Ottimizzare le batterie per l’IoT

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Con il termine Internet delle Cose ci si riferisce al numero crescente di dispositivi interconnessi che monitorano tutto, dalle frequenze cardiache alle temperature di locali o al numero di persone presenti in un edificio. Ogni giorno vengono create nuove applicazioni per misurare e documentare dati di tutti i tipi attraverso reti locali wireless che a loro volta possono essere connesse, tramite gateway, direttamente a Internet. Se gli esperti non sbagliano, presto saremo in grado di monitorare la funzionalità e lo stato operativo di qualsiasi elettrodomestico delle nostre abitazioni, spegnere tutte le luci e sapere esattamente dove si trovano i nostri animali di compagnia, il tutto in modo molto semplice dai nostri smartphone. Il monitoraggio wireless di qualsiasi punto consentirà l’osservazione e il controllo dell’ambiente che ci circonda in qualunque momento, dovunque ci troviamo. Da un punto di vista più utilitario, l’Internet delle cose si è anche manifestata in ambienti industriali sotto forma di sensori wireless disposti in vaste reti mesh impiegate in fabbriche, cantieri industriali, veicoli e macchine in tutto il mondo per monitorare parametri critici e migliorare la sicurezza, l’affidabilità e la manutenzione tempestiva. Indipendentemente dall’uso previsto, questi dispositivi wireless presentano tutti uno stesso problema: come vengono alimentati?
Ovviamente, esistono molte soluzioni alternative da considerare. I dispositivi di monitoraggio wireless devono essere compatti e non appariscenti, e devono richiedere una manutenzione minima. Gli esperti suggeriscono che nel mondo dell’IoT di domani, molti di questi dispositivi saranno autoalimentati tramite sistemi di immagazzinamento dell’energia o energy harvesting, in grado di fornire una fonte illimitata di potenza. Sebbene questa prospettiva sembri ideale, e siano stati fatti progressi considerevoli volti a migliorare la fattibilità dell’energy harvesting, le soluzioni attuali presentano ancora dimensioni e prestazioni inferiore alle aspettative e vi saranno sempre casi in cui è necessaria potenza ma non è disponibile nessuna fonte di energia immagazzinabile. Fortunatamente, esistono tecnologie che consentono di ottimizzare le batterie per ottenere lunga durata e basso consumo medio di potenza, rispondendo ai requisiti delle applicazioni IoT.


Batterie al litio-cloruro di tionile: la fonte di energia ideale
Le applicazioni IoT tendono a presentare requisiti di energia e potenza simili. La potenza media necessaria per i dispositivi di monitoraggio in remoto in genere è molto bassa, con la necessità saltuaria di misurare e trasmettere i dati in modalità burst. La batteria ideale per tali applicazioni favorirebbe dunque la densità di energia rispetto alla densità di potenza. Inoltre, l’autoscarica della batteria deve essere ridotta al minimo per consentire la massima autonomia possibile e ridurre la necessità di costosi tempi di fermo e operazioni di manutenzione per sostituire le batterie. Una batteria eccellente per tali applicazioni è quella al litio-cloruro di tionile (Li-SOCL2), la cui composizione chimica assicura autoscarica estremamente bassa (numerosi fornitori dichiarano una scadenza di oltre 20 anni), densità di energia molto alta e tensione di funzionamento tipica relativamente alta: 3,6V. Le batterie Li-SOCL2 sono disponibili presso numerosi fornitori in un’ampia gamma di forme, dimensioni e capacità, ma com’è il caso con la maggior parte delle tecnologie altamente specializzate, l’uso comporta una serie di compromessi.

L’uso di batterie di lunga durata
I vantaggi della lunga durata delle batterie Li-SOCL2 richiedono di prestare particolare attenzione durante la progettazione dei circuiti dell’applicazione. Le batterie al litio-cloruro di tionile hanno un’impedenza di uscita molto alta. La reazione chimica (formazione di un film di passivazione) che rende possibile l’autoscarica estremamente lenta e la lunga durata, ha l’effetto indesiderato di limitare la corrente di uscita disponibile. Anche quando il film di passivazione si è dissipato a causa della carica periodica della batteria, le correnti di picco erogabili sono basse rispetto a batterie di diversa composizione chimica, per una determinata capacità nominale (ampere per ora). Nelle batterie al litio-cloruro di tionile, l’elevato assorbimento di corrente causa non solo una tensione di funzionamento ridotta ma anche una riduzione della capacità della batteria. Facendo funzionare la batteria con un carico Cc di 100mA si ottiene una capacità di 9A·h, notevolmente inferiore al valore di picco di 19A·h ottenibile con un carico di 4mA. Quindi, applicazioni che richiedono elevate correnti di picco transitorie devono essere dotate sia di condensatori di immagazzinamento dell’energia inseriti in parallelo alla batteria per gestire i burst periodici di potenza, sia di circuiti di limitazione della corrente della batteria durante i carichi di picco per massimizzare la capacità disponibile. Il problema di gestione della corrente della batteria si complica ulteriormente se è necessario un convertitore Cc/Cc per mantenere una tensione di alimentazione stabile per l’elettronica di comunicazione e i sensori a valle. I convertitori Cc/Cc ottimizzati per applicazioni a bassa potenza in genere funzionano in Burst Mode: il convertitore rimane in uno stato di inattività finché l’uscita non scende sotto il punto di regolazione, dopodiché vengono applicati all’uscita burst di corrente brevi e di elevata ampiezza fino a ottenere la regolazione. Come discusso in precedenza, queste correnti di burst creano problemi sia alle batterie al litio-cloruro di tionile che a batterie principali di diversa composizione chimica, e comportano una durata ridotta del sistema. La soluzione di alimentazione IoT ideale dovrebbe combinare una batteria di lunga durata e un convertitore Cc/Cc progettato con un sistema di gestione della corrente che non causi problemi alla batteria stessa.

