Progettare alimentazione perpetua per sistemi embedded utilizzando la tecnologia di raccolta energetica

Perseguire il raggiungimento dell'operazione perpetua nei sistemi di raccolta energetica

La tecnologia di raccolta dell'energia sta diventando rapidamente un'opzione di alimentazione praticabile per i progettisti di sistemi incorporati, consentendo l'uso di sensori wireless in applicazioni in cui i progetti tradizionali a batteria erano precedentemente impraticabili. Ad esempio, le fonti di energia della raccolta dell'energia permettono ai progettisti di sistemi di costruire facilmente sensori wireless ultrasottili con una portata superiore ai 100 metri e una durata che supera i 20 anni.

L'obiettivo finale dei sistemi di raccolta dell'energia è raggiungere un funzionamento perpetuo. Un sistema di raccolta dell'energia può ottenere un funzionamento perpetuo garantendo che l'energia raccolta sia pari o superiore all'energia consumata dal sistema durante l'operazione. La gestione dell'energia è un aspetto critico nella progettazione di un sistema di raccolta dell'energia. Il primo passo è determinare la potenza disponibile dell'energivoro. Gli energivori possono convertire l'energia solare, meccanica o termica in energia elettrica. Gli energivori solari hanno la densità di potenza più alta, capaci di raccogliere 15 mW/cm² di superficie. Massimizzare la potenza di uscita dell'energivoro è fondamentale per costruire un sistema di raccolta dell'energia robusto.

L'aspetto più importante nella progettazione di un sistema di raccolta di energia è fornire sufficiente funzionalità minimizzando al contempo il consumo energetico del sistema embedded. Selezionando componenti con specifiche di bassa perdita e utilizzando microcontrollori (MCUs) ultra-low-power, come i wireless MCUs Si10xx di Silicon Labs, si può ottenere un basso consumo energetico. La maggior parte delle tecniche utilizzate per ottenere un'operazione a bassa potenza nei sistemi a batteria possono essere applicate per ridurre al minimo il consumo energetico nei sistemi di raccolta di energia.

Consideriamo un esempio di nodo sensore wireless alimentato a energia solare che trasmette dati ogni 20 minuti con una corrente media di 10 µA. Questo sistema è dotato di un pannello solare in grado di fornire una corrente continua di 50 µA durante le ore diurne. La corrente netta disponibile per caricare la batteria durante il giorno è di 40 µA, e di notte, la batteria si scarica a un ritmo di 10 µA. Finché il sistema è esposto ad almeno 4,8 ore di luce solare al giorno, il sistema di raccolta energetica può raggiungere un funzionamento perpetuo.

Bilanciare la potenza media delle batterie a film sottile nel recupero e consumo di energia

Esistono due tipi di sistemi di raccolta di energia capaci di raggiungere un funzionamento perpetuo, ciascuno con diversi meccanismi di immagazzinamento dell'energia. Il primo tipo richiede lunghi periodi per raccogliere e accumulare energia, utilizzando contenitori di energia a bassa dispersione e alta capacità, come le batterie a film sottile. Il funzionamento perpetuo si ottiene bilanciando l'energia media raccolta con il consumo di potenza medio. Questi sistemi di raccolta di energia sono i più flessibili e tipicamente sperimentano brevi picchi di consumo ad alta potenza. Rimangono in modalità di sospensione a basso consumo la maggior parte del tempo, sempre alimentati e raccogliendo energia continuamente. Un esempio di questo tipo di sistema è un nodo di sensori wireless alimentato a energia solare.

Il secondo tipo di sistema di raccolta energetica rimane spento fino a quando non rileva un impulso di energia, raccoglie l'energia e la immagazzina in un contenitore di energia a bassa impedenza (come un condensatore). Dopo un breve power-on reset, il sistema utilizza l'energia limitata raccolta dall'impulso per svolgere le funzioni necessarie del sistema. L'operazione perpetua è raggiunta bilanciando l'energia totale consumata durante l'esecuzione del compito con l'energia raccolta da un singolo impulso. Un esempio di questo tipo di sistema è un interruttore della luce wireless, che utilizza l'energia generata da un interruttore meccanico per trasmettere un segnale RF a un ricevitore situato presso l'apparecchio luminoso.

