Conversione a bassa potenza per l'energy harvesting

C'è abbondanza di energia ambientale nel mondo che ci circonda e l'approccio convenzionale per l'energy harvesting si è concentrato sui pannelli solari e sui generatori eolici. Tuttavia, i nuovi strumenti di harvesting consentono la produzione di energia elettrica da un'ampia varietà di fonti ambientali. Inoltre, ciò che importa non è l'efficienza della conversione energetica dei circuiti, quanto piuttosto l'energia "media raccolta" disponibile per alimentarli. Ad esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in elettricità, gli elementi piezoelettrici convertono la vibrazione meccanica, il fotovoltaico converte la luce del sole (o qualsiasi fonte di fotoni) e l'attività galvanica viene usata per convertire l'umidità in elettricità. Ciò consente di alimentare sensori remoti, oppure di caricare un dispositivo di accumulo come un condensatore o una batteria a film sottile, così che un microprocessore o un trasmettitore possa essere alimentato da una postazione remota senza una fonte di alimentazione locale.

Tuttavia, è all'estremità "bassa" dello spettro di potenza, dove la conversione di nanopotenze in reti di sensori wireless (WSN) e altri sensori si sta diffondendo sempre più, che si avverte la necessità di CI di conversione di potenza in grado di funzionare con livelli bassissimi di potenza e di corrente. Spesso si tratta, qualche decina di microwatt di potenza e di nanoampere di corrente. Tuttavia, la disponibilità di questi prodotti di conversione, compresi i caricabatteria, che operano al di sotto di 1 µA di corrente è estremamente limitata.

In termini generali, le caratteristiche prestazionali dei CI necessarie per l'inserimento in queste applicazioni includono quanto segue:

• Basse correnti di quiescenza in standby, in genere inferiori a 6 µA e fino a 450 nA
• Basse tensioni di avvio, anche di soli 20 mV
• Alta capacità di tensione di ingresso, fino a 34 V continua e 40 V transitoria
• Capacità di gestire gli ingressi c.a.
• Gestione di potenza del sistema autonoma e capacità di uscite multiple
• Punto di massima potenza in ingresso (MPPC) per gli ingressi solari
• Ingombri ridotti della soluzione con componenti esterni minimi

Le WSN sono fondamentalmente un sistema autonomo costituito da un trasduttore di un qualche tipo per convertire la fonte di energia ambientale in un segnale elettrico, solitamente seguito da un convertitore c.c./c.c. e un dispositivo di gestione per alimentare l'elettronica a valle con il livello di tensione e la corrente corretti. L'elettronica a valle è costituita da un microcontroller, un sensore e un ricetrasmettitore.

Quando si cerca di implementare le WSN, una buona domanda da porsi è: quanta potenza serve per farle funzionare? Concettualmente sembrerebbe un calcolo abbastanza semplice; in realtà, è un po' più complesso a causa di un certo numero di fattori. Ad esempio: con che frequenza occorre effettuare le letture? O, più importante, quanto grande sarà il pacchetto di dati e quanta potenza serve per trasmetterlo? Questo è dovuto al fatto che il ricetrasmettitore consuma circa il 50% dell'energia usata dal sistema per la lettura di un solo sensore e la trasmissione dei dati. Diversi fattori influenzano le caratteristiche di consumo energetico di un sistema di energy harvesting o di una WSN e vanno tutti presi in considerazione.

Ovviamente, l'energia fornita dalla fonte di energy harvesting dipende dalla durata della disponibilità della fonte. Pertanto, la metrica primaria per il confronto delle fonti "racimolate" è la densità di potenza, non la densità di energia. L'energy harvesting in genere è soggetto a livelli bassi, variabili e imprevedibili di potenza disponibile, per cui spesso vengono utilizzate in una struttura ibrida che si interfacci con l'harvester e con una riserva di potenza secondaria. Date la sua fonte illimitata di energia e la carenza di potenza, l'harvester è la fonte energetica del sistema. La riserva di potenza secondaria, una batteria o un condensatore, producono una potenza di uscita maggiore ma immagazzinano meno energia, fornendo alimentazione quando richiesto; altrimenti, ricevono la carica regolarmente dall'harvester. Quindi, in situazioni in cui non è presente energia ambientale da cui raccogliere potenza, per alimentare la WSN occorre attingere alla riserva di potenza secondaria. Ovviamente, dal punto di vista di un progettista di sistema, questo aumenta ulteriormente la complessità dato che occorre tener conto anche della quantità di energia che deve essere immagazzinata nella riserva secondaria per compensare la mancanza di una fonte di energia ambientale.

