Aumentare le funzionalità degli indossabili

Una volta semplici come un contapassi da camminata o da corsa, in breve tempo gli indossabili sono diventati più avanzati e più intelligenti e si distinguono non solo per le caratteristiche tecniche e la funzionalità, ma anche per l’eleganza del design. Dagli indumenti intelligenti ai Google Glass, ai dispositivi per il rilevamento dell’attività fisica, ad apparecchiature per la realtà virtuale e la visione notturna e anche a head-up display, gli indossabili si sono affermati nei settori consumer, militare e industriale. Un indossabile è un prodotto che viene indossato dall’utente per un lungo periodo di tempo e che, per questa sua caratteristica, ne arricchisce in un certo modo l’esperienza. Un indossabile intelligente aggiunge, alle normali capacità del dispositivo, funzioni indipendenti di elaborazione dei dati e connettività.

Parametri biostatistici per il benessere

I parametri biostatistici sono segni vitali che misurano le funzioni fondamentali del corpo umano: temperatura corporea, frequenza del polso/cardiaca, frequenza respiratoria e pressione sanguigna. Si tratta di parametri cruciali poiché un’alterazione dei segni vitali può indicare un declino della salute. Ovviamente, gli ospedali e vari studi medici sono dotati di dispositivi complessi e costosi per misurare tali parametri; ma s’immagini quanto di più potrebbe essere migliorata la qualità della vita se fosse possibile misurarli con efficienza e a costi contenuti fuori dei presidi ospedalieri e medici. Ad esempio, a casa o al lavoro, si potrebbero apportare al volo modifiche allo stile di vita e ai comportamenti, in tempo reale, migliorando la salute e se possibile prolungando la durata della vita o anche salvando vite. Fortunatamente, una combinazione di riduzione dei costi dei dispositivi e progresso della tecnologia dei sensori ha fatto sì che aumenti sempre di più il numero di indossabili intelligenti concepiti per il benessere e applicazioni mediche, dai dispositivi più semplici, di misurazione di un singolo segno vitale, da portare su una determinata parte del corpo, a quelli più complessi, come esoscheletri dotati di numerosi sensori e da indossare su tutto il corpo. Ma per quanto riguarda l’elettronica di un circuito integrato, l’alimentazione efficiente e la compartimentazione di queste tipologie di indossabili non sono problemi banali; per approfondire questo aspetto, osserviamo più in dettaglio un tipico dispositivo indossabile intelligente.

Un tipico dispositivo indossabile intelligente

Qual è la principale caratteristica funzionale di un tipico dispositivo indossabile intelligente? Si tratta a tutti gli effetti di un sistema integrato miniaturizzato, la cui esatta compartimentazione dipende ovviamente dal dispositivo stesso; tuttavia, da un punto di vista generale, l’architettura essenziale di un indossabile intelligente è una combinazione dei seguenti elementi: un microprocessore o microcontrollore o circuito integrato simile; sensori microelettromeccanici; attuatori meccanici compatti; un circuito integrato per Gps; connettività Bluetooth/cellulare/Wi-Fi per l’acquisizione/elaborazione e la sincronizzazione dei dati; elettronica per la generazione di immagini e Led; risorse di elaborazione; batteria ricaricabile o a celle primarie; elettronica di supporto. Gli obiettivi progettuali principali concernenti un indossabile sono: piccolo fattore di forma, peso ridotto per agevolare l’indossabilità/il comfort e consumo di energia ultrabasso ai fini della massima autonomia della batteria. Tuttavia, alimentare questi dispositivi con efficienza e precisione oltre che con un assorbimento di corrente minimo non è così semplice. I seguenti sono alcuni dei problemi principali a cui far fronte quando si devono alimentare indossabili intelligenti. Un basso consumo di corrente nel circuito integrato di gestione della potenza in un dispositivo a batteria è di vitale importanza ai fini di una maggiore autonomia; è necessario un circuito integrato che realizzi una conversione dell’ordine di grandezza dei microwatt o nanowatt. Un Mems richiede un alimentatore regolato silenzioso e ne possono trarre vantaggio anche attuatori impegnati pesantemente. Un regolatore a commutazione a basso ripple o Ldo (Low-dropout) è ideale per generare tali tensioni poiché queste hanno basso rumore di uscita. Le tensioni del sistema di connettività Bluetooth/RF/Wi-Fi/cellulare richiedono pure basso rumore; un regolatore Ldo o, poiché le correnti di uscita possono essere notevoli, un regolatore a commutazione a basso ripple o post-regolato Ldo, rappresenta una buona scelta. La potenza del processore (il cervello dell’indossabile); varie unità, ad esempio, Mcu Arm Cortex, Dsp, chip Gps o Fpga, offrono un’ampia gamma di basse tensioni, con svariati livelli di corrente, e possono essere alimentate da regolatori a commutazione o Ldo. Poiché non tutti i dispositivi indossabili sono alimentati con batterie ricaricabili (alcuni potrebbero essere dotati di batterie a celle primarie non ricaricabili che devono offrire lunga autonomia tra una sostituzione e l’altra) è essenziale individuare un modo per stimare l’autonomia della batteria. Dimensioni e peso ridotti fanno sì che l’indossabile sia più comodo per l’utente; i circuiti integrati realizzati in package compatti offrono ingombri piccolissimi, consentendo quindi di realizzare il dispositivo in modo che sia leggero e con un piccolo fattore di forma.

