Una maggiore sensibilità verso lo sviluppo di applicazioni eco-compatibili nel settore elettronico ha portato una crescente attenzione verso le soluzioni di Energy Harvesting. Con tale termine s’intende, in generale, il processo con il quale l’alimentazione dei dispositivi elettronici viene derivata da energia di fondo presente nell’ambiente circostante sotto una qualche forma. Tra i metodi più diffusi vi è la generazione di energia mediante effetto fotoelettrico, piezoelettrico, termoelettrico, piroelettrico, da energia elettromagnetica, cinetica o vibrazionale. Sistemi alimentati mediante Energy Harvesting sono tipicamente adottati nelle reti di sensori wireless o nei dispositivi elettronici indossabili o più in generale nel mobile. Lo schema di principio di un sistema di questo tipo dove il requisito principale è rappresentato dalla ridotta dissipazione di potenza dei componenti. Di seguito sono descritte alcune delle soluzioni più interessanti attualmente disponibili sul mercato per le diverse sezioni.
Soluzioni per generare energia
Micropelt, spin-off di Infineon, offre due prodotti standard MPG-D651/751 per la produzione di energia elettrica mediante effetto termo-elettrico. I dispositivi hanno dimensioni approssimativamente di 8 e 14 mm2 e una altezza di 1,1 mm. Integrano fino a 540 coppie con una resistenza termica di 12.5 K/W ed una resistenza elettrica di 300 Ω, erogando fino a 14 mW su un carico di 400 Ω con una differenza di temperatura di 30 K. In queste condizioni garantiscono una tensione di uscita di 3.3V alla quale sono in grado di operare i più diffusi dispositivi micro-elettronici. Micropelt rende disponibili il sistema di valutazione TE-Power Plus che integra un convertitore Dc/Dc con topologia boost, consentendo di generare in uscita una tensione compresa tra 1.6 e 5.0 V, con una capacità di circa 21 mAh per anno (ad una differenza di temperatura di 75 K) equivalente a oltre 11 batterie di tipo AA. Interessante è pure la TE-Power Probe, progettata specificamente per operare in presenza di convezione naturale a temperatura ambiente. Generatori termoelettrici sono pure disponibili presso Ferrotec, Fuhitaka, Kryotherm, Laid technology, Marlow Industries, Tellurex e TE Technology. Per quanto concerne invece pannelli solare di ridotte dimensioni, interessante è la serie LR0GC di Sharp, orientata al mercato dei dispositivi mobile. Il modello LR0GC02, basato su silicati policristallini, integra 10 celle con efficienza di 12,8 % erogando fino a 300 mW con una tensione di uscita compresa tra 4,5 V e 5,7V. Il dispositivo ha dimensioni di 41 x 67,5 mm, spessore di soli 0,8 mm e peso di 4,3 g. Nell’ambito della produzione di energia da vibrazioni meccanica, segnaliamo poi la serie PMG FHS (Free-Standing Harvester) di Perpetuum. I dispositivi erogano tensione di uscita fino a 5 V con potenza fino a 20 mW. Qualificati all’interno dell’intero intervallo di temperatura industriale e certificati Atex e IECEx per applicazioni in ambienti ostili, sono disponibili in un assemblaggio compatto in acciaio inossidabile ermeticamente isolato con montaggio magnetico o foro di fissaggio centrale. Dispongono di interfaccia Iec a 3 pin per la lettura digitale dello stato. I P1110/2110 Powerharvester, invece, sono i dispositivi di Powercats per la conversione di segnali radio in energia elettrica. Operano nella banda tra 850 e 950 MHz con antenna standard da 50 Ω. La versione P23110 eroga una tensione regolata fino a 5,25 V e integra funzionalità di gestione della potenza e controllo di I/O, supportando la connessione diretta a celle ricaricabili di tipo alcalino, ioni di litio o Ni-MH.
