Ci chiediamo cosa c’è al cuore di un dispositivo indossabile intelligente. Si tratta a tutti gli effetti di un sistema integrato miniaturizzato, la cui esatta “compartimentazione” dipende ovviamente dal dispositivo stesso. Tuttavia, in modo 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 (Global Positioning System), connettività Bluetooth/cellulare, elettronica per la generazione di immagini, Led, risorse di elaborazione, batteria (eventualmente ricaricabile) ed elettronica di supporto.Gli obiettivi principali di 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. Gli indossabili sono ovviamente prodotti “attraenti”, ma alimentarli con efficienza e precisione mentre si caricano le batteria con il minimo assorbimento di corrente pone problemi non indifferenti. I seguenti sono alcuni dei problemi principali a cui far fronte nell’alimentare gli indossabili con circuiti integrati:
- Un basso consumo di corrente nel circuito integrato in un dispositivo a batteria è di capitale importanza ai fini di una maggiore autonomia; un circuito integrato che realizzi una conversione nell’ordine di grandezza dei microwatt – o ancora meglio, dei nanowatt – è l’ideale.
In alcune architetture di indossabili si impiegano più batterie, ad esempio due batterie al litio che offrono 8,4 V anziché una singola cella al litio (4,2 V); si ottiene così una maggiore capacità e un’autonomia del sistema più lunga, a scapito però della necessità di un circuito integrato a tensione più alta.
- Un sensore MEMS richiede un alimentatore regolato silenzioso e ne possono trarre vantaggio anche attuatori impegnati pesantemente; un Ldo (low-dropout) è ottimo per generare tali tensioni poiché queste hanno basso ripple di uscita.
- Le tensioni del sistema di connettività Bluetooth/RF richiedono pure basso rumore; un regolatore LDO o, poiché le correnti di uscita possono essere notevoli, un regolatore a commutazione post-regolato Ldo rappresenta una buona scelta.
- La potenza del processore (il “cervello” dell’indossabile). Varie unità – ad esempio, TI OMAP, MCU ARM Cortex, DSP, chip GPS o FPGA – offrono un’ampia gamma di basse tensioni, con livelli di corrente bassi o alti, e possono essere alimentate da regolatori a commutazione o LDO.
- Le batterie richiedono accorgimenti particolari per evitare una sovraccarica che ne ridurrebbe il ciclo di vita; caricabatteria precisi con algoritmi di terminazione incorporati assicurano durata più lunga delle celle.
- Dimensioni e peso ridotti fanno sì che l’indossabile sia più comodo per l’utente; i circuiti integrati in contenitori compatti offrono ingombri piccolissimi, consentendo quindi di realizzare il dispositivo con un piccolo fattore di forma.
- Un indossabile dotato di un’ampia gamma di funzionalità richiede molte linee di alimentazione e a tal fine possono rivelarsi adeguati regolatori a più uscite o circuiti integrati di gestione della potenza (PMIC); infine, circuiti integrati compatti con caricabatteria incorporati offrono un livello superiore di integrazione e flessibilità.
Una soluzione efficace
È chiaro che un circuito integrato che risolva sia le esigenze applicative che i corrispondenti problemi già illustrati deve presentare molti dei seguenti attributi:
- corrente di riposo ultrabassa, sia nella modalità di funzionamento che in quella di arresto;
- ampia gamma di tensioni d’ingresso, per accettare un assortimento di alimentatori;
- capacità di alimentare con efficienza più linee del sistema;
- tensione di carica della batteria precisa, per prevenire la sovraccarica;
- capacità di caricare batterie molto diffuse, come quelle al litio;
- modalità di carica autonoma e semplice con algoritmi di terminazione incorporati (non occorre alcun microcontrollore);
- ingombro ridotto, a profilo basso;
- contenitore avanzato per offrire migliori prestazioni termiche ed efficienza nell’utilizzo dello spazio disponibile.
La famiglia di regolatori buck LTC3388/-x a IQ ultrabassa introdotta recentemente da Linear, e la relativa combinazione LTC3553 di regolatore buck e PMIC con caricabatteria per cella singola al litio, presentano già la maggior parte di questi attributi.
L’LTC3388 è un convertitore buck sincrono a corrente di riposo ultrabassa, in grado di produrre fino a 50mA di corrente di uscita continua a tensione di alimentazione compresa tra 2,7V e 20V. La corrente di funzionamento a vuoto dell’LTC3388, pari a soli 720nA, lo rende ideale per un’ampia gamma di dispositivi a batteria e a bassa corrente di riposo, inclusi indossabili e alimentatori “keep-alive”. L’LTC3388 utilizza un circuito di raddrizzamento sincrono a isteresi per ottimizzare l’efficienza in un ampio intervallo di correnti di carico; può offrire efficienza di oltre il 90% per carichi compresi fra 15µA e 50mA, e richiede una corrente di riposo a vuoto di soli 720nA in modalità di regolazione, prolungando quindi la durata della batteria. La combinazione di un contenitore DFN da 3mm x 3mm (o MSOP-10) e di soli cinque componenti esterni rappresenta una soluzione molto semplice e dall’ingombro ridottissimo per un’ampia gamma di applicazioni a bassa potenza. La Figura 1 mostra un tipico circuito applicativo dell’LTC3388.
Uso di un PMIC per una scala superiore di integrazione
L’LTC3553 è un PMIC multifunzione a micropotenza per l’impiego con batterie portatili litio-ione o litio-polimeri, che integra un circuito di controllo PowerPath™ lineare compatibile con dispositivi USB, un caricabatteria autonomo, un regolatore buck sincrono ad alta efficienza da 200mA, un sistema di controllo a pulsante e un LDO da 150mA, il tutto in un compatto contenitore QFN da 3mm x 3mm; vedere la Figura 2 per il suo tipico circuito applicativo. Per dispositivi funzionanti con correnti basse in modalità di standby, la modalità di standby del circuito integrato, selezionabile con pin, riduce la corrente erogata dalla batteria a soli 12µA circa mentre tutte le uscite rimangono regolate; vedere i grafici della Figura 3 per i dettagli. L’LTC3553 è ideale per dispositivi di navigazione personale (PND), lettori multimediali, dispositivi industriali e medicali portatili nonché per altri dispositivi portatili con batterie compatte, di bassa capacità, che consumino quantità ridotte di potenza.
Conclusione
Il settore dei dispositivi indossabili intelligenti è in crescita esponenziale e include un’ampia gamma di prodotti per vari e diversi segmenti: sanitario e fitness, medicale, infotainment, militare e industriale. L’architettura fondamentale di un indossabile intelligente dipende dal tipo di prodotto, ma essenzialmente è costituita da un microcontrollore, sensori MEMS, sistemi di connettività wireless, batteria ed elettronica di supporto. L’alimentazione di un indossabile a bassa corrente può porre problemi complessi, ma Linear Technology offre una vasta linea di prodotti all’avanguardia in grado di offrire prestazioni elevatissime a tali bassi livelli di potenza. Dispositivi come il regolatore buck con tecnologia “energy harvesting” LTC3388, a IQ ultrabassa, e per un livello superiore di integrazione, come l’LTC3553 che combina un caricabatteria per celle al litio e un PMIC LDO/regolatore buck possono prolungare la durata e le prestazioni complessive di molti indossabili ancora da sviluppare.