Soluzioni a circuito integrato con corrente di quiescenza ultrabassa

È chiaro che un circuito integrato che risolva sia le esigenze applicative di dispositivi indossabili che i corrispondenti problemi già illustrati, deve presentare i seguenti attributi: corrente di quiescenza ultrabassa, sia nella modalità di funzionamento che in quella di arresto; ampia gamma di tensioni d’ingresso, per accettare un assortimento di sorgenti di potenza; capacità di alimentare con efficienza le linee del sistema (alcune con tensioni più alte, oltre 5 V); funzione di conteggio preciso dei coulomb senza influire notevolmente sulla corrente di quiescenza del circuito integrato (consumo della batteria), per determinare l’autonomia della batteria; ingombro ridotto, leggerezza e profilo ribassato della soluzione; package avanzato per offrire migliori prestazioni termiche ed efficienza nello spazio disponibile. Alcuni prodotti introdotti di recente da Linear Technology, come il regolatore buck LTC3388 a IQ ultrabassa, il regolatore con tecnologia energy harvesting LTC3331 a nanopotenza e il convertitore buck-boost LTC3335 con contatore di coulomb integrato presentano già la maggior parte di questi attributi. Il modello LTC3388 è un convertitore buck sincrono a corrente di quiescenza ultrabassa, in grado di produrre fino a 50 mA di corrente di uscita continua a tensione di alimentazione compresa tra 2,7 V e 20 V. La corrente di funzionamento a vuoto dell’LTC3388, pari a soli 720 nA, lo rende ideale per un’ampia gamma di dispositivi a batteria e con bassa corrente di riposo, come indossabili e alimentatori “keep-alive”. Il suo circuito di raddrizzamento sincrono a isteresi ottimizza l’efficienza in un ampio intervallo di correnti di carico; inoltre il convertitore offre efficienza di oltre il 90% per carichi compresi fra 15 µA e 50 mA, e richiede una corrente di quiescenza a vuoto di soli 720 nA in modalità di regolazione, prolungando quindi la durata della batteria. La combinazione di un package Dfn di 3 x 3 mm e di soli cinque componenti esterni consente di realizzare una soluzione molto semplice e dall’ingombro ridottissimo per un’ampia gamma di applicazioni a bassa potenza. La Fig. 1 mostra il circuito applicativo dell’LTC3388.

