Come e quando utilizzare l'energy harvesting per alimentare l'IoT massivo

L'introduzione del 5G sta provocando un'esplosione del numero di reti di sensori wireless in vari ambiti: Impresa 4.0, logistica intelligente, città intelligenti, agricoltura intelligente e altre applicazioni di IoT massivo. A seguito di questa evoluzione, i progettisti hanno l'opportunità unica di ripensare molti aspetti delle architetture di rete, compresi i nuovi paradigmi di alimentazione.

Fornire energia scalabile e affidabile a miliardi di nodi wireless è un problema impegnativo che, se non risolto, ostacolerà la diffusione dell'IoT massivo. Non sarà sufficiente utilizzare un maggior numero di batterie. Le batterie dovranno essere integrate o eliminate in un numero sempre maggiore di casi. Al loro posto, saranno necessarie varie forme di energy harvesting (EH) per alimentare ampi segmenti dell'IoT massivo. Per fortuna dei progettisti, le tecnologie EH hanno continuato a evolversi, diventando un'alternativa sempre più interessante per l'alimentazione dei dispositivi IoT distribuiti su larga scala.

Questo blog esamina brevemente le sfide poste dall'alimentazione di miliardi di nodi wireless IoT su larga scala e alcuni fattori da considerare per stabilire se l'EH può rappresentare una soluzione valida. Quindi prende in esame i circuiti di gestione dell'alimentazione fornita dall'energy harvesting realizzati da EM Microelectronic e Nowi, oltre agli ambienti di sviluppo per accelerare la valutazione dell'EH nello IoT massivo.

Cinque fattori da prendere in considerazione per decidere come alimentare i nodi di IoT massivo:

• Velocità dei dati
• Portata di trasmissione
• Latenza
• Ambiente operativo
• Impatto ambientale e gestione/logistica

La velocità di trasmissione dei dati, la portata e la latenza incidono sul fabbisogno energetico medio e di picco del nodo e dipendono dal protocollo di comunicazione wireless utilizzato. Ad esempio, quando si utilizza Bluetooth Low Energy, un pannello fotovoltaico di 10 cmq può supportare trasmissioni periodiche di pacchetti di dati circa:

• ogni 100 ms con i livelli di illuminazione interna dei negozi al dettaglio;
• ogni 200 ms in presenza di livelli di illuminazione tipici degli ambienti d'ufficio;
• ogni 2 s in presenza di livelli di illuminazione tipici di magazzini e fabbriche.

Anche l'ambiente operativo influisce sull'idoneità e sul costo delle batterie. In ambienti relativamente tranquilli, come negozi al dettaglio o uffici, le batterie meno costose possono garantire una durata di vita ragionevole, rendendo l'EH relativamente più costoso. Se il nodo wireless viene distribuito in un ambiente industriale o esterno difficile, sarà necessaria una chimica della batteria più costosa, rendendo l'EH relativamente più interessante.

Anche l'impatto ambientale e le problematiche di gestione entrano in gioco. Le batterie primarie hanno una durata limitata, il che aumenta il numero di sostituzioni necessarie, incrementando i costi di manutenzione e di gestione/logistica e determinando un impatto ambientale negativo derivante dallo smaltimento delle batterie. Per risolvere questi numerosi problemi, i progettisti possono scegliere tra diverse architetture di alimentazione alternative fondate sull'EH:

• Alimentazione a batteria primaria con EH supplementare per prolungare la durata della batteria, mantenendo i vantaggi dell'alimentazione a batteria e riducendo gli impatti negativi.
• Batteria ricaricabile combinata con EH per garantire una maggiore durata ed eliminare la sostituzione della batteria.
• Condensatori o supercondensatori combinati con EH per un sistema senza batterie e a lunga durata.

CI per il controllo e la gestione dell'alimentazione EH

Per le applicazioni che possono trarre vantaggio dalla combinazione di un circuito integrato di gestione dell'alimentazione (PMIC) e di un controller EH, i progettisti possono trovare il dispositivo appropriato in EM8500 di EM Microelectronic. Questo PMIC fornisce l'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) per la sorgente EH e quattro tensioni di uscita indipendenti per varie funzioni del sistema (Figura 1). Può interfacciarsi con una varietà di tecnologie EH, compresi i generatori termoelettrici (TEG) e le celle fotovoltaiche nella gamma dai microwatt ai milliwatt. EM8500 può essere utilizzato in combinazione con batterie primarie o secondarie, condensatori convenzionali o supercondensatori. Il modello EM8500-A001-LF24B+ è fornito in un contenitore QFN a 24 pin di 4 x 4 mm.

Figura 1: Il PMIC EM8500 include un MPPT per la fonte EH e fornisce quattro tensioni di uscita per il sistema. (Immagine per gentile concessione di EM Microelectronic)

Kit di sviluppo EM8500

I progettisti possono avvalersi del kit di sviluppo EMDVK8500 per configurare e valutare EM8500 (Figura 2). Questo kit di sviluppo comprende il software necessario per configurare EM8500 oltre agli strumenti per misurare le prestazioni della soluzione risultante.

Figura 2: Con EMDVK8500 è possibile configurare il PMIC EM8500 e misurare le prestazioni della soluzione risultante. (Immagine per gentile concessione di EM Microelectronic)

Controller in CI per EH e scheda di valutazione

Per i progetti che non richiedono una soluzione completa di gestione dell'alimentazione, NH2D0245 di Nowi è un controller EH compatto e ad alte prestazioni con MPPT per applicazioni a basso consumo in un contenitore QFN a 16 conduttori di 3 x 3 mm (Figura 3). NH2D0245 può essere utilizzato con diverse fonti EH, tra cui fotovoltaica, induttiva e piezoelettrica, nonché con dispositivi di immagazzinaggio dell'energia come batterie ricaricabili o supercondensatori. L'algoritmo MPPT opera indipendentemente dallo specifico harvester e può rilevare il punto di massima potenza con un intervallo di 1 secondo, massimizzando l'efficienza in ambienti dinamici.

Figura 3: Il controller EH NH2D0245 include un MPPT e viene fornito in un contenitore QFN di soli 9 mmq. (Immagine per gentile concessione di Nowi)

La scheda di valutazione NH2D0245 è progettata per accelerare i test di prestazioni e caratteristiche di NH2D0245 (Figura 4). Per utilizzare questa scheda di valutazione, sono necessari un energy harvester, una batteria o un supercondensatore e un multimetro. Se si utilizza un EH con un'uscita in corrente alternata (c.a.), come un harvester piezoelettrico, è necessario aggiungere un raddrizzatore tra l'EH e l'ingresso in corrente continua (c.c.) della scheda di valutazione.

Figura 4: La scheda di valutazione NH2D0245 permette di accelerare i test di prestazioni e caratteristiche del controller EH. (Immagine per gentile concessione di Nowi)

Conclusione

L'implementazione dello IoT massivo abilitato dal 5G offrirà ai progettisti sfide e opportunità interessanti per ripensare le modalità di alimentazione dei nodi wireless. Per determinare l'architettura di alimentazione ottimale per ogni applicazione, bisogna tener conto di una serie di fattori tecnici, ambientali ed economici. Sarà necessario utilizzare una serie di approcci basati sull'EH per migliorare la capacità delle batterie. In molti casi, l'EH sarà abbinato a batterie primarie o secondarie, condensatori convenzionali o supercondensatori.