91 / 102
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