Traiter le besoin d'une puissance ultra faible dans les implémentations de récupération d'énergie

By Bruno Damien, ON Semiconductor et Andrea Colognese, Canova Tech

Le sujet de la récupération d'énergie intéresse de plus en plus, depuis ces dernières années, la communauté de conception de l'électronique. C'est au travers de ce processus que des petites quantités d'énergie peuvent être capturées, recueillies puis utilisées par des éléments de l'équipement électronique qui permettent l'exécution de tâches simples sans avoir besoin d'intégrer une source d'énergie conventionnelle dans la conception du système. Afin de procéder ainsi de manière efficace, toutefois, le système doit fonctionner selon des niveaux d'efficacité les plus élevés possibles, aussi bien en termes de composants précisés qu'en termes d'agencement du système. L'article suivant parlera de plusieurs défis techniques et présentera la manière dont la technologie novatrice des semi-conducteurs de gestion de la puissance, analogique et numérique joue un rôle clé pour les surmonter.

Les applications qui maintenant emploient la récupération d'énergie incluent les systèmes d'immotique, les dispositifs d'acquisition de données/de contrôle à distance ainsi que les réseaux de capteurs sans fil. Parce que la récupération d'énergie ne s'appuie pas sur des sources d'énergie conventionnelles, elle a deux avantages écologiques. Pour commencer, elle n'engendre pas de réduction des réserves de combustibles fossiles et deuxièmement, elle n'augmente pas les niveaux de pollution (parce qu'elle n'émet pas de carbone et n'utilise pas de piles). En plus d'éliminer le recours au câblage et de son côté pratique évident, le vrai avantage de ce type d'impoliment pour les équipementiers et intégrateurs de systèmes est qu'une fois qu'il est en place, il n'a pratiquement pas de frais d'exploitation puisqu'il n'y a pas de factures ou de visites de techniciens pour changer les batteries etc.

Extraire l'énergie nécessaire

La récupération d'énergie de l'environnement peut être effectuée de diverses manières (selon celle qui s'avère être la plus pertinente à l'application particulière) incluant des niveaux d'énergie générés normalement dans l'ordre de 10µW à 400µW. Parmi les mécanismes employés se trouvent les différences de température, la cinétique (normalement par mouvement de vibrations), l'énergie solaire, l'effet piézoélectrique, l'effet pyroélectrique et électromagnétique. Toutefois, à l'exception éventuelle de l'énergie solaire, la perception selon laquelle la récupération d'énergie est l'énergie « libre » n'est pas complètement exacte. Les sources basées sur les vibrations ou les gradients thermiques utilisent l'important gaspillage d'énergie provenant du système. En conséquence, les frais de maintenance et de réparation doivent être pris en considération.

Figure 1 : L'échelle du domaine de puissance des applications en situation réelle

Increasing use of EH	Utilisation croissante d’EH
WSN Sleep Process Transmit	Transmission processus de veille WSN
Standby	Veille
32 KHz quartz oscillator	Quartz oscillatoire 32 KHz
Electronic watch or calculator	Calculatrice ou montre électronique
RFID Tag	Étiquette radio
Hearing aid	Prothèse auditive
Miniature FM receiver	Récepteur FM miniature
Tranceiver Bluetooth	Émetteur-récepteur Bluetooth
PALM, MP3	PALM, MP3
GSM	GSM
Bicycle light	Éclairage de vélo
µP Laptop	µP ordinateur portable
µP Desktop	µP Bureau
Button batteries AA or AAA large rechargeable	Piles boutons AA ou AAA Grandes rechargeables
Source IDTechEx Report « Energy Harvesting and Storage for Electronics Devices 2009-2010 »	Source rapport IDTechEx « Récupération d’énergie et stockage pour appareils électroniques 2009-2010 ».

 

La puissance générée au travers du processus de récupération de l'énergie peut être utilisée de plusieurs manières, par exemple :

 

1. Interrupteurs (immotique) - Ici la force mécanique appliquée pour activer ou désactiver l'interrupteur suffit à générer quelques milli Joules (mJ) d'énergie pour exploiter un émetteur sans fil. Cela envoie un signal RF qui actionne un loquet ou une lumière. Puisqu'il n'est pas nécessaire d'avoir de câblages, cette approche a des avantages logistiques et esthétiques.
2. Sondes thermiques (immotique) - La différence de température entre l'air ambiant et un chauffage peut fournir l'énergie nécessaire pour renvoyer les données de température au système de régulation sans aucun câblage.
3. Climatiseur (immotique) - La vibration de la conduite de climatiseur peut servir à créer un signal électrique via induction électromagnétique. Le climatiseur peut être contrôlé à travers ce signal.
4. Contrôle à distance (industriel/environnemental) - Cela pourrait être sous la forme d'une station météorologique non accompagné, un système de détection de gaz dans une usine de produits chimiques, un système d'alerte au tsunami. Une cellule solaire ou bien une turbine éolienne peut fournir l'énergie requise.
5. Implants médicaux (santé) - Comme les glucomètres, où la chaleur ou les mouvements du corps permettent à un émetteur-récepteur sans fil basse puissance placé sur la peau du patient de renvoyer des données à un concentrateur sans avoir besoin d'inclure une pile (améliorant de ce fait le confort du patient et réduisant les inconvénients subis)
6. Montres (consommation) - Où l'utilisation à l'énergie cinétique ou solaire peut servir à faire fonctionner une montre sans pile.
7. Contrôle de la pression de gonflage (système de contrôle de pression de gonflage, automobile) - Avec la technologie de détection de l'onde acoustique de surface, il est possible de circonvenir les problèmes provenant du montage de la batterie et de l'électronique complexe nécessaire pour prendre en charