Durata estesa della batteria del nodo sensore IoT grazie all'energy harvesting

Per acquisire dati da postazioni remote, i nodi di sensori sviluppati per l'Internet delle cose (IoT) devono essere in grado di funzionare il più a lungo possibile su una singola carica della batteria. In un mondo ideale, non ci sarebbe bisogno di una batteria perché la sua esistenza complica notevolmente la gestione del sistema, che richiede trasporti via terra a postazioni che sono difficili e costose da raggiungere.

Invece, il sistema acquisirebbe l'energia dal suo ambiente – attraverso il fotovoltaico, l'energia RF, la pressione e il calore, l'aria o il fluido in movimento. Ad esempio, un misuratore di portata dell'acqua potrebbe in teoria autosostenersi dall'energia raccolta dal mezzo che deve misurare. Un sensore a parete potrebbe raccogliere l'energia dalla luce incidente sulla sua superficie.

In pratica, l'efficienza energetica dei sistemi di sensori elettronici è troppo bassa per fare affidamento esclusivamente sulla raccolta di energia dall'ambiente. Tuttavia, è possibile sfruttare al massimo la carica di una batteria di lunga durata utilizzando quanta più energia ambientale possibile, anche se questo complica la progettazione del sistema risultante.

Uno dei problemi principali è che la potenza è difficile da "catturare" perché si presenta come tensione molto bassa o molto alta ma con difficili problemi di fase. Di conseguenza, sono necessarie tecniche specializzate per gli ingressi, che includono la fornitura di un convertitore boost in grado di gestire le fonti a bassa tensione, alta impedenza che molti moduli di harvesting presentano al sistema. Inoltre, circuiti quali i convertitori boost possono introdurre rumore ad alta frequenza che può disturbare le comunicazioni radio. Il sistema deve essere in grado di soddisfare queste situazioni.

Un ulteriore requisito, in particolare nel caso del fotovoltaico e dei generatori termoelettrici, è il supporto per l'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). Ogni modulo fotovoltaico ha una curva caratteristica corrente-tensione (IV) che dipende non solo dalla luce incidente, ma anche dalla temperatura. La curva determina la tensione alla quale è realizzabile il massimo energy harvesting. Allontanandosi da questa tensione si può ridurre la corrente acquisita e perciò anche l'energia.

Figura 1: Curva IV di un harvester fotovoltaico.

La temperatura incide sull'efficienza di uscita di picco di un modulo. Temperature elevate causano la caduta della tensione di uscita del modulo. Di conseguenza, anche durante i periodi di luce solare intensa quando dovrebbero essere al massimo dell'efficienza, i pannelli fotovoltaici possono soffrire da cadute nell'efficienza di conversione se i circuiti elettronici non compensano la caduta di tensione conseguente. MPPT consente all'elettronica di conversione di potenza di tenere traccia delle variazioni nelle condizioni e assicura la selezione della tensione più appropriata. Fortunatamente, lo spostamento nel punto di massima potenza in risposta ai cambiamenti nell'illuminazione in genere sono relativamente piccoli, così il circuito di controllo MPPT deve analizzare solo una parte relativamente piccola della curva IV.

Gli harvester piezoelettrici mostrano un comportamento diverso ma paragonabile: la tensione a circuito aperto è approssimativamente inversamente proporzionale alla corrente di cortocircuito. Gli elementi piezoelettrici possono essere posizionati in serie o in parallelo per sviluppare l'intervallo di tensioni desiderato per l'harvesting. In genere, gli harvester piezoelettrici producono la massima potenza quando funzionano a circa la metà della tensione a circuito aperto.

Figura 2: Curva IV di un harvester piezoelettrico.

Un'ulteriore considerazione da fare a livello di sistema riguarda la gestione efficiente dell'energia raccolta, assicurandosi che la batteria non sia sovraccaricata accidentalmente e che il processo necessario per acquisire e immagazzinare l'energia non costi più in joule di ciò che si possa immagazzinare. Molto spesso è utile combinare una batteria con un supercondensatore per evitare problemi con la ricarica da una fonte inaffidabile.

Anche se più facile, in linea di principio, da controllare di una batteria ricaricabile, la bassa tensione dei supercondensatori significa che spesso vengono distribuiti in serie per ottenere una tensione compatibile con la maggior parte dell'elettronica di sistema. Quando sono disposti in serie, la distribuzione di tensione attraverso lo stack di supercondensatori è inizialmente una funzione della capacitanza. Tuttavia, se lo stack è mantenuto alla stessa tensione su un arco di tempo, la distribuzione di tensione si sposta per diventare una funzione della resistenza parallela interna a causa degli effetti delle correnti di dispersione.

Una tecnica di progettazione per ridurre il cambiamento nella tensione causato dalla perdita consiste nell'inserire un resistore in parallelo con ogni dispositivo supercondensatore. Tuttavia, questo aumenta la perdita di energia, un attributo indesiderato per i progetti di energy harvesting. Il bilanciamento attivo del supercondensatore è una risposta più efficiente ed è una delle funzionalità implementate nel dispositivo LTC3331 di Linear Technology, uno di una serie di dispositivi progettati specificamente per affrontare le questioni sollevate dalla combinazione di batteria ed energia raccolta. La loro disponibilità riduce la necessità per i progettisti di sistema di implementare soluzioni discrete.