Le batterie convenzionali, come le batterie a bottone, le batterie al litio AA e le batterie al litio-cloruro di tionile, sono state utilizzate per anni nei sistemi embedded che richiedono una lunga durata. L'introduzione delle batterie a film sottile offre ai progettisti di sistemi una nuova opzione per bilanciare costo, dimensioni e sicurezza. Poiché gli sviluppatori affrontano continuamente la pressione di ridurre i costi dei sistemi, le economiche batterie a bottone possono sembrare la soluzione migliore per abbassare i costi di produzione e portare i prodotti sul mercato rapidamente. Tuttavia, la sostituzione delle batterie a bottone comporta costi nascosti. Se si considera che la capacità di accumulo energetico totale nel ciclo di vita di una batteria a film sottile supera quella di trenta batterie a bottone CR2032, si conclude rapidamente che il costo iniziale di una batteria a film sottile è trascurabile rispetto al costo di sostituire trenta volte una batteria a bottone e supera di parecchie volte il ciclo di vita del sistema embedded.

Quando si considera la dimensione della batteria, le batterie a film sottile hanno il profilo più sottile di tutti i tipi di batterie (fino a 0,17 mm). La capacità totale di vita di una batteria a film sottile è equivalente a quattro batterie al litio "AA" o una singola batteria al litio-cloruro di tionile di dimensioni "C", rendendo le batterie a film sottile ideali per sistemi embedded con vincoli di spazio che richiedono un profilo ultra-sottile e una lunga durata della batteria.

Inoltre, le batterie a film sottile non presentano i rischi di sicurezza associati alle batterie convenzionali più grandi, come infiammabilità e rischi di esplosione. Poiché le batterie a film sottile sono ricaricabili, immagazzinano solo una parte della loro capacità totale a vita in qualsiasi momento, rendendole più sicure in caso di cortocircuito accidentale o esposizione a calore estremo o a una fiamma libera. Le batterie a film sottile producono anche significativamente meno rifiuti rispetto alle batterie convenzionali più grandi, che spesso finiscono in discarica anziché essere riciclate.

Il design di riferimento per la raccolta di energia accelera lo sviluppo del prodotto

Il consumo di energia è sempre stato un problema critico che influenza il funzionamento dei dispositivi IoT alimentati a batteria. Varie organizzazioni dietro gli standard wireless sono dedicate ad aiutare a soddisfare le aspettative dei consumatori per ridurre il consumo energetico dei dispositivi in questo settore. Zigbee Green Power è un ottimo esempio di considerazione della raccolta di energia nel design della comunicazione wireless.

Silicon Labs e Arrow Electronics hanno sviluppato congiuntamente un design di riferimento per il recupero di energia basato sul System-on-Chip (SoC) EFR32MG22 di Silicon Labs. Questo design abbina un interruttore Zigbee Green Power con la gestione dell'energia per il recupero di energia. L'MG22 è progettato per il protocollo Zigbee, ha dimensioni compatte e dispone di funzioni di sicurezza avanzate, rendendolo una scelta ideale per dispositivi finali a bassissimo consumo energetico. Silicon Labs offre anche circuiti integrati per la gestione dell'energia ad alta efficienza, come l'EFP0111, per fornire migliori capacità di gestione energetica. Inoltre, Silicon Labs fornisce MCU, kit di avvio wireless e Simplicity Studio, un ambiente potente per lo sviluppo e il debug, per aiutare i clienti a sviluppare rapidamente sistemi di recupero di energia.

L'elemento centrale di questo design è il generatore di raccolta energetica, e questo design di riferimento utilizza il modulo generatore monostabile di ZF. Questo è un generatore a interruttore bidirezionale, il che significa che l'energia viene generata sia quando l'interruttore viene premuto sia quando viene rilasciato. L'interruttore ha un magnete con due poli, e premendo l'interruttore si genera un campo magnetico che passa attraverso il nucleo e ritorna all'altro polo. Poi, quando l'utente rilascia l'interruttore, il campo magnetico cambia e passa attraverso il nucleo nella direzione opposta. Questo campo magnetico variabile genera una corrente, che è l'energia che può essere raccolta. Quando il generatore di ZF viene premuto o rilasciato, genera una tensione alternata, e il sistema può utilizzare questa energia meccanica per accendere una luce. L'obiettivo finale è poter accendere e spegnere la luce senza collegamenti tra l'interruttore e il corpo illuminante.

Alimentare i dispositivi IoT è un compito che richiede molta energia. L'innovazione di nuovi metodi per alimentare dispositivi senza batterie semplificherà lo sviluppo e aiuterà a creare un ambiente più pulito. Ad esempio, l'energia necessaria per far lampeggiare un LED una volta è sufficiente per trasmettere più segnali RF. La combinazione di design al silicio a basso consumo e reti ottimizzate per applicazioni a basso consumo getterà le basi per una nuova era nella gestione dell'energia, riducendo costi e sprechi significativi per i produttori e i consumatori.

