Soluzioni di carica wireless e di energy harvesting per l’IoT

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L’Internet of Things collega non solo le persone e i computer ma qualsiasi tipo di “oggetto” a Internet e quindi l’uno all’altro. Ad esempio stabilimenti industriali o progetti di infrastrutture di grandi dimensioni in cui collegare più sensori (o attuatori) in un numero maggiore di punti può aumentare l’efficienza e il livello di sicurezza, e rendere possibili modelli di business interamente nuovi.

Panoramica sullo stato dell’arte

Tradizionalmente, vari tipi di sensore venivano collegati mediante cavi ai rispettivi alimentatori. Tuttavia oggi, anziché dover far fronte al problema e al costo della posa di cavi in vari punti di un impianto, è possibile installare robusti e affidabili sensori wireless di qualità industriale in grado di funzionare per anni, alimentati da una piccola batteria o anche immagazzinando l’energia generata da sorgenti che assicurino gradienti di luce, vibrazioni o temperatura. È possibile anche utilizzare la combinazione di una batteria ricaricabile e diverse sorgenti disponibili in ambiente. Inoltre, a causa di problemi di sicurezza intrinseci, alcune batterie ricaricabili non possono essere caricate mediante cavi ma richiedono l’impiego di tecniche di trasferimento wireless della potenza.

Fig. 1 – Circuito integrato LTC3331 per energy harvesting e prolungamento della durata della batteria

Le tecnologie “energy harvesting” (EH) all’avanguardia e immediatamente disponibili, ad esempio in celle fotovoltaiche per locali chiusi e in sistemi di immagazzinamento dell’energia generata da vibrazioni, producono livelli di potenza dell’ordine dei milliwatt in condizioni di funzionamento tipiche. Sebbene questi livelli possano apparire limitativi, il funzionamento di elementi di immagazzinamento dell’energia nel corso di vari anni può far sì che le tecnologie siano in gran parte compatibili con batterie principali di lunga durata, sia per quanto riguarda la raccolta di energia che in termini del costo per unità di energia fornita. Inoltre, i sistemi che incorporano soluzioni di energy harvesting in genere sono in grado di ricaricarsi quando la carica si esaurisce, un vantaggio che manca nei sistemi alimentati da batterie principali.

Ciò nonostante, nella maggior parte delle implementazioni si impiega una fonte di energia ambientale come generatore di energia principale, ma integrandola con una batteria che può essere inserita se tale sorgente non è più disponibile o viene interrotta. Questa batteria può essere ricaricabile o monouso e la scelta normalmente dipende dall’applicazione finale. Ne consegue che, se l’installazione finale consente un accesso agevole per sostituire una batteria non ricaricabile e questa operazione può essere eseguita velocemente e a un costo contenuto dagli addetti alla manutenzione, tale soluzione è conveniente dal punto di vista economico. Se invece sostituire la batteria è scomodo e costoso, dal punto di vista economico è più conveniente l’utilizzo di una batteria ricaricabile.

Anche se si seleziona una batteria ricaricabile, rimane aperta la questione di quale sia il metodo ottimale di ricarica. Alcuni dei fattori che influiscono su tale decisione sono:

1)     è disponibile una sorgente di energia cablata per caricare la batteria?

2)     è disponibile potenza sufficiente dalle sorgenti di energia ambiente per alimentare la rete di sensori wireless (WSN, wireless sensor network) e inoltre caricare la batteria?

3)     è necessario un trasferimento di potenza wireless per caricare la batteria a causa di requisiti di sicurezza intrinseci dovuti alla natura pericolosa della sua installazione?

Soluzioni adatte per la carica wireless e EH

Fortunatamente, per i progetti di sistemi così complessi esistono vari circuiti integrati di alimentazione che offrono le funzionalità e le caratteristiche prestazionali necessarie per consentire l’utilizzo di livelli così bassi di energia immagazzinata in applicazioni tecnologiche ‘indossabili’. Recentemente Linear Technology ha introdotto due componenti che soddisfano questo scopo, LTC3331 e LTC4120.

Il primo circuito integrato, LTC3331, immagazzina l’energia e prolunga la durata della batteria, ed è illustrato nella figura 1.

LTC3331 è una soluzione EH completa dotata di circuito di regolazione, che genera fino a 50mA di corrente continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia da immagazzinare. Non assorbe corrente di alimentazione dalla batteria quando trasferisce potenza regolata al carico utilizzando l’energia immagazzinata e solo 950nA quando è alimentata dalla batteria a vuoto. Integra un alimentatore EH ad alta tensione oltre a un convertitore CC/CC buck-boost sincrono alimentato da una batteria ricaricabile per creare una singola uscita di continuità per applicazioni di energy harvesting come quelle delle WSN.

L’alimentatore EH dell’LTC3331, composto da un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi CA o CC e da un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, immagazzina l’energia generata da sorgenti piezoelettriche (CA), solari (CC) o magnetiche (CA). Uno shunt da 10mA consente di caricare la batteria con l’energia immagazzinata, mentre una funzione di scollegamento della batteria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti della scarica profonda. La batteria ricaricabile alimenta un convertitore buck-boost sincrono che funziona con tensione d’ingresso compresa tra 1,8V e 5,5V e si inserisce quando l’energia immagazzinata non è disponibile, per regolare l’uscita indipendentemente dal fatto che l’ingresso sia a livello superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. Il caricabatteria dell’LTC3331 è dotato di una funzione di gestione della potenza molto importante, che non può essere trascurata quando si impiegano sorgenti di micropotenza.