Circuiti integrati con corrente di quiescenza a nanopotenza

Il dispositivo LTC3335 è un convertitore buck-boost sincrono ad alta efficienza e a nanopotenza che integra un contatore di coulomb di precisione, in grado di applicare sino a 50 mA di corrente di uscita continua. Con una corrente di riposo pari a soli 680 nA e correnti d’ingresso di picco programmabili che possono andare da valori bassissimi - anche 5 mA - fino a 250 mA, il dispositivo è ideale per un’ampia gamma di applicazioni con batterie a bassa potenza, come quelle presenti nei dispositivi indossabili e in quelli utilizzati in ambito IoT. Grazie all’intervallo di tensioni d’ingresso del dispositivo - da 1,8 a 5,5 V - e alle otto uscite selezionabili dall’utente - fra 1,8 e 5 V - si ottiene un alimentatore a uscita regolata con tensione d’ingresso superiore, uguale o inferiore a quella di uscita. Inoltre, il contatore di coulomb di precisione integrato assicura il monitoraggio accurato della scarica della batteria (precisione della misura: ±5%) in applicazioni alimentate con batteria non ricaricabile di lunga durata, che in molti casi presentano curve di scarica della batteria con variazione quasi impercettibile. Sono applicazioni tipiche: sensori wireless, sistemi di monitoraggio in remoto e i sistemi Dust Networks SmartMesh di Linear. Il dispositivo LTC3335 include quattro Mosfet interni a bassa Rdson e può raggiungere un’efficienza del 90%. Altre funzioni: soglia programmabile di allarme da scarica, interfaccia I2C per programmare il dispositivo e accedere al conteggio dei coulomb, uscita con flag power good e scelta di otto correnti d’ingresso di picco, da 5 mA sino a 250 mA, per l’uso con un’ampia gamma di tipologie e capacità di batterie. Il dispositivo LTC3335 è disponibile con intervallo della temperatura di giunzione durante il funzionamento da -40 a +125°C in un package Qfn di 3 x 4 mm a 20 conduttori dotato di dissipatore avanzato. La Fig. 2 mostra il circuito applicativo dell’LTC3335. Il dispositivo LTC3331 è una soluzione energy harvesting completa, che genera fino a 50 mA di corrente di uscita continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia da immagazzinare. Un semplice shunt da 10 mA consente di caricare la batteria con l’energia così ottenuta, mentre una funzione di disconnesione della batteria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti della scarica profonda. Il dispositivo LTC3331 assorbe solo 200 nA di corrente di alimentazione dalla batteria quando trasferisce potenza regolata al carico utilizzando l’energia accumulata e solo 950 nA quando è alimentato dalla batteria a vuoto. Integra un alimentatore EH ad alta tensione, un circuito di carica della batteria e un convertitore Cc/Cc buck-boost sincrono per creare una singola uscita regolata continua per applicazioni di energy harvesting come quelle delle reti di sensori wireless. L’alimentatore EH, consistente di un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi Ca o Cc e di un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, accumula l’energia generata da sorgenti piezoelettriche, solari o magnetiche. Quando non è disponibile energia accumulata, la batteria ricaricabile alimenta un convertitore buck-boost che funziona nell’intero intervallo delle tensioni della batteria - fino a 4,2 V - ed è in grado di regolare l’uscita indipendentemente dal livello a cui si trova l’ingresso: superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. Il dispositivo LLTC3331 inserisce automaticamente la batteria quando la sorgente per energy harvesting non è più disponibile. Gli ingressi di energy harvesting dell’LTC3331 funzionano in un intervallo di tensioni compreso fra 3 V e 19 V Ca o Cc, rendendo il dispositivo ideale per un’ampia gamma di sorgenti di energia piezoelettrica, solare o magnetica. Le soglie d’ingresso per il blocco da sottotensione sono programmabili fra 3 e 18 V, mettendo in grado l’applicazione di utilizzare la sorgente per energy harvesting al punto di trasferimento della potenza di picco. Altre caratteristiche: tensioni di uscita programmabili mediante pin e limiti della corrente di picco buck-boost, un circuito di bilanciamento a supercondensatore e uno shunt di protezione dell’ingresso. Il dispositivo LTC3331 è disponibile in un package Qfn di 5 x 5 mm dotato di dissipatore avanzato. La Fig. 3 mostra il circuito applicativo dell’LTC3335.

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