Convertitore a nanopotenza con corrente programmabile
Tenendo presenti esattamente questi requisiti, è stato progettato da Linear Technology un nuovo dispositivo, l’LTC3335. Si tratta di un convertitore Cc/Cc buck-boost che genera una tensione di uscita costante regolata e programmabile con pin da 1,8 V a 5 V a partire da una tensione d’ingresso non regolata compresa fra 1,8 e 5,5 V. Il dispositivo è utilizzabile con un’ampia gamma di batterie principali per regolare una tensione di uscita superiore, uguale o inferiore a quella d’ingresso.
L’LTC3335 è un convertitore buck-boost unico poiché richiede solo 680nA di corrente a riposo d’ingresso per mantenere l’uscita regolata; inoltre presenta una scelta di 8 valori programmabili della corrente d’ingresso di picco da un bassissimo limite inferiore, 5 mA, sino a 250 mA per adattarsi alle limitazioni della corrente d’ingresso di un’ampia gamma di batterie a celle primarie, comprese quelle al litio-cloruro di tionile, senza alcuna limitazione della corrente esterna.
Il funzionamento Cc/Cc dell’LTC3335 è relativamente semplice. Se la tensione di uscita è oltre il punto di regolazione, il dispositivo passa alla modalità Sleep lasciando inserito solo il circuito di monitoraggio dell’uscita. Quando il carico applicato richiede che la tensione di uscita scenda sotto il punto di regolazione, viene inserito il convertitore Cc/Cc e la potenza viene trasferita dall’ingresso all’uscita mediante un convertitore con ponte a onda intera monolitico a quattro interruttori. Quando il convertitore Cc/Cc è inserito, gli interruttori A e C passano allo stato On, consentendo la circolazione della corrente dalla batteria attraverso un induttore esterno collegato tra i pin SW1 e SW2. Quando viene raggiunta la corrente di picco programmata (IPEAK), gli interruttori A e C passano allo stato Off e gli interruttori B e D si chiudono, consentendo alla corrente, attraverso l’induttore, di caricare il condensatore di uscita collegato al pin PVOUT. La corrente continua a circolare negli interruttori B e D finché non si annulla. Se a questo punto l’uscita è oltre il punto di regolazione, il dispositivo ritorna alla modalità Sleep finché la tensione non esce dalla zona di regolazione, altrimenti inizia un altro ciclo di commutazione AC/BD. Grazie alla corrente a riposo così bassa e al funzionamento sincrono, l’LTC3335 consegue un’efficienza di conversione della potenza maggiore dell’80% con correnti di carico bassissime, fino a 10 µA, un livello di carico medio frequente per un’ampia gamma di sensori wireless. Inoltre, le correnti di picco d’ingresso possono essere ridotte al valore minimo necessario per sostenere il consumo di corrente medio, massimizzando quindi la durata e la capacità della batteria.

Stimare la capacità rimanente della batteria
Nonostante l’impegno posto nel ridurre al minimo le correnti di carico e massimizzare la durata della batteria, alla fine le applicazioni sono limitate dall’ingombro e a un certo punto sarà necessario sostituire le batterie. In un apparecchio portatile di basso costo, monitorare lo stato di scarica della batteria e stimare la capacità rimanente potrebbe non essere un obiettivo prioritario: la batteria dura più a lungo dell’apparecchio o le conseguenze di andare off-line per sostituire la batteria sono minime. Tuttavia, nel caso di un sensore cruciale in un sistema di automazione di fabbrica o di monitoraggio della sicurezza di un vagone ferroviario, un fermo imprevisto per sostituire una batteria scarica comporterebbe un costo inaccettabile. Con molte batterie a celle primarie, prevedere la capacità rimanente spesso è un’operazione difficile, ma con le batterie al litio-cloruro di tionile ciò è particolarmente complesso. La tensione a circuito aperto di una tipica batteria Li-SOCL2 rimane quasi costante finché la capacità della batteria non è praticamente nulla; a questo punto, la tensione della batteria diminuisce bruscamente, così che il monitoraggio della tensione della batteria fornisce poche informazioni utili finché la capacità della batteria non è prossima a zero. Inoltre, sia la tensione a circuito aperto che l’impedenza della batteria hanno una forte dipendenza dalla temperatura, per cui anche se la misura di tali parametri fornisce un avviso sufficiente per evitare un fermo non programmato, è impossibile distinguere, senza un ulteriore monitoraggio, la differenza tra il punto di transizione della curva di scarico e una variazione della temperatura o del carico – e il tutto comporta un consumo indesiderato di potenza.