Figura 3: Applicazione tipica per LTC3331, che mostra la connessione del bilanciatore supercondensatore a destra.

Il bilanciatore supercondensatore attivo in LTC3331 funziona con due dispositivi utilizzando il pin BAL per svolgere la sua funzione. Il controller in LTC3331 funge attivamente da source e drain fino a 10 mA per regolare la tensione del pin BAL a metà della tensione di uscita del dispositivo. Il bilanciatore consuma 150 nA. Se il bilanciamento non è necessario o consuma troppa energia per l'applicazione, può essere disattivato e la corrente di quiescenza può essere ridotta a zero legando il pin BAL a terra insieme a SCAP, che è normalmente legato a Vout quando è attivo. 

Il nucleo di progetti, come LTC3331 è un convertitore c.c./c.c. boost o buck/boost progettato per funzionare con i tipici harvester per l'energia. Questo convertitore è accoppiato per controllare l'elettronica che controlla quando è attivo il convertitore boost. Il controller può inoltre eseguire i calcoli MPPT. LTC3331, ad esempio, funzionerà con fonti piezoelettriche o fotovoltaiche ed è ideale per l'utilizzo in sistemi wireless dove il consumo di potenza medio è molto basso ma esige maggiori livelli di burst per il trasporto di dati a un hub o un gateway. Questo assorbirà energia dal supercondensatore e, potenzialmente, anche dalla batteria, a seconda di quanta energia è stata raccolta dall'ultima comunicazione.

Con LTC3331, l'energia disponibile viene trasferita attraverso un raddrizzatore a ponte dove si accumula su un condensatore di ingresso. Un circuito di blocco di sottotensione che funziona a bassa corrente di quiescenza consente l'aumento della tensione sul condensatore verso una soglia programmata. Oltrepassata la soglia, il convertitore buck si accende e trasferisce l'energia al rail di uscita. Se la tensione del condensatore di ingresso scende sotto una soglia di caduta – di solito impostata su un punto diverso dalla soglia di aumento per evitare oscillazioni indesiderate – il convertitore buck si spegne e il buck/boost si accende per soddisfare il carico dall'ingresso della batteria, sebbene l'energia possa continuare ad essere raccolta nel supercondensatore.

Il dispositivo ADP5090 prodotto da Analog Devices fornisce un convertitore boost per fonti termoelettriche e solari a bassa tensione, funzionante da tensioni anche di soli 380 mV. Fornisce un'interfaccia per una batteria ausiliaria o un supercondensatore, nonché supporto per MPPT.

Figura 4: Diagramma applicativo per ADP5090 con il collegamento del condensatore per l'archiviazione dell'impostazione MPPT (CBP) a sinistra.

Il controllo MPPT è mantenuta con l'ausilio di un condensatore esterno che deve essere selezionato per la bassa perdita, perché l'ingresso dell'harvester è campionato mediante la circuiteria di controllo ogni 19 secondi circa. Se la tensione del condensatore scende, si riduce l'efficacia del controller MPPT. I componenti ceramici 10 nF X7R o C0G a bassa dispersione offrono adeguati livelli di prestazioni. Per supportare tensioni di harvesting molto basse, ADP5090 incorpora una pompa di carica per consentire il convertitore boost per l'avvio da tensioni di ingresso molto basse. La circuiteria aggiuntiva controlla se la tensione è così bassa da iniziare a scaricare la batteria se dovesse essere eseguito il convertitore boost per tentare di raccogliere l'energia disponibile.

Per le applicazioni wireless, dove l'elettronica RF può essere molto sensibile al rumore in particolare al funzionamento a bassa potenza, il convertitore a commutazione boost può essere interrotto temporaneamente sotto controllo hardware o software esterno portando in alto il pin DIS_SW.

Un'ulteriore opzione è bq25504 di Texas Instruments. Il dispositivo è in grado di avviarsi a freddo da un ingresso fornito dall'harvester di energia di 330 mV e sostenere tensioni in esecuzione anche di soli 80 mV. Questo ingresso alimenta un convertitore boost con una corrente di quiescenza di 330 nA. Sebbene bq25504 non include un controllo diretto su una batteria ausiliaria, controlla tensioni massime e minime contro le condizioni di sottotensione e sovratensione programmabili dall'utente per evitare danni all'elemento di archiviazione. Per aiutare con la gestione dell'energia, il dispositivo controlla un flag 'batteria buona' per segnalare a un microprocessore collegato quando la tensione su un accumulatore di energia o un condensatore è scesa sotto un livello critico pre-impostato. Questo è studiato per attivare la riduzione delle correnti di carico per impedire al sistema di entrare in una condizione di sottotensione.

Fornendo un modo per mescolare la potenza da una batteria e un harvester, le soluzioni quali LTC3331, ADP5090 e bq25504 renderanno più facile implementare nodi di sensori IoT che possono sopravvivere per periodi molto lunghi su una singola carica.