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COMM
BEACON
Il sistema EHS (Energy Harvesting System) di figura 2 è
composto da un EHD (Energy Harvesting Device), un PMIC
per energy harvesting (EH PMIC) e un dispositivo di ac-
cumulo (storage device). Il PMIC ha il compito di caricare
lentamente e mantenere completamente carico il dispo-
sitivo di accumulo (solitamente un condensatore) grazie
all’energia fornita dall’EHD, che può essere una cella foto-
voltaica, sensori di vibrazione o dispositivi piezoelettrici.
Il sistema EHS utilizza quindi questa carica immagazzina-
ta per fornire energia a un altro dispositivo embedded In
base allo stato in cui si trova il nodo sensore (WSN – Wi-
reless Sensor Node) varia la potenza di uscita del sistema
EHS: quando è attivo l’energia è consumata e la tensione
di uscita del sistema EHS inizia a diminuire, mentre quando
il dispositivo è in modalità a basso consumo questa ten-
sione aumenta finche il dispositivo di immagazzinamento
dell’energia non è completamente carico. Nella figura 3 è
riportato un esempio di variazione dell’andamento della
tensione di uscita del sistema EHS in funzione dell’attività
del dispositivo embedded in un certo periodo di tempo.
Per i dispositivi alimentati dal sistema EHS, l’energia con-
sumata quando il dispositivo è nello stato attivo non do-
vrebbe superare la quantità di energia disponibile nel si-
stema stesso. Nella figura 4 è riportato l’andamento della
tensione di uscita del sistema EHS nel caso in cui il con-
sumo di energia del dispositivo nello stato attivo supera la
quantità di energia che il sistema EHS stesso è in grado di
fornire. La tensione di uscita del sistema EHS diminuisce
lentamente a causa del consumo e alla fine l’uscita è com-
pletamente disattivata.
Il limitato budget di potenza disponibile utilizzando un si-
stema EHS richiede un’attenta analisi dei consumi ed un
sistema embedded. In un sistema di questo tipo, infatti, vi
possono essere numerosi sotto-sistemi che richiedono pa-
recchia energia e devono essere quindi ottimizzati al fine
di evitare il verificarsi del fenomeno appena sopra descrit-
to. Le principali aree in cui è necessario intervenire quan-
do si vuole ottimizzare la potenza sono descritte di seguito.
Frequenza di clock della CPU
La frequenza di clock del sistema determina la velocità di
elaborazione di una determinate routine e la quantità che
energia che sarà consumata durante il tempo di esecuzio-
ne. Una velocità di clock più elevata garantisce un’elabora-
zione più rapida a fronte di maggiori consumi di corrente.
Senza dimenticare che ogni dispositivo deve soddisfare
determinati vincoli per quel che concerne le frequenze mi-
nima e massima che non devono essere violati.
Nel caso di progetti basati su un sistema EHS, la scelta del-
la frequenza di clock ottimale deve tener conto di questi
due fattori:
a) consumo di corrente medio;
b) consumo di corrente di picco.
La capacità del sistema EHS deve tener contro di entrambi
questi fattori. La corrente media è la media temporale della
corrente richiesta durante uno stato attivo. La corrente di
picco, invece, è il valore di corrente massimo istantaneo
richiesto da uno stato attivo, spesso molto più elevato ri-
spetto al valore della corrente media. È possibile che la
corrente media necessaria rientri perfettamente nei limi-
ti della capacità del sistema EHS ma la corrente di picco
potrà provocare un improvviso esaurimento dell’energia
del sistema EHS, causando una diminuzione della tensione
che si porterà a un valore inferiore rispetto a quello della
tensione di interdizione (cutoff frequency).
Fig. 2 – Schema a blocchi di un dispositivo WSN che utilizza tecniche di energy harvesting
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- ELETTRONICA OGGI 456 - SETTEMBRE 2016