Le soluzioni di energy harvesting, oggi di grande attualità, sono utilizzate ad esempio per realizzare sistemi elettronici con alimentazioni autonome che non richiedono di essere alimentati tramite rete elettrica o batterie, oppure ancora per estendere l'autonomia di sistemi alimentati a batteria. La tecnologia si basa sulla raccolta di energia proveniente da varie fonti, ad esempio di tipo termico, cinetico o ottico. Spesso però l'energia raccolta in questo modo non è sufficiente per alimentare i sistemi elettronici in modo affidabile. Occorrono quindi circuiti integrati capaci di gestire le funzioni di immagazzinamento dell'energia, protezione contro le sottotensioni, ecc. Ed è ovviamente preferibile che l'autoconsumo di questi circuiti integrati sia il più basso possibile. Per facilitare il lavoro dei progettisti di sistemi di energy harvesting, Avnet Memec ha realizzato una piattaforma di valutazione in collaborazione con Maxim e Energy Micro.
Una piattaforma di valutazione
per l'energy harvesting
La prima versione del prodotto, presentata quest'anno alla fiera Embedded World di Norimberga, è basata su una piattaforma di valutazione del circuito integrato MAX17710 di Maxim e sul microcontrollore a basso consumo EFM32TG840F32 della gamma TinyGecko di Energy Micro. Il MAX17710 è attualmente l'unico dispositivo che integra tutte le funzioni di gestione dell'alimentazione necessarie per le applicazioni di energy harvesting, compresa la ricarica e la protezione della Micro-Energy Cell Thinergy di Infinite Power Solutions che fa parte del kit di valutazione. Il dispositivo può gestire fonti scarsamente regolate come i dispositivi di energy harvesting, con livelli di uscita compresi tra 1 µW e 100 mW, e comprende anche un circuito regolatore boost per ricaricare la cella da una fonte di soli 0,75 V. La scheda di valutazione del MAX17710 è alimentata da una cella solare e comprende un regolatore che protegge la cella Mec da sovraccarica. Le tensioni di uscita fornite all'applicazione sono gestite tramite un efficiente regolatore lineare low-drop-out con valori di tensione selezionabili di 3.3V, 2.3V o 1.8 V. Il MAX17710 comprende anche la funzione di protezione contro le sottotensioni e la gestione del buffer di uscita per la cella al litio. Il caricabatteria incluso nel MAX17710 assorbe una corrente di stand-by di solo 1 nA. Il dispositivo non richiede cablaggi esterni complessi e impiega un contenitore ultrapiatto µTDFN a 12 pin che misura 3 x 3 x 0.5 mm.
Il chip MAX17710
Il chip MAX17710 ricarica la cella tramite una fonte di energia esterna collegata al pin CHG. Se la tensione su questo pin è superiore a quella della batteria, la cella viene ricaricata senza alcun intervento. Se CHG supera la soglia VCE, il regolatore interno limita la tensione a 4.125V per proteggere la cella da una ricarica eccessiva. Contestualmente, viene resettato ogni lockout di sottotensione, permettendo all'Ldo di alimentare il carico dell'applicazione. L'Uvlo (Under-voltage-lockout) viene quindi riattivato quando la batteria scende sotto 2.15 V. Se la fonte esterna di harvesting porta il pin CHG oltre 5,3 V, un regolatore interno a shunt interviene per proteggerlo. Lo shunt può sostenere correnti fino a 50 mA; se esiste la possibilità che la fonte di harvesting superi questo valore di corrente, occorre aggiungere un circuito esterno di protezione per evitare danni al MAX17710. Un semplice regolatore boost interno consente l'uso di fonti di harvesting a bassa tensione, come celle solari o generatori termoelettronici. Il regolatore boost può funzionare con potenze comprese tra solo 1 µW (in modalità harvest pulsata) e 100 mW (conversione continua). Ne consegue che il chip può fornire oltre 20 mA (80mW), se abbinato a una fonte harvesting adatta (0,8 V) e a una cella al litio da 4.1 V.
Batteria innovativa
e Mcu a bassissimo consumo
Un componente importante della scheda di valutazione del MAX17710 è la Micro Energy Cell Thinergy di Infinite Power Solutions. Si tratta di un tipo di batteria completamente nuovo, a stato solido, con una durata pari all'intera vita del sistema e caratteristiche ideali per l'uso nei sistemi di energy harvesting. Può trattare alti valori di corrente e offre una densità di potenza 50 volte superiore e perdite 4000 volte inferiori rispetto ai supercondensatori; inoltre sopporta un numero di cicli di ricarica 100 volte superiore rispetto alle normali batterie ricaricabili. Le Mec (Micro Energy Cell) inoltre, sono estremamente compatte, hanno uno spessore di soli 0,17 mm e sono flessibili. La Mcu utilizzata nella piattaforma di valutazione per energy harvesting appartiene alla gamma TinyGecko di Energy Micro. Basati su un core Arm Cortex-M3 altamente efficiente, i microcontrollori Gecko sono attualmente i migliori dispositivi disponibili sul mercato dal punto di vista del consumo energetico. Offrono un assorbimento di 150µA/MHz in modalità attiva e di 900nA in modalità “deep sleep” (EM2), nella quale rimangono attivi il clock in tempo reale, il circuito di rilevamento del brownout, il reset power-on, la Ram e la Cpu retention. La piattaforma di valutazione impiega lo Starter Kit di TinyGecko (EFM32-G8XX-STK), che comprende un microcontrollore EFM32TG840F32. Il kit impiega il software Simplicity Studio, che consente tra l'altro un link diretto agli “Energy aware tool” integrati. Questi strumenti permettono agli sviluppatori di identificare ed eliminare ogni punto debole di natura energetica nel loro software (Energy debugging). È inoltre possibile l'integrazione con compilatori IAR, KEIL e ROWLEY e con una tool chain gratuita basata su Eclipse. Attualmente la famiglia Gecko comprende oltre 240 prodotti; I dispositivi che utilizzano lo stesso contenitore sono pin-to-pin compatibili tra loro. Come tutte le schede di valutazione di Energy Micro, anche la EFM32-G8XX-STK comprende un J-Link debugger Usb. Ciò consente agli sviluppatori di effettuare economicamente il debug del software sulle schede Energy Micro e di usare in seguito l'interfaccia debug-out per il loro hardware. L'ecosistema Energy Micro comprende anche adattatori per debug, Ide, compilatori, middleware e programmatori. Energy Micro nel 2013 darà luce alla prima delle proprie radio energy-friendly, che inizialmente consentiranno tre implementazioni di sistema: Transceiver + MCU, Network Processor + MCU, System-on-Chip. Le radio utilizzeranno frequenze comprese tra 167 MHz e 2,5GHz e potranno quindi essere utilizzate in ogni parte del mondo. Saranno disponibili anche protocol stack forniti da terze parti e dalla stessa Energy Micro, tra cui Wireless M-Bus, Bluetooth LE, KNX e io-Homecontrol, oltre a ZigBee e RF4CE basato su 802.15.4(g).
