Cresce l’interesse verso l’energia solare come fonte di alimentazione alternativa, soprattutto nel settore dei piccoli dispositivi elettronici che utilizzano batterie a bottone. L’energia prodotta dai pannelli solari viene già utilizzata per alimentare dispositivi di piccole dimensioni, come orologi da polso e calcolatrici tascabili, allo scopo di prolungare la durata delle batterie o sostituirle. Tuttavia i costi di sviluppo e il numero dei componenti hanno dimostrato tutta la complessità di queste soluzioni; ciò che viene richiesto ora è la configurazione di nuova elettronica che combini il pannello solare e la batteria per mantenere le funzioni di sicurezza e il controllo della tensione fornita al microcomputer e ad altri componenti elettronici. Si cercano nuovi metodi per favorire l’implementazione di questa funzionalità e la diffusione dell’energia solare in tutto il mercato. Per realizzare questo obiettivo è necessario soddisfare alcuni requisiti, tra cui la comparazione della tensione ad alta precisione in presenza di consumi bassissimi e un’efficace commutazione dell’alimentazione, mantenendo una bassa impedenza. Per ridurre i costi di progettazione è auspicabile anche una semplificazione dell’attività di design-in della doppia alimentazione e una riduzione del time-to-market. Il controllo di due fonti di alimentazione come il pannello solare e la batteria su base completamente indipendente favorisce un funzionamento affidabile, rendendo superfluo l’uso di software o altri componenti, il che va tutto a vantaggio della riduzione dei costi del sistema. Per soddisfare tutte queste esigenze, Lapis Semiconductor, azienda del gruppo Rohm, ha sviluppato una serie di circuiti integrati per il controllo dell’alimentazione che utilizzano questo tipo di doppia alimentazione e tutte le funzioni necessarie a creare applicazioni affidabili a energia solare.
Funzioni di sicurezza
È possibile alimentare in modo efficiente un microcomputer e un apparecchio periferico usando una batteria e l’energia solare purché si possa limitare il consumo di corrente della batteria. In questo modo si estende la durata della batteria, però occorrono numerose funzioni di controllo per garantire il corretto funzionamento del sistema e l’alimentazione del microcontrollore. È possibile creare un alimentatore solare doppio usando batterie primarie standard o batterie secondarie ricaricabili. In entrambe le configurazioni occorre monitorare costantemente lo stato della batteria e del pannello solare in modo da verificare la situazione dell’energia solare. In caso di utilizzo di una batteria primaria standard, una funzione di prevenzione deve proteggere tale batteria dell’entrata di corrente dal pannello solare. Inoltre l’uscita di tensione fornita ai componenti esterni deve essere monitorata e stabilizzata da un apposito regolatore per evitare che il microcontroller riceva un’alimentazione instabile. In caso di utilizzo di batterie ricaricabili, occorre monitorare costantemente lo stato delle batterie e, in presenza di un sovraccarico di tensione, interrompere immediatamente il processo di carica. Inoltre, in caso di bassa tensione, si deve disattivare l’alimentazione per evitare un controllo inadeguato del microcomputer. Per garantire la massima efficienza energetica, si deve ridurre anche il consumo di corrente di riposo del circuito di controllo.
Controllo affidabile della doppia alimentazione
Lapis ha sviluppato gli LSI ML9077/ML9078 per piccoli dispositivi elettronici che utilizzano batterie piccole, in grado di controllare microcomputer e apparecchi periferici mentre caricano la batteria mediante un pannello solare o di commutare l’alimentazione tra il pannello solare e la batteria primaria; tutto questo avviene automaticamente, garantendo risparmio energetico e sicurezza.
