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XVIII

Medical

MEDICAL 14 -

MAGGIO 2017

ENERGY

HARVESTING

gia termica. Per poter generare tali tensioni è sufficiente

un gradiente di temperatura di almeno 1 °C.

Più recentemente è stato introdotto LTC3107, un conver-

titore CC/CC a elevato livello di integrazione progettato

per prolungare la durata di una batteria principale in siste-

mi wireless a bassa potenza, sfruttando il processo di ener-

gy harvesting e gestendo il surplus di energia disponibile

da fonti a tensione d’ingresso estremamente bassa come

generatori termoelettrici e termopile.

Impiegando LTC3107, un sistema per l’energy harve-

sting per un punto di carico richiede uno spazio ridotto

– quello in grado di ospitare il package DFN (3x3mm) di

LTC3107 e alcuni componenti esterni. Generando una

tensione di uscita che segue quella della batteria princi-

pale installata, è possibile utilizzare senza alcun problema

LTC3107 per sfruttare il risparmio, in termini di costi, reso

possibile dall’uso di tecniche di energy harvesting, in si-

stemi sia nuovi sia preesistenti alimentati a batteria. Inol-

tre, LTC3107, unitamente a una piccola fonte di energia

termica, può prolungare la durata della batteria, in alcuni

casi fino alla sua scadenza, riducendo così i costi di ma-

nutenzione periodica dovuti alla sostituzione della batteria

stessa. LTC3107 è stato concepito per aumentare la carica

della batteria o anche alimentare il carico autonomamen-

te, a seconda delle sue condizioni e dell’energia ottenibile

con l’energy harvesting. La fi-

gura 1 evidenzia con quale faci-

lità LTC3107 possa accumulare

energia termica per alimentare

reti di sensori wireless (WSN)

e inserire la batteria senza in-

terruzione dell’alimentazione

se la fonte di energia ambien-

te cessa di essere disponibile.

Inoltre LTC3331 è un sistema

multifunzionale che si propone

come una soluzione completa

di energy harvesting, in grado

di erogare fino a 50 mA di cor-

rente continua in grado di pro-

lungare la durata della batteria

ogni volta sia disponibile ener-

gia accumulabile (Fig. 2). Esso non assorbe corrente di ali-

mentazione dalla batteria quando trasferisce potenza re-

golata al carico utilizzando l’energia accumulata e richiede

solo 950 nA quando è alimentato dalla batteria in assenza

di carico. LTC3331 Integra un alimentatore EH ad alta

tensione oltre a un convertitore CC/CC buck-boost sincro-

no alimentato da una batteria principale a celle, ricarica-

bile, per creare una singola uscita (senza interruzioni) per

applicazioni di energy harvesting come quelle delle reti o

IoT. L’alimentatore EH di LTC3331, formato da un rad-

drizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi CA o

CC e da un convertitore buck sincrono ad alta efficienza,

accumula l’energia generata da sorgenti piezoelettriche

(CA), solari (CC) o magnetiche (CA). Uno shunt da 10

mA consente di caricare la batteria con l’energia così otte-

nuta, mentre una funzione di disconnessione della batte-

ria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti

della scarica profonda (deep discharge). La batteria rica-

ricabile alimenta un convertitore buck-boost sincrono che

funziona con tensione d’ingresso compresa tra 1,8V e 5,5V

e si inserisce quando l’energia accumulata non è disponi-

bile, per regolare l’uscita indipendentemente dal livello a

cui si trova l’ingresso: superiore, inferiore o uguale a quel-

lo di uscita. Il caricabatteria dell’LTC3331 è dotato di una

funzione di gestione della potenza molto importante, che

deve essere presa in considerazione quando si impiegano

sorgenti di potenza molto ridotte. LTC3331 incorpora una

funzione di controllo logico del circuito di carica della bat-

teria tale che questa viene caricata solo quando l’alimenta-

tore che accumula l’energia ne ha una quantità in eccesso;

senza questa funzione logica, all’avvio la sorgente di ener-

gia accumulata rimarrebbe ‘bloccata’ in qualche punto di

funzionamento non ottimale e non sarebbe in grado di

alimentare il dispositivo previsto. Per prevenire tale eve-

nienza, l’LTC3331 inserisce automaticamente la batteria

quando la sorgente per energy harvesting non è più dispo-

nibile. Si ottiene così l’ulterio-

re vantaggio di consentire alla

WSN alimentata dalla batteria

di prolungarne la durata ope-

rativa da 10 a oltre 20 anni se

per almeno metà del tempo

è disponibile una sorgente di

energia ambiente adatta; la

durata sarà ancora maggiore

se tale sorgente è disponibile

per un intervallo più lungo.

Il settore dei dispositivi medici

indossabili intelligenti è sulla

rampa di lancio, trainato dalla

necessità di contenere le cure

ospedaliere e dal crescente

invecchiamento demografico.

Una nuova gamma di prodotti, tra cui dispositivi indossa-

bili ideati per il controllo della salute e della forma fisica,

dotati di una miriade di sensori, consente il monitoraggio

di parametri vitali come la frequenza cardiaca e la pres-

sione sanguigna al di fuori dei presidi medici, con tutti i

vantaggi che ciò comporta. L’architettura fondamentale

di un dispositivo indossabile intelligente dipende dalla ti-

pologia di prodotto, ma essenzialmente è costituita da un

microcontrollore, sensori microelettromeccanici, sistemi

di connettività wireless, batteria e la necessaria elettronica

di supporto.

Fig. 2

– Il circuito integrato LTC3331 converte l’energia di più sorgenti

e può utilizzare una batteria principale ricaricabile