Soluzioni di gestione dell'alimentazione ad alte prestazioni e basso consumo energetico

Silicon Labs ha introdotto la serie di SoC EFR32MG22 (MG22), soluzioni Zigbee ottimizzate che offrono un'efficienza energetica leader nel settore per le applicazioni IoT come sensori per la casa intelligente, controlli di illuminazione e automazione industriale e degli edifici.

Le soluzioni SoC Zigbee EFR32MG22 e EFR32MG22E fanno parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2. La famiglia MG22 offre una soluzione SoC Zigbee ottimizzata, integrando un core ARM® Cortex®-M33 ad alte prestazioni e bassa potenza da 76.8 MHz con TrustZone. MG22 consente di creare applicazioni efficienti dal punto di vista energetico, mentre il MG22E ("E" per Conservazione Energetica) migliora ulteriormente i vantaggi nel risparmio energetico estendendo la durata della batteria e supportando progetti completamente privi di batteria. Il SoC MG22 combina una potenza di trasmissione e ricezione ultra-bassa (+6 dBm a 8,2 mA TX, 3,9 mA RX), una potenza in modalità di sospensione profonda di 1,4 µA e periferiche a bassa potenza, fornendo una soluzione di risparmio energetico all'avanguardia per applicazioni con protocollo Zigbee, inclusi Green Power.

L'EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) di Silicon Labs è un IC di gestione dell'alimentazione flessibile, altamente efficiente e a uscite multiple che fornisce energia completa per i dispositivi EFR32 ed EFM32, con tre binari di tensione di uscita e capacità di conteggio Coulomb della batteria primaria. L'EFP0111 boost Bootstrap PMIC può operare all'interno di un range di tensione da 1,7 a 5,2, con una corrente di quiescenza di soli 150 nA. L'EFP0111GM20 supporta una vasta gamma di batterie da 1,5 a 5,5 volt, offrendo flessibilità per diverse tecnologie di batteria migliorando l'efficienza energetica di EFR32 ed EFM32.

I MCU wireless Sub-GHz Si10xx di Silicon Labs combinano tecnologia di connettività wireless ad alte prestazioni con elaborazione di microcontrollori a bassissimo consumo di energia in un formato compatto di 5 x 6 mm. I dispositivi supportano bande di frequenza che vanno da 142 a 1050 MHz, inclusi un motore avanzato per la gestione dei pacchetti integrato e una capacità di link budget fino a 146 dB. I dispositivi sono ottimizzati riducendo le correnti in modalità TX, RX, attivo e sleep, e supportando tempi di riattivazione rapidi, riducendo il consumo energetico per applicazioni alimentate a batteria. L'MCU Si106x è compatibile a livello di pin con i dispositivi Si108x, con capacità flash che scala da 8 a 64 kB, e periferiche analogiche e digitali robuste, inclusi ADC, doppi comparatori, timer e GPIO. Tutti i dispositivi sono progettati per conformarsi allo standard di smart metering 802.15.4g e supportano standard normativi globali, inclusi FCC, ETSI e ARIB.

Conclusione

La tecnologia di energy harvesting è diventata piuttosto popolare e si prevede che diventerà ancora più diffusa nei prossimi anni grazie ai numerosi vantaggi che offre per la progettazione di sistemi embedded. Un sistema di energy harvesting correttamente progettato, una volta superato il reset iniziale di accensione, può operare indefinitamente. Con una progettazione del sistema accurata, la durata di vita di un sistema di energy harvesting può essere estesa oltre i 20 anni. Le batterie a film sottile sono comunemente utilizzate nei sistemi di energy harvesting grazie al loro profilo ultra-sottile e alle loro caratteristiche di bassa dispersione. La possibilità di progettare sistemi embedded auto-sufficienti senza la necessità di un'alimentazione principale o di batterie sostituibili convenzionali apre nuove possibilità per le applicazioni e spiana la strada a nuove aree nello sviluppo di sistemi embedded. Le soluzioni MG22 series Zigbee SoC, EFP0111GM20 energy-efficient power management IC, e Si10xx Sub-GHz wireless MCU introdotte da Silicon Labs possono fornire un eccellente controllo del consumo energetico per i sistemi di energy harvesting, garantendo il funzionamento a lungo termine dei sistemi embedded senza la seccatura della sostituzione delle batterie.