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ELETTRONICA OGGI 506 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2022 37 ANALOG ENERGY HARVESTING IoT e IIoT sono i naturali fruitori dell’estrazione di energia da sorgenti ambientali (luce solare o artificiale, vento, vibrazioni e calore prodotto da macchinari, oscillazioni RF) per l’alimentazione di dispositivi dai consumi così ridotti da non richiedere altre fonti di energia convenzionale. Sebbene i sistemi di Energy Harvesting si accompagnino sovente a batterie ricaricabili o supercondensatori per immagazzinare l’energia raccolta nell’attesa di poter essere utilizzata, il progresso nella riduzione dei consumi dei moderni circuiti integrati, unito all’ottimizzazione delle prestazioni degli harvester sta rendendo possibile la pressoché totale autonomia di estese reti di sensori con capacità di comunicazione senza fili. Il principalevantaggiooffertodai sistemi di EHnonè tanto quello del risparmio energetico, quando l’indipendenza dei dispositivi e la drastica riduzione – se non la totale soppressione –dei costi di installazione (nessun cablaggio richiesto) e manutenzione (diradamento o eliminazione della periodica sostituzione delle batterie). Stando a uno studio pubblicato da MarketsandMarkets , il mercato dei sistemi di Energy Harvesting valeva 468 milioni di dollari nel 2021 e, con una proiezione di crescita composta annuale dell’8,4% sarebbe destinato ad arrivare a 701 milioni nel 2026, spinto dalla domanda di dispositivi IoT a bassa manutenzione per domotica e Building Automation, oltre che dalla crescente diffusione di reti di sensori wireless. Un analogo studio pubblicato da Acumen Research and Consulting , stima il Cagr di questo mercato tra 2022 e 2030 in un sostanzioso 10,5% che porterebbe il fatturato globale a fine decennio oltre quota 1,18 miliardi di dollari. Dalle soluzioni modulari ai SoC Le potenze in gioco nell’Energy Harvesting sono spesso intermittenti e dell’ordine di una manciata di milliwatt o addirittura meno; in questi casi è fondamentale disporre di circuiti di gestione della potenza capaci di ottimizzare l’estrazione dalla sorgente, ad esempio offrendo la giusta impedenza per imporre il punto di lavoro nelle condizioni di massimo trasferimento di potenza. È quello che viene fatto, ad esempio, nei sistemi di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT, Maximum Power Point Tracking ) dei pannelli solari: il pannello non si interfaccia direttamente con il carico o la batteria, ma gli viene interposto un convertitore DC-DC che – attraverso un meccanismo di retroazione – offre un’impedenza che si adatta alle variazioni delle prestazioni con le condizioni ambientali (insolazione, temperatura e così via). Un tipico sistema di EH richiede un convertitore DC-DC, una batteria ricaricabile, un modulo di comunicazione wireless e un sistema di controllo della carica, il tutto gestito da un microcontrollore a bassissimo consumo (che spesso integra la maggior parte di queste funzioni). Chip di Energy Harvesting sono presenti sul mercato da svariati anni e i principali produttori di semiconduttori hanno a catalogo diverse soluzioni orientate all’ottimizzazione dell’estrazione di energia da celle solari, generatori termoelettrici e piezoelettrici. Tra i chip di consolidata presenza, possiamo citare ad esempio i controllori BQ24650 e BQ25505 di Texas Instruments . Il primo è una soluzione di gestione della carica di una batteria che implementa un semplice algoritmo MPPT (a tensione costante) per far funzionare i pannelli solari connessi al convertitore DC-DC integrato nel punto di massima potenza. Il secondo è un convertitore step-up di bassissima potenza che è in grado di operare con una tensione di cella di 100 mV (servono però 330 mV per avviarne le funzioni) ed offre un algoritmo MPPT programmabile, oltre a funzioni di monitoraggio delle sovratensioni e sottotensioni della batteria ricaricabile. Gli integrati LCT3107 e LCT3588-1 di Analog Devices , originariamente sviluppati da Linear Technologies, sono altre due offerte ‘mature’ pensate per estrarre, rispettivamente, energia termica dall’ambiente ed energia meccanica dalle vibrazioni di un sensore piezoelettrico. Prodotto da ST Microelectronics , il chip SPV1050 è una soluzione di EH con algoritmo MPPT per l’estrazione ottimale di energia da pannelli fotovoltaici o generatori termoelettrici che integra al suo interno un convertitore DC-DC che funziona in modalità boost o buck-boost. Con la disponibilità di tecnologie integrate ultra Due trend favorevoli allo sviluppo di soluzioni di Energy Harvesting: la crescente efficienza dei moduli di estrazione e gestione, e la riduzione dei consumi dei dispositivi da alimentare (Fonte: Würth Elektronik)