Il concetto si basa sull’uso alternato di due LSI. L’ML9077 controlla automaticamente la ricarica e la commutazione dell’alimentazione nei casi in cui venga utilizzata una combinazione tra pannello solare e batteria ricaricabile. Il dispositivo controlla la tensione erogata al microcomputer e agli apparecchi periferici mediante la batteria secondaria ed evita eventuali sovraccarichi. Quando la tensione della batteria ricaricabile scende al di sotto del limite selezionato (1,8 o 1,1 V), il power pin del microcontrollore esterno (Vdo) si apre (alimentazione assente), mentre quando la tensione della batteria ricaricabile oltrepassa di nuovo tali limiti, l’ML9077 ricomincia ad alimentare la Mcu. In questo modo si evita un controllo inadeguato del microcomputer a bassa tensione. A causa dell’uscita a bassa impedenza, la potenza viene fornita al terminale di uscita Vdo con una riduzione di 50 mV o meno con una corrente di carico in uscita di 20mA. Il circuito di controllo ricaricabile confronta continuamente la tensione della batteria ricaricabile (Vbat) con la tensione della cella solare (Vsc). La ricarica continua quando Vsc è maggiore di Vbat e si interrompe quando Vsc è uguale o inferiore a Vbat. Il circuito che protegge da cariche eccessive disattiva la corrente della cella solare quando si accorge che la tensione della batteria ricaricabile ha raggiunto il livello stabilito. L’ML9077 supporta batterie ricaricabili che richiedono una tensione di carica compresa tra 3,2 e 2,5 V, ad esempio quelle al litio-biossido di manganese (tensione di carica: 3,1 V) o al litio-titanio-cobalto (tensione di carica 2,6 V). Pertanto l’ML9077 è progettato usando un processo a bassa dispersione e bassissimo consumo che porta il livello di consumo del dispositivo stesso ad appena 80nA. Una tipica soluzione discreta senza ML9077 ha bisogno di otto componenti per il controllo della ricarica, la protezione da sovraccarica e il rilevamento della bassa tensione. Tra questi figurano comparatori per l’analisi della tensione di riferimento e switch. Una configurazione con l’ML9077 come quella descritta in precedenza richiede un solo componente, il che significa ridurre drasticamente l’area di montaggio sul circuito stampato e diminuire il consumo energetico da 3 a 0,08 µA per la stessa funzione. Inoltre l’ML9077 consente di visualizzare livelli generali di energia che il pannello solare cattura monitorando la corrente generata dall’energia solare. Il secondo dispositivo della serie, l’ML9078, effettua un confronto continuo tra la tensione del pannello solare e la tensione della batteria primaria. Il dispositivo fa una selezione automatica e utilizza la tensione maggiore per alimentare il microcomputer e altri dispositivi elettronici periferici. Un monitoraggio in tempo reale consente di verificare se viene utilizzata la batteria solare o quella primaria. Quando la tensione del pannello solare e quella della batteria primaria vengono sottoposte a monitoraggio continuo, è possibile bloccare automaticamente la connessione dalla batteria primaria quando la tensione del pannello solare supera quella della batteria, evitando in questo modo un riflusso della corrente verso la batteria primaria e, di conseguenza, la sua distruzione a causa della tensione applicata dal pannello solare. Inoltre la tensione maggiore del limite previsto non viene fornita al microcontrollore che in questo modo non viene danneggiato a sua volta dall’alta tensione applicata dal pannello solare.
L’uso del regolatore interno
In base al tipo di applicazione, si può utilizzare un ulteriore regolatore interno per regolare la tensione in uscita Vdo. Dato che il range di tensioni generate dai pannelli solari dipende dai componenti e dalle caratteristiche del pannello, l’uso o meno del regolatore va stabilito caso per caso. Ad esempio, quattro pannelli solari al silicio amorfo normalmente forniscono tensioni comprese tra 3,2 e 2,0 V, in base alla luminosità catturata dai pannelli o dalle loro dimensioni, mentre le batterie a bottone a litio da 3 V forniscono tensioni comprese tra 3,2 e 2 V, in base al resto della capacità. In questo caso il regolatore interno può essere disattivato perché non serve abbassare la tensione Vsc. L’alimentazione del pannello solare continua a essere fornita al Vdo finché Vsc è maggiore di Vbat. Il regolatore di tensione può fornire tensioni comprese tra 1,65 e 3,3 V nel caso dell’ML9078-001 o tra 1,5V e 3,0V nel caso dell’ML9078-002. Nel caso dell’ML9078-00 non è disponibile un regolatore interno, il che significa che Vdo è sempre uguale a Vbat o Vsc. Per garantire un funzionamento efficiente, la corrente di riposo del dispositivo a temperatura di lavoro di 25 °C è di 80 nA o meno nel caso dell’ML9078-001/ML9078-002 e di 160nA o meno nel caso dell’ML9078-003. L’uso dell’ML9078 consente di ridurre da quattro a uno il numero dei componenti originali di una soluzione discreta perchè gli switch, l’invertitore e il comparatore non servono. La potenza può essere ridotta da 1 a 0,08 µA, a parità di livello delle funzioni. I progetti diventano più semplici, i costi si abbassano e il tempo di sviluppo diminuisce. Inoltre il dispositivo consente al prodotto di esibire un’icona “eco” monitorando un segnale che indica l’utilizzo dell’alimentazione e consuma pochissimo, usando preferibilmente energia solare e, di conseguenze, estendendo la durata della batteria primaria.