È ovvio che le WSN devono usare livelli molto bassi di energia, quando disponibile. Questo, a sua volta, significa che i componenti usati nel sistema devono poter gestire questi bassi livelli di potenza. Mentre questa capacità è già stata raggiunta con i ricetrasmettitori e i microcontroller, sul fronte dell'equazione della conversione di potenza e di carica delle batterie ci sono ancora dei vuoti. Tuttavia, Linear Technology ha sviluppato LTC3388-1/-3 e LTC4071 per soddisfare espressamente tali requisiti.

LTC3388-1/-3 è un convertitore buck sincrono capace di un ingresso a 20 V che può erogare fino a 50 mA di corrente di uscita continua da un contenitore di 3 x 3 mm (o MSOP10-E); vedere la Figura 1. È in grado di funzionare in un intervallo di tensione di ingresso tra 2,7 e 20 V, il che lo rende ideale per un'ampia serie di applicazioni di energy harvesting e alimentate a batteria, incluse le alimentazioni "keep-alive", i sensori e i controlli industriali.

Figura 1: Schema di applicazione tipica di un LTC3388-1/-3

LTC3388-1/-3 utiliza il raddrizzamento sincrono a isteresi per ottimizzare l'efficienza su un ampio intervallo di correnti di carico. Può offrire un'efficienza superiore al 90% per carichi che vanno da 15 μA a 50 mA e richiede solo 400 nA di corrente di quiescenza, il che gli consente di offrire una durata della batteria prolungata quando viene utilizzata per l'alimentazione ausiliaria.

LT3388-1/-3 incorpora una funzione ULVO (blocco di sottotensione) accurata per disattivare il convertitore quando la tensione d'ingresso scende sotto 2,3 V, riducendo la corrente di quiescenza a soli 400 nA. In modalità regolazione (senza carico), LTC3388-1/-3 entra in modalità di riposo per ridurre al minimo la corrente di quiescenza a soli 720 nA. Il convertitore buck si attiva e disattiva in base alle necessità per mantenere un'uscita regolata. Una modalità standby aggiuntiva disattiva la commutazione mentre l'uscita è in modalità regolazione per carichi di breve durata, come nel caso di modem wireless che richiedono un basso ripple. Questo progetto ad alta efficienza con bassa corrente di quiescenza è ideale per l'energy harvesting, che richiede lunghi cicli di carica accompagnati da brevi carichi di punta per alimentare sensori e modem wireless.

Spesso, una batteria viene usata come alimentazione tampone ausiliaria in WSN; tuttavia, la sfida progettuale su come caricarla da fonti a bassa potenza non è di poco conto. LTC4071 di Linear è un sistema caricabatterie con shunt che include protezione del gruppo batteria integrata e una funzione di disconnessione di una batteria quasi scarica per proteggere batterie di bassa capacità da danni dovuti all'autoscarica. Si tratta di un dispositivo di protezione e di un caricabatteria semplice ma sofisticato per batterie agli ioni di litio/polimeri. La sua corrente di funzionamento ultra bassa di 550 nA consente la carica da una corrente molto bassa in precedenza inutilizzabile, da fonti di ricarica intermittenti o continue come quelle fornite da applicazioni di energy harvesting. Un condizionatore termico interno riduce la tensione variabile per proteggere le celle Li-Ion/polimeri, le celle a bottone o batterie a film sottile da temperature delle batterie elevate. Alloggiato in un contenitore DFN a profilo ribassato, a 8 conduttori, di 2 x 3 mm, LTC4071 offre una soluzione per caricabatteria completa e ultracompatta che richiede una sola resistenza esterna in serie con la tensione d'ingresso.

Anche se le applicazioni portatili e i sistemi di energy harvesting hanno un'ampia estensione di livelli di potenza per operare correttamente, da microwatt a grandezze superiori a 1 W, il progettista di sistema ha a disposizione diverse CI di conversione di potenza fra cui scegliere. Tuttavia, è al livello più basso dell'intervallo di potenza, dove i livelli sono dell'ordine di nanopotenze, che la scelta si fa limitata.

Fortunatamente, il progettista ha a disposizione soluzioni di conversione di potenza e caricabatteria, con correnti di quiescenza inferiori a un microampere per prolungare la durata della batteria per circuiti keep-alive in sensori a basso consumo e in una nuova generazione di WSN.