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DIGITAL
ENERGY HARVESTING
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- ELETTRONICA OGGI 449 - OTTOBRE 2015
sta a valle di ciascun gate. In ogni caso è pos-
sibile “caricare” questi percorsi circuitali senza
commutare il transistor nello stato di completa
saturazione e consentire invece alla corrente
di scorrere più lentamente. Di conseguenza, la
logica può eseguire la la commutazione più len-
tamente ma se si considera una tipica applica-
zione che preveda l’uso dei sensori, solitamente
non è necessario che la commutazione avven-
ga alla massima velocità possibile.
In ogni caso, nel momento in cui le tensioni di
soglia diminuiscono, si assiste a un incremento
esponenziale delle correnti di dispersione dei
transistor (Fig. 1).
Nel momento in cui la tensione si riduce
ulteriormente, entrando nel dominio della “sotto-soglia
profonda”, la percentuale di energia persa attraverso la
dispersione tende a essere preponderante. Ciò pone un
ulteriore limite, relativamente alle prestazioni, sul massi-
mo valore al quale è possibile far diminuire la tensione di
alimentazione (Fig. 2).
Funzionamento “sub-threshold”: considerazioni
di progetto
Un problema critico per i progettisti di circuiti che operano
nella regione sotto-soglia è rappresentato dalle variazioni di
processo e dai loro effetti nel momento in cui la tensione
di alimentazione si avvicina a quello della soglia. Per una
progettazione efficace di circuiti “sub-threshold” è necessa-
rio adottare opportuni meccanismi atti a ridurre gli effetti
di queste variazioni, come ad esempio l’utilizzo di circuiti di
natura adattativa espressamente ideati per affrontare il pro-
blema della variabilità. Gli studi condotti per parecchi anni
presso l’università del Michigan e nei laboratori di Ambiq
Micro, hanno portato allo sviluppo di parecchie innovazio-
ni nel campo del funzionamento sotto-soglia dei transistor.
L’intero flusso di progetto deve essere re-ingegnerizzato al
fine di sfruttare al meglio le potenzialità di questa tecnologia
– dalle librerie di celle utilizzate per implementare i circui-
to logici “sub-threshold” alle strategie di test necessarie per
effettuare misure di correnti dell’ordine dei nanoampere e
dei picoampere. Solamente con investimenti di questo tipo
è possibile ottimizzare i vantaggi, in termini di riduzione dei
consumi, dei progetti di circuiti con funzionamento sotto-
soglia.
A questo punto è utile sottolineare il fatto che, sebbene con
il funzionamento sotto-soglia è possibile ottimizzare i van-
taggi in termini di consumi (si faccia sempre riferimento alla
relazione quadratica che lega tensione e dissipazione), tale
modalità non rappresenta la scelta più appropriata per tut-
te le applicazioni. A causa dell’impatto sulle prestazioni del
funzionamento sotto-soglia, per determinati circuiti è prefe-
ribile utilizzare tensioni di valore più elevato – ad esempio
valori in prossimità della soglia o persino quelli tradizionali
del regime sopra-soglia. I blocchi di memoria, ad esempio,
non sempre possono sfruttare i vantaggi del funzionamento
a tensioni ultra-basse durante le operazioni di accesso.
Microcontrollori “ad hoc”
Nella progettazione di microcontrollori a elevate efficienza
energetica è importante analizzare, a livello circuitale, i vari
compromessi in termini di tensione, consumi e prestazioni.
Un’analisi di questo tipo è alla base dello sviluppo della piat-
taforma SPOT (Sub-threshold Power Optimised Technology)
messa a punto da Ambiq che rappresenta il nucleo centrale
della serie di microcontrollori Apollo della società.
Sebbene le scelte di progettazione a livello di circuito rive-
stono un ruolo importante nell’ottimizzazione dei consumi
delle applicazioni IoT che utilizzano le tecniche di energy
harvesting, le decisioni che vengono prese a livello di siste-
Confronto tra le densità di potenza ottenibile con i diversi metodi di energy harvesting
Fonte di energia
Densità di potenza e prestazioni
Fonte
Rumore acustico
0.003 μW/cm
3
@ 75 dB
0.96 μW/cm
3
@ 100 dB
(Rabaey, Ammer, Da Silva Jr, Patel &
Roundy, 2000)
Variazione
di temperatura
10 μW/cm
3
(Roundy, Steingart, Fréchette, Wright,
Rabeay, 2004)
RF ambientale
1 μW/cm
2
(Yeatman, 2004)
Luce ambientale
100 mW/cm
2
(illuminazione solare diretta)
100_W/cm
2
(ufficio illuminato)
Non citata
Termoelettrica
60_W/cm
2
(Stevens, 1999)
Vibrazione
(micro generatore)
4 _W/cm
3
(movimento umano – Hz)
800 _W/cm
3
(macchine – kHz)
(Mitcheson, Green, Yeatman &
Holmes, 2004)
Vibrazioni
(piezoelettrico)
200 μW/cm
3
(Roundy, Wright & Pister, 2002)
Flusso d’aria
1 μW/cm
2
(Holmes, 2004)
Pressione di un tasto
50 _J/N
(Paradiso & Feldmeier, 2001)
Dispositivi inseriti
nelle scarpe
330 μW/cm
2
(Shenck & Paradiso, 2001)
Generatori manuali
30W/kg
(Stamer & Paradiso, 2004)
Dispositivi integrati
nel tacco
7W/cm
2
(Yaglioglu, 2002) (Shenck & Paradiso,
2001)
Fig. 1 – Al diminuire delle tensioni di soglia aumentano drasticamente
le correnti di dispersione