Fig. 2 – Schema applicativo dell’LTC4120 illustrante un circuito wireless completo per la carica di batterie

LTC3331 incorpora un circuito di controllo logico del caricabatteria tale che quest’ultimo carica la batteria solo quando l’alimentatore che immagazzina l’energia ne ha una quantità in eccesso. Senza questa funzione logica, all’avvio la sorgente di energia immagazzinata rimarrebbe ‘bloccata’ in qualche punto di funzionamento non ottimale e non sarebbe in grado di alimentare il dispositivo previsto nella fase di avvio. LTC3331 inserisce automaticamente la batteria quando la sorgente per energy harvesting non è più disponibile.

Si ottiene così l’ulteriore vantaggio di consentire alla WSN alimentata dalla batteria di prolungare la sua durata operativa da 10 a oltre 20 anni se per almeno metà del tempo è disponibile una sorgente di alimentazione EH adatta; la durata sarà ancora maggiore se la sorgente EH è disponibile per un intervallo più lungo. È stato integrato anche un circuito di bilanciamento a supercondensatore, che consente di immagazzinare una quantità maggiore di energia all’uscita. Oltre alla gamma sempre più ampia di opzioni di energy harvesting, l’IoT si avvantaggia anche di tecniche perfezionate per la carica wireless, poiché quest’ultima fa sì che sia possibile caricare batterie quando il contatto fisico non è pratico.

Il secondo circuito integrato introdotto per queste applicazioni è LTC4120, un caricabatteria e ricevitore di potenza wireless che incorpora inoltre una tecnologia brevettata di PowerbyProxi (partner tecnologico di Linear), Dynamic Harmonization Control (DHC), che consente la carica senza contatto e ad alta efficienza senza problemi di sollecitazioni eccessive – termiche o elettriche – nel ricevitore. Tramite questa tecnologia è possibile trasmettere fino a 2W a una distanza massima di 1,0cm. Tuttavia, per batterie agli ioni di litio a singola cella, la massima tensione e corrente di carica – pari, rispettivamente, a 4,2V e 400mA – limitano questo valore a 1,7W. Analogamente, il valore massimo di 2W limita a 240mA la corrente di carica delle batterie agli ioni di litio con 2 celle in serie (massima tensione di carica pari a 8,4V).

Le prestazioni del sistema dipendono da vari parametri – potenza, efficienza, portata e dimensioni – quindi il sistema di alimentazione wireless basato sull’LTC4120 è stato progettato per ricevere sino a 2W alla batteria fino a una distanza di 1,0cm quando è impiegato con una delle numerose opzioni di trasmissione disponibili. I risultati dei calcoli dell’efficienza variano in misura notevolissima a seconda della tecnica e dei componenti adoperati. In genere, la batteria riceve il 45% – 55% della potenza d’ingresso CC applicata al trasmettitore in un sistema basato sull’LTC4120.

La tecnologia di sintonizzazione DHC brevettata da PowerbyProxi e integrata nell’LTC4120 offre notevoli vantaggi rispetto ad altre soluzioni di alimentazione wireless. In risposta a variazioni del carico e ambientali, il sistema DHC varia dinamicamente la frequenza di risonanza del circuito risonante LC del ricevitore e consegue un’efficienza superiore del trasferimento di potenza, consentendo l’uso di ricevitori più compatti pur rendendo possibile una portata di trasmissione più lunga. A differenza di altre tecnologie per il trasferimento di potenza wireless, la tecnologia DHC consente una gestione intrinseca del livello di potenza come parte del campo di potenza induttivo, eliminando la necessità di un canale di comunicazione separato per convalidare i ricevitori o per gestire variazioni nella richiesta del carico durante il ciclo di carica della batteria.

È chiaro che la tecnologia DHC risolve un problema fondamentale di tutti i sistemi di alimentazione wireless. Ogni sistema deve essere progettato sia in modo da ricevere una determinata quantità di potenza a una data distanza massima di trasmissione sia in modo da tollerare una condizione di assenza di carico alla distanza di trasmissione minima. Altre soluzioni competitive risolvono questo problema mediante un complicato sistema di comunicazione digitale che aumenta la complessità e il costo, limitando la distanza di trasmissione della potenza. Il sistema di alimentazione wireless basato sull’LTC4120 risolve questo problema incorporando la tecnologia PowerbyProxi DHC.

Anche se le applicazioni WSN industriali con sistemi di immagazzinamento dell’energia avranno un’ampia gamma di livelli di potenza, dai microwatt a oltre 1 watt, per il progettista di sistemi sono già facilmente disponibili circuiti integrati di conversione della potenza.

L’abbinamento tra LTC3331, che immagazzina l’energia e prolunga la durata della batteria, e del caricabatteria wireless LTC4120, assicura il set di funzionalità necessarie per un’ampia gamma di applicazioni a bassa – media potenza, rendendo possibile una categoria in fase di crescita esponenziale nota come l’Internet delle cose. 

tarmstrong@linear.com

Tony Armstrong, director of product marketing power products, Linear Technology

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