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DIGITAL ENERGY HARVESTING
40 - ELETTRONICA OGGI 449 - OTTOBRE 2015
Microcontrollori
ad alta efficienza
per l’energy harvesting
L’energy harvesting (in pratica il recupero, la trasfor-
mazione e l’accumulo di energia, anche in piccole
quantità, ricavate da diverse fonti presenti nell’am-
biente – calore, luce, vibrazioni, vento, onde radio e così
via) è l›elemento chiave per lo sviluppo di una nuova gene-
razione di dispositivi che consentirà l›uso di sensori «intelli-
genti» in una gamma di applicazioni molto più vasta rispetto
a quella attuale. Sensori di questo tipo consentiranno un
monitoraggio su base continua in uno spettro di applicazioni
che spazia dai motori industriali alla valutazione della salute
fisica di un individuo sul lungo termine.
Sebbene tali sistemi potrebbero utilizzare la potenza di una
batteria per evitare di collegare i sensori all’alimentazione
di rete, le batterie devono essere sostituite oppure ricaricate
durante il loro ciclo di vita. Una volta posizionate per esem-
pio nei pressi di un motore o di una turbina di ampie dimen-
sioni, la sostituzione può risultare difficoltosa. Per contro, il
vantaggio in molte di queste applicazioni deriva dal fatto che
possono produrre esse stesse energia. La vibrazione prodot-
ta da un motore industriale può essere usata, con un’appro-
priata massa sismica e un convertitore, per generare l’ener-
gia necessaria al sistema preposto al suo monitoraggio. In
maniera del tutto analoga, nel caso di un sensore posto a
contatto con il corpo umano, l’energia termica e vibrazionale
catturata può servire a caricare un condensatore da utilizza-
re per alimentare un sensore (Tab. 1).
Sebbene questi sistemi rendano disponibili meccanismi atti
a catturare energia, raramente generano i livelli di potenza
con i quali i progettisti sono abituati a lavorare nel caso di si-
stemi alimentati a batteria. Di conseguenza, è estremamente
importante disporre di un sistema ingegnerizzato in modo da
consumare la minor potenza laddove possibile.
La tensione di alimentazione è un parametro chiave per
ridurre i consumi nei circuiti logici. È noto che nei circuiti
CMOS la relazione tra tensione e consumi di potenza è di tipo
quadratico, espressa dalla formula:
P = CV2f
Dove
C è la capacità del circuito
f è la frequenza di commutazione
V è la tensione applicata.
Dall’equazione appare chiaro che, riducendo la tensione, è
possibile diminuire drasticamente i consumi. Il funzionamen-
to sotto-soglia, o in prossimità della soglia dei transistor è
un tipo di approccio che permette di ridurre la tensione di
alimentazione dei microcontrollori e degli altri circuiti logici
a livelli di molto inferiori rispetto quelli richiesti dalle logiche
standard.
Funzionamento “sub-threshold”: principi di base
Il principio che sta alla base del funzionamento sotto-soglia
(o in prossimità della soglia) si può così riassumere: la ten-
sione di soglia in base alla quale il dispositivo normalmente
sarebbe considerate acceso non deve essere considerato
come l’obbiettivo che deve essere perseguito dai circuiti
logici e analogici. I transistor logici sono stati normalmente
progettati per trasferire elevati livelli di corrente quando sono
in saturazione, al fine di caricare il percorso capacitivo che
Mike Salas
Vice president of marketing
Grazie all’introduzione di microcontrollori
ottimizzati in termini di consumi, come
i dispositivi della serie Apollo di Ambiq
Micro, sarà possibile adottare su larga scala
tecniche di energy harvesting in numerose
applicazioni IoT