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sensori
approfondimenti
Settembre 2015
n
Automazione e Strumentazione
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tazione (SMPS), il condensatore può essere
caricato in modo efficiente con una tensione
diversa dalla batteria. L’operazione può essere
svolta con una limitazione di corrente che a sua
volta definisce la corrente di carico per la bat-
teria.
Dopo aver immagazzinato l’energia in un
condensatore, la tensione viene convertita al
valore desiderato, ad esempio 1,9 V per il SoC
microcontrollore o 3,7 V per l’amplificatore
di potenza radio. Questa conversione preleva
energia dal condensatore di accumulo e disac-
coppia il carico dalla batteria (
►
figura 2
).
Quando si utilizza un’architettura di potenza
con accumulo SMPS, sono due i concetti base
applicabili per lo stoccaggio di energia:
boost -
storage - buck
,
buck - storage - boost
.
Il primo trasforma la tensione della batteria in
una tensione superiore e carica un condensa-
tore. Quindi la tensione viene ridotta ai valori
desiderati per il SoC o l’amplificatore.
Questo sistema utilizza valori più piccoli per i
condensatori, perché l’energia immagazzinata
è proporzionale al quadrato della tensione del
condensatore. Maggiore è la tensione, mag-
giore la quantità di energia immagazzinata
nello stesso condensatore. Una volta immagaz-
zinata l’energia nel condensatore, la tensione
viene riportata al valore desiderato. L’energia
richiesta per una trasmissione viene estratta
dal condensatore e, in tal modo, disaccoppiata
dalla batteria.
La seconda architettura sfrutta un convertitore
buck collegato direttamente alla batteria. La
tensione viene ridotta per caricare un conden-
satore di stoccaggio. In questo caso la capa-
citanza di stoccaggio deve essere maggiore
perché la tensione è minore. Tuttavia, questo
consente l’impiego di
condensatori elettrici
a doppio strato
(EDLC), ampiamente dispo-
nibili in commercio con capacità elevate di
diversi Farad. Dopo il condensatore di stoccag-
gio, la tensione viene nuovamente aumentata
al valore desiderato (
►
figura 3
).
Oltre alla maggiore capacitanza disponibile,
questo concetto offre tre vantaggi: poiché il
condensatore di stoccaggio ha una tensione più
bassa, i fattori di sicurezza di cui tener conto
sono meno complessi rispetto
a un condensatore caricato
con una tensione maggiore;
la tensione già diminuita può
essere utilizzata per alimen-
tare direttamente il micro-
controllore SoC; in questo
modo si riduce il consumo complessivo di
corrente, poiché in ogni momento è attivo un
solo SMPS; la tensione più bassa consente l’u-
tilizzo di condensatori EDLC, disponibili con
valori di capacitanza elevati.
Quando si utilizza un sistema buck-storage-
boost in un sensore wireless (
►
figura 3
), la
tensione minima dell’EDLC viene definita
dalla tensione minima richiesta per il SoC.
L’energia viene quindi immagazzinata cari-
cando il condensatore alla sua tensione mas-
sima di 2,7 V appena prima della trasmissione
radio. In questo modo la tensione di alimen-
tazione media resta vicina al minimo di circa
1,9 V. Durante la trasmissione radio l’EDLC
viene scaricato alla tensione minima definita.
Un esempio di questo concetto è il progetto di
riferimento
PMP9753
di Texas Instruments.
Conclusione
La necessità di dispositivi con la minima cor-
rente quiescente abbinata a potenza elevata
è una sfida per le architetture di potenza.
L’utilizzo del
sistema di stoccaggio dell’e-
nergia “buck-storage-boost”
risolve il
disaccoppiamento dei
picchi di carico
immagazzinando l’energia necessaria in
un EDLC. Inoltre consente di
ridurre i
consumi complessivi
grazie alla minore
tensione di alimentazione del microcon-
trollore. Diminuiscono anche i problemi di
sicurezza, poiché il condensatore di stoc-
caggio opera a tensione più bassa. Questo
sistema può unire lo stoccaggio di energia
in un condensatore con un consumo di cor-
rente complessivo ridotto, offrendo una
maggiore autonomia all’applicazione.
n
Figura 2 - Sistema di stoccaggio
con condensatore
Figura 3 - Schema di potenza
di un nodo sensore wireless con
stoccaggio “buck-storage-boost”