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XVII

MEDICAL 14 -

MAGGIO 2017

ENERGY

HARVESTING

bricanti di questi prodotti devono pertanto garantire che

gli strumenti possano funzionare senza alcun problema

indipendentemente dal tipo di alimentatore (compresi i

gruppi di continuità o le batterie tampone) e assicurare

elevata affidabilità in relazione ai dati raccolti sulle condi-

zioni del paziente, oltre a un’integrità del 99,999% della

trasmissione di dati wireless. Il progettista

del sistema deve quindi far sì che l’archi-

tettura di gestione della potenza che si im-

piegherà sia non solo affidabile e flessibile,

ma anche compatta ed efficiente. In tal

modo, risultano soddisfatte sia le esigenze

dell’ospedale sia quelle del paziente. Sono

numerosi i produttori di dispositivi analo-

gici, come Linear Technology, impegnati

nello sviluppo di soluzioni innovative che

permettono di affrontare in modo effica-

ce questi problemi. Poiché nel settore dei

sistemi elettronici medicali vi sono molte applicazioni che

richiedono alimentazione continua anche in caso di inter-

ruzione dell’erogazione della corrente di rete, un requisi-

to fondamentale è una bassa corrente di riposo (quiescent

current) per prolungare la durata della batteria. Pertan-

to, usualmente sono necessari regolatori a commutazione

con corrente di riposo in standby minore di 9 μA. Infatti,

per alcuni dei nuovi sistemi che sono alimentati tramite

una combinazione formata da una batteria e da sistemi

di energy harvesting, le correnti di riposo devono essere

dell’ordine di alcuni microampere o in alcuni casi, anche

dell’ordine dei nanoampere. Questo è un prerequisito im-

prescindibile per l’adozione di tali sistemi elettronici me-

dicali per “l’uso domestico” da parte dei pazienti.

Sebbene i regolatori a commutazione generino più rumo-

re rispetto ai regolatori lineari, la loro efficienza è notevol-

mente superiore. I livelli di rumore e di interferenza elet-

tromagnetica hanno mostrato di essere gestibili in molte

applicazioni sensibili fintantoché i circuiti di commutazione

funzionano in modo prevedibile. Se un regolatore a com-

mutazione commuta a frequenza costante nella modalità di

funzionamento normale e i fronti di commutazione sono

precisi e prevedibili, senza sovraelongazioni né oscillazio-

ni ad alta frequenza, l’interferenza elettromagnetica viene

ridotta al minimo. Un contenitore compatto e un’elevata

frequenza di funzionamento permettono di ottimizzare il

layout, con conseguente riduzione dei fenomeni EMI. Inol-

tre, se il regolatore è utilizzabile con condensatori cerami-

ci a bassa resistenza in serie equivalente (ESR), è possibile

ridurre al minimo il ripple di tensione sia all’ingresso sia

all’uscita, che costituiscono sorgenti di rumore aggiuntive

nel sistema.

Il numero di linee (rail) di alimentazione presenti negli at-

tuali dispositivi medicali di monitoraggio dei pazienti, do-

tati di molteplici funzioni, è aumentato, mentre le tensioni

di funzionamento continuano a diminuire. Tuttavia, molti

di questi sistemi richiedono ancora tensioni di 3V, 3,3V o

3,6V per l’alimentazione di vari elementi a basso consumo

di potenza: sensori, memorie, core di microcontrollori,

circuiti I/O e circuiti logici. Infine, poiché il loro funzio-

namento è a volte cruciale, molti di essi sono dotati di un

gruppo di continuità o di batterie tampo-

ne nel caso di interruzione dell’erogazione

della corrente di rete. Finora, questi valori

di tensione sono state ottenuti mediante

regolatori a commutazione di tipo step-

down (in discesa) o regolatori a bassa ca-

duta di tensione (low-dropout). Tuttavia, i

circuiti integrati di questo tipo non sfrutta-

no l’intero range di funzionamento delle

celle, con effetti negativi sull’autonomia

della batteria del dispositivo. Pertanto, im-

piegando un convertitore buck-boost (che

può incrementare o ridurre le tensioni) risulta possibile

utilizzare l’intero range di funzionamento della batteria,

aumentando il margine operativo e prolungandone l’au-

tonomia, poiché si ottiene una percentuale maggiore della

capacità della batteria stessa, specialmente quando ci si av-

vicina all’estremità inferiore dell’andamento della scarica.

Energy harvesting come sorgente di potenza

Recentemente, sono state introdotte molte innovazioni

nel campo dell’energy harvesting, particolarmente utiliz-

zando il calore del corpo umano come possibile fonte di

energia per alimentare i sistemi di monitoraggio elettroni-

ci o per ricaricare una batteria che li alimenti. Evoluzioni

di questo tipo consentono di modificare le dimensioni e la

forma dei componenti elettronici medicali, affinché fun-

zionino assorbendo potenza dell’ordine dei milliwatt e/o

dei microwatt. Ciò comporta che molti dispositivi e siste-

mi elettronici complessi, come quelli autonomi e medici

indossabili, ora possono funzionare con potenze inferiori

a 250 μW. Non solo: reti di sensori wireless con livelli di

potenza nel range dai μW a 100 mW sono ordinariamente

alimentati da batterie. Le limitazioni intrinseche dell’ali-

mentazione da batteria, come la durata della carica e la

necessità di una ricarica periodica, hanno aperto la via

all’utilizzo di fonti di energia ambiente, come il calore o

le vibrazioni, per la ricarica periodica di una batteria “ri-

caricabile”.

Linear Technology

sviluppa circuiti integrati per energy

harvesting da quasi un decennio. Il primo prodotto di

questo tipo, LTC3108, è stato introdotto a dicembre 2009;

si trattava di un convertitore CC/CC a tensione ultrabas-

sa dotato di funzioni di gestione della potenza, ideato per

raccogliere e distribuire l’energia in eccedenza, generando

tensioni estremamente basse a partire da sorgenti di ener-

È di importanza

fondamentale che

la strumentazione

utilizzata dal

paziente sia non

solo affidabile ma a

prova di paziente