Un contatore di coulomb con corrente a riposo “zero”
Il modo più semplice e diretto per monitorare l’uso della batteria consiste nel contare i coulomb scaricati dalla batteria. I metodi tradizionali comportano il monitoraggio continuo e l’integrazione della corrente della batteria, il che consuma quantità considerevoli di potenza anche a vuoto. Tuttavia, l’architettura di conversione della potenza dell’LTC3335 esegue un automonitoraggio preciso della quantità di carica che viene trasferita dalla batteria al carico ogni volta che il convertitore Cc/Cc deve portare l’uscita oltre il punto di regolazione. La differenza fondamentale è che durante i periodi Sleep Cc/Cc, il contatore di coulomb consuma una corrente pari a zero. Ogni volta che il convertitore Cc/Cc viene inserito, la corrente viene erogata dalla batteria solo quando gli interruttori A e C sono chiusi; la corrente circola in tali interruttori finché non viene raggiunto il valore IPEAK, quindi gli interruttori B e D passano allo stato On e la corrente dell’induttore si scarica sul condensatore di uscita con andamento a rampa finché non si annulla. Non appena viene rilevato il punto a corrente nulla, il ciclo si ripete finché VOUT non è nella zona di regolazione. Con un induttore scelto appropriatamente, la corrente erogata dalla batteria aumenta a rampa da zero finché non raggiunge il valore di picco programmato ogni volta che gli interruttori A e C sono allo stato On. Il tempo necessario per raggiungere il valore IPEAK in un dato ciclo On degli interruttori A e C è principalmente una funzione della tensione della batteria, del valore dell’induttore e del valore IPEAK programmato. Misurando il tempo necessario per raggiungere IPEAK, è possibile determinare il numero di coulomb trasferiti durante ciascun ciclo degli interruttori A e C per un determinato valore IPEAK mediante la seguente formula:

qAC(ON) = IPEAK ° tAC / 2

L’LTC3335 è dotato di un circuito di temporizzazione interno che misura periodicamente il tempo On degli interruttori A e C e genera all’uscita un numero di coulomb preciso, in scala secondo il valore IPEAK selezionato ogni volta che gli interruttori A e C passano allo stato On. Un contatore e un sommatore interni contano quante volte gli interruttori A e C passano allo stato On e moltiplica il conteggio per il numero di coulomb, in scala secondo il tempo On Ca, qAC(ON). Gli 8 bit più significativi della catena del contatore sono accessibili dall’utente tramite una porta I2C e rappresentano il numero totale di coulomb trasferiti dalla batteria al carico. I fattori di scala possono essere scelti attraverso la porta I2C in funzione della capacità della batteria e del valore IPEAK programmato, ed è possibile selezionare livelli di allarme per segnalare al sistema il consumo della batteria di ciascun sensore. Poiché il contatore di coulomb interno dell’LTC3335 deve mantenere il proprio stato logico solo mentre il convertitore Cc/Cc si trova nella modalità Sleep, la corrente a riposo aggiunta per monitorare la scarica della batteria è veramente prossima a zero.

Fonti di errore e mitigazione
Com’è il caso con la maggior parte delle soluzioni, esistono compromessi e fonti di errore. Il contatore di coulomb dell’LTC3335 monitora e “misura” la carica consumata all’uscita del convertitore Cc/Cc, che include sia il 100% della corrente sul carico che la parte della corrente del driver dell’interruttore interno alimentato da VOUT. Tuttavia, né la corrente a riposo durante la modalità Sleep né la corrente VIN utilizzata sia per il comando dell’interruttore che per i circuiti di controllo Cc/Cc inseriti durante il trasferimento della carica vengono misurate, e quindi rappresentano una fonte di errore. Normalmente, il dispositivo fornirà un valore inferiore a quello dei coulomb effettivamente scaricati. A correnti di picco oltre circa 50 mA, questi errori sono piuttosto piccoli (minori del 5%) ma alle più basse correnti di picco programmate, possono essere notevoli (>20% del numero di coulomb effettivamente scaricati). Fortunatamente, per una data serie di condizioni applicative, le fonti principali di errore sono dovute a caratteristiche del circuito integrato prevedibili e controllate relativamente bene, il che consente a un apposito software di correggere l’errore nel conteggio dei coulomb riducendolo a un valore percentuale a una sola cifra, anche ai valori più bassi programmati per la corrente di picco. È possibile servirsi di curve tipiche riportate nella scheda dati per compensare questi errori al livello del software del sistema.

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