… per immagazzinarla
Le batterie Thinergy Mec (Micro Energy Cell) di Infinite Power Solution costituiscono una soluzione di immagazzinamento di energia, ricaricabile allo stato solido ideale per applicazioni di energy harvesting. I dispositivi sono infatti in grado di operare a temperature comprese tra -40° e + 85°C e garantiscono oltre 10 mila cicli di carica/scarica senza che si presentino effetti memoria. Presentano elevato rate di carica (fino a 100 mA) ma possono operare anche con corrente di carica continua od impulsata inferiore a 1 µA; il rate di scarica è decisamente basso perdendo meno dell’1% di carica per anno. La tensione di uscita a circuito aperto è 4.1V. A seconda dei modelli, la capacità nominale varia da 0.2 mAh a 2.5 mAh e le dimensioni da 12.7x12.7 mm2 a 25.4x50.8 mm2, con uno spessore di 0,17 mm. Batteria a film sottile sono anche realizzate da Cymbet. La Enerchip CC ha una tensione di uscita nominale di 3,3V ed una capacità di 50 µAh; il tempo di ricarica è di circa 50 minuti mentre il numero massimo di cicli di carica/scarica supportati è maggiore di 5000. La batteria è integrata in un package DFN a 20 pin (9 x 9 mm2) per montaggio su circuito stampato. Il sistema di sviluppo CBC-EVAL-08 realizza un’applicazione con tali batterie con alimentazione primaria mediante pannello solare; è in grado di funzionare con luminosità minima di 200 Lux e garantisce una capacità massima di 100 µAh.
…e per gestirla
Sulle proprie batterie Thinergy Mec sono invece basate le soluzioni integrate di gestione della potenza Mpm (Micro Power Module) e D-Mpm di Infinite Power Solution. Ricaricabili mediante una sorgente con capacità fino anche a soli 1 µW, grazie alla tecnologia proprietaria Passive Power Management Unit che garantisce un consumo di corrente quiescente inferiore a 3 nA, i dispositivi erogano una tensione di uscita di 3.3V regolata mediante Ldo con potenza fino a 80 mW e capacità di corrente di spunto fino a 30 mA. L’Mpm è assemblato in package di dimensioni 31 mm x 32 mm x 3.8 mm ideale per montaggio su circuito stampato mentre il D-Mpm dispone di connettori per cablaggio che facilitano la fase di prototyping. Interessanti soluzioni di power management sono offerte anche da Linear Technologies. L’LTC3108/3109 in particolare è un regolatore Dc/Dc ideale per applicazioni con generatori termo-elettrici. Basato su topologia buck-boost sincrona, con frequenza di switching di 1 MHz ed efficienza maggiore del 94%, è in grado di operare con una tensione di ingresso fino anche a 20 mV. Dispone di una uscita Ldo a 2.2 V con capacità di corrente fino a 3 mA e di una selezionabile tra 2.35, 3.3, 4.1 o 5 V con corrente fino a 7 mA; una seconda uscita, connessa a quest’ultima, può essere abilitata mediante controllo. Un’uscita dedicata può infine essere connessa a un condensatore di carica o una batteria per garantire l’alimentazione del sistema in caso di caduta della tensione di ingresso del regolatore. L’LTC3108 è disponibile in package Ssop a 16 pin o Dfn a 12-pin (3 × 4 mm) per applicazioni miniaturizzate. Oltre alle caratteristiche descritte, l’LTC3109 integra una funzionalità di auto polarità che permette di lavorare con tensioni di ingresso anche negative, il che è utile nelle applicazioni, appunto, con generatori termo-elettrici per i quali la tensione di uscita dipende dal segno della differenza di temperatura. Per applicazioni con sorgenti di tensioni ad elevata impedenza, come nel caso dei trasduttori piezoelettrici, Linear rende invece disponibile l’LTC3588. Il regolatore si basa su topologia buck con rettificazione della tensione di ingresso mediante ponte full-wave a bassa perdita. Opera con tensione di ingresso compresa tra 2.7 e 20 V con shunt di protezione da sovratensione ed un assorbimento di corrente quiescente di 950 nA (senza carico). La tensione di uscita è selezionabile tra 1,8, 2,5 , 3,3 e 3,6 V con corrente continua massima di 100 mA. Dispone di modalità Uvlo (Ultra low quiescent current undervoltage lockout) con ampia isteresi che consente di accumulare carica sul condensatore di ingresso fino a che il convertitore buck non sia in grado di trasferire efficientemente l’energia in uscita.
