superiore al 90% per carichi da 15uA a 50mA e richiede una corrente di quiescenza di soli 400nA, per cui assicura una durata più lunga della batteria. La combinazione di un package DFN di 3mm x 3mm (o MSOP-10) con i soli cinque componenti esterni rappresenta una soluzione molto semplice e dall’ingombro ridottissimo per un’ampia gamma di applicazioni a bassa potenza.

Conclusione

Anche se le applicazioni portatili e i sistemi di energy harvesting richiedono un’ampia gamma di livelli di potenza per il corretto funzionamento, dai microwatt a oltre 1 watt, per il progettista di sistemi è già disponibile una vasta 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, il convertitore buck monolitico LTC3388-1/-3 è ideale per tali applicazioni a bassa potenza.

 

di Tony Armstrong - Marketing Director, Power Products - Analog Devices Inc.

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 30 gennaio 2018

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