Progettare alimentazione perpetua per sistemi embedded utilizzando la tecnologia di energy harvesting
Molti sistemi embedded che non possono connettersi alla rete elettrica principale si basano tipicamente sull'alimentazione a batteria. Tuttavia, quando l'energia della batteria si esaurisce, sostituire le batterie può essere relativamente costoso e causare notevoli inconvenienti. Utilizzando la tecnologia di recupero dell'energia per fornire alimentazione perpetua al sistema, questo problema può essere risolto. Questo articolo introdurrà come utilizzare la tecnologia di recupero dell'energia per stabilire sistemi embedded operativi permanentemente e le soluzioni correlate offerte da Silicon Labs.
Perseguire il conseguimento dell'operazione perpetua nei sistemi di raccolta energetica
La tecnologia di raccolta di energia sta rapidamente diventando un'opzione di alimentazione praticabile per i progettisti di sistemi embedded, consentendo l'utilizzo di sensori wireless in applicazioni in cui i design tradizionali alimentati a batteria erano precedentemente impraticabili. Ad esempio, le fonti di energia basate sulla raccolta di energia permettono ai progettisti di sistema di realizzare facilmente sensori wireless ultrasottili con una portata superiore ai 100 metri e una durata di oltre 20 anni.
L'obiettivo finale dei sistemi di raccolta dell'energia è raggiungere un funzionamento perpetuo. Un sistema di raccolta dell'energia può ottenere un funzionamento perpetuo garantendo che l'energia raccolta sia pari o superiore all'energia consumata dal sistema durante il funzionamento. La gestione dell'energia è un aspetto fondamentale nella progettazione di un sistema di raccolta dell'energia. Il primo passo è determinare la potenza disponibile fornita dal dispositivo di raccolta. I dispositivi di raccolta dell'energia possono convertire energia solare, meccanica o termica in energia elettrica. I dispositivi solari hanno la densità di potenza più alta, in grado di raccogliere 15 mW/cm² di superficie. Massimizzare la potenza del dispositivo di raccolta dell'energia è essenziale per costruire un sistema di raccolta dell'energia robusto.
L'aspetto più importante nella progettazione di un sistema di raccolta energia è fornire una funzionalità sufficiente riducendo al minimo il consumo energetico del sistema embedded. Selezionando componenti con specifiche di bassa dispersione e utilizzando microcontrollori (MCU) ultra-low-power, come le MCU wireless Si10xx di Silicon Labs, è possibile ottenere un basso consumo energetico. La maggior parte delle tecniche utilizzate per ottenere un funzionamento a bassa potenza nei sistemi alimentati a batteria può essere applicata per ridurre il consumo energetico nei sistemi di raccolta energia.
Consideriamo un esempio di un nodo sensore wireless alimentato a energia solare che trasmette dati ogni 20 minuti con una corrente media di 10 µA. Questo sistema è dotato di un pannello solare che può fornire una corrente continua di 50 µA durante le ore diurne. La corrente netta disponibile per caricare la batteria durante il giorno è di 40 µA, mentre di notte la batteria si scarica a un tasso di 10 µA. Finché il sistema è esposto ad almeno 4,8 ore di luce solare ogni giorno, il sistema di raccolta energetica può garantire un funzionamento perpetuo.
Bilanciare la potenza media delle batterie a film sottile nella raccolta e nel consumo di energia
Esistono due tipi di sistemi di raccolta di energia in grado di ottenere un funzionamento perpetuo, ciascuno con diversi meccanismi di accumulo di energia. Il primo tipo richiede lunghi periodi per raccogliere e accumulare energia, utilizzando contenitori di energia a bassa dispersione e alta capacità, come le batterie a film sottile. Il funzionamento perpetuo viene raggiunto bilanciando l'energia media raccolta con il consumo medio di energia. Questi sistemi di raccolta di energia sono i più flessibili e normalmente sperimentano brevi periodi di consumo energetico elevato. Rimangono per la maggior parte del tempo in modalità di sospensione a basso consumo, sempre alimentati e continuamente impegnati nella raccolta di energia. Un esempio di questo tipo di sistema è un nodo sensore wireless alimentato a energia solare.
Il secondo tipo di sistema di raccolta di energia rimane inattivo fino a quando non rileva un impulso energetico, raccoglie l'energia e la immagazzina in un contenitore a bassa impedenza (come un condensatore). Dopo un breve reset di accensione, il sistema utilizza l'energia limitata raccolta dall'impulso per eseguire le funzioni necessarie del sistema. Il funzionamento perpetuo viene raggiunto bilanciando l'energia totale consumata durante l'esecuzione del compito con l'energia raccolta da un singolo impulso. Un esempio di questo tipo di sistema è un interruttore della luce wireless, che utilizza l'energia generata da un interruttore meccanico per trasmettere un segnale RF a un ricevitore situato presso il dispositivo di illuminazione.
Le batterie convenzionali, come le batterie a bottone, le batterie al litio AA e le batterie al litio-cloruro di tionile, sono state utilizzate per anni nei sistemi integrati che richiedono una lunga durata. L'introduzione delle batterie a film sottile offre ai progettisti di sistemi una nuova opzione per equilibrare costo, dimensioni e sicurezza. Poiché gli sviluppatori si trovano costantemente sotto pressione per ridurre i costi dei sistemi, le economiche batterie a bottone possono sembrare la soluzione migliore per diminuire i costi di produzione e portare i prodotti sul mercato rapidamente. Tuttavia, la sostituzione delle batterie a bottone comporta costi nascosti. Se consideriamo che la capacità totale di immagazzinamento di energia di una batteria a film sottile supera quella di trenta batterie a bottone CR2032, si conclude rapidamente che il costo iniziale di una batteria a film sottile è trascurabile rispetto al costo di sostituire una batteria a bottone trenta volte e supera il ciclo di vita del sistema integrato più volte.
Quando si considera la dimensione della batteria, le batterie a film sottile hanno il profilo più sottile di tutti i tipi di batterie (fino a 0,17 mm). La capacità totale della durata di una batteria a film sottile è equivalente a quattro batterie al litio "AA" o a una singola batteria al litio-cloruro di tionile di dimensione "C", rendendo le batterie a film sottile ideali per sistemi embedded con vincoli di spazio che richiedono un profilo ultra-sottile e una lunga durata della batteria.
Inoltre, le batterie a film sottile non presentano i rischi per la sicurezza associati alle batterie convenzionali più grandi, come la possibilità di incendi o esplosioni. Poiché le batterie a film sottile sono ricaricabili, immagazzinano solo una parte della loro capacità totale durata nel tempo in qualsiasi momento, rendendole più sicure in caso di cortocircuito accidentale o esposizione a temperature estreme o fiamme libere. Le batterie a film sottile producono anche significativamente meno rifiuti rispetto alle batterie convenzionali più grandi, che spesso finiscono nelle discariche invece di essere riciclate.
Il design di riferimento per il recupero di energia accelera lo sviluppo dei prodotti
Il consumo energetico è sempre stato una questione cruciale che influenza il funzionamento dei dispositivi IoT alimentati a batteria. Diverse organizzazioni che supportano gli standard wireless sono impegnate ad aiutare a soddisfare le aspettative dei consumatori riguardo alla riduzione del consumo energetico dei dispositivi in questo settore. Zigbee Green Power è un ottimo esempio di considerazione del recupero energetico nella progettazione della comunicazione wireless.
Silicon Labs e Arrow Electronics hanno sviluppato congiuntamente un design di riferimento per l'energy harvesting basato sul System-on-Chip (SoC) EFR32MG22 di Silicon Labs. Questo design combina un interruttore della luce Zigbee Green Power con la gestione dell'energia ricavata. L'MG22 è progettato per il protocollo Zigbee, ha dimensioni compatte e dispone di funzioni di sicurezza avanzate, rendendolo una scelta ideale per dispositivi finali a bassissimo consumo energetico. Silicon Labs offre anche circuiti integrati per la gestione energetica efficienti, come l'EFP0111, per garantire migliori capacità di gestione dell'energia. Inoltre, Silicon Labs fornisce microcontrollori (MCU), kit starter wireless e Simplicity Studio, un potente ambiente di sviluppo e debugging, per aiutare i clienti a sviluppare rapidamente sistemi di energy harvesting.
L'elemento centrale di questo design è il generatore di energia, e questo design di riferimento utilizza il modulo generatore monostabile di ZF. Si tratta di un generatore a interruttore bidirezionale, il che significa che l'energia viene generata sia quando l'interruttore viene premuto che quando viene rilasciato. L'interruttore è dotato di un magnete con due poli, e premendo l'interruttore si genera un campo magnetico che attraversa il nucleo e torna verso l'altro polo. Poi, quando l'utente rilascia l'interruttore, il campo magnetico cambia e attraversa il nucleo nella direzione opposta. Questo cambiamento del campo magnetico genera una corrente, che rappresenta l'energia che può essere raccolta. Quando il generatore ZF viene premuto o rilasciato, genera una tensione alternata, e il sistema può utilizzare questa energia meccanica per accendere una luce. L'obiettivo finale è quello di riuscire ad accendere e spegnere la luce senza cablaggio tra l'interruttore e il dispositivo di illuminazione.
Alimentare i dispositivi IoT è un compito ad alta intensità energetica. Innovare nuovi metodi per alimentare i dispositivi senza batterie semplificherà lo sviluppo e contribuirà a creare un ambiente più pulito. Ad esempio, l'energia necessaria per far lampeggiare un LED una sola volta è sufficiente per trasmettere più segnali RF. La combinazione di design al silicio a basso consumo e di reti ottimizzate per applicazioni a basso consumo getterà le basi per una nuova era nella gestione dell'energia, riducendo costi significativi e sprechi per produttori e consumatori.
Soluzioni di gestione dell'energia ad alte prestazioni e a basso consumo
Silicon Labs ha introdotto la serie di SoC EFR32MG22 (MG22), soluzioni Zigbee ottimizzate che offrono un'efficienza energetica leader nel settore per applicazioni IoT, come sensori per la smart home, controlli dell'illuminazione e automazione degli edifici e industriale.
Le soluzioni SoC Zigbee EFR32MG22 ed EFR32MG22E fanno parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2. La famiglia MG22 offre una soluzione SoC Zigbee ottimizzata, integrando un core ARM® Cortex®-M33 ad alte prestazioni e basso consumo da 76.8 MHz con TrustZone. Il MG22 consente di creare applicazioni efficienti dal punto di vista energetico, mentre il MG22E (“E” per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente i vantaggi in termini di risparmio energetico prolungando la durata della batteria e supportando design completamente senza batterie. Il SoC MG22 combina una trasmissione e ricezione a consumo ultra basso (+6 dBm a 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), una modalità di deep sleep con consumo di 1.4 µA, e periferiche a basso consumo, offrendo una soluzione leader nel settore per il risparmio energetico nelle applicazioni del protocollo Zigbee, incluse Green Power.
Il circuito integrato (PMIC) per la gestione dell'energia EFP0111GM20 di Silicon Labs, Energy-Friendly Power Management IC, è un PMIC flessibile, altamente efficiente e multi-output che fornisce alimentazione completa al sistema per i dispositivi EFR32 ed EFM32. Dispone di tre binari di tensione di uscita e capacità di conteggio di Coulomb per batterie a cella primaria. Il PMIC EFP0111 boost Bootstrap funziona in un intervallo di tensione da 1,7 a 5,2, con una corrente di riposo minima di 150 nA. L'EFP0111GM20 supporta una vasta gamma di batterie da 1,5 a 5,5 volt, offrendo flessibilità per diverse tecnologie di batterie e migliorando l'efficienza energetica di EFR32 ed EFM32.
I microcontrollori wireless Sub-GHz Si10xx di Silicon Labs combinano la tecnologia di connettività wireless ad alte prestazioni con la capacità di elaborazione di microcontroller a ultra-basso consumo, il tutto in un formato compatto di 5 x 6 mm. I dispositivi supportano bande di frequenza che vanno da 142 a 1050 MHz, includendo un motore avanzato di gestione pacchetti integrato e una capacità di budget di collegamento fino a 146 dB. I dispositivi sono ottimizzati grazie alla riduzione delle correnti in modalità TX, RX, attiva e sleep, e supportano tempi di riattivazione rapidi, abbassando il consumo di energia per le applicazioni alimentate a batteria. L'MCU Si106x è compatibile a livello di pin con i dispositivi Si108x, con una capacità di memoria flash che varia da 8 a 64 kB e periferiche analogiche e digitali robuste, tra cui ADC, doppi comparatori, timer e GPIO. Tutti i dispositivi sono progettati per conformarsi agli standard di smart metering 802.15.4g e supportano gli standard normativi mondiali, inclusi le specifiche FCC, ETSI e ARIB.
Conclusione
La tecnologia di raccolta energetica è diventata piuttosto popolare ed è destinata a diffondersi ulteriormente nei prossimi anni grazie ai numerosi vantaggi che offre per la progettazione di sistemi embedded. Un sistema di raccolta energetica progettato correttamente, una volta superato il reset iniziale di alimentazione, può funzionare indefinitamente. Con una progettazione accurata del sistema, la durata di un sistema di raccolta energetica può essere estesa fino a oltre 20 anni. Le batterie a film sottile sono comunemente utilizzate nei sistemi di raccolta energetica grazie al loro profilo ultra-sottile e alle caratteristiche di basso livello di perdite. La possibilità di progettare sistemi embedded auto-sostenibili senza la necessità di un alimentatore principale o di batterie convenzionali sostituibili apre nuove possibilità di applicazione e spiana la strada a nuove aree di sviluppo dei sistemi embedded. Le soluzioni SoC Zigbee della serie MG22, l'IC per la gestione energetica ad alta efficienza EFP0111GM20 e le MCU wireless Sub-GHz Si10xx introdotte da Silicon Labs possono fornire un eccellente controllo del consumo energetico per i sistemi di raccolta energetica, garantendo il funzionamento a lungo termine dei sistemi embedded senza la necessità di sostituire la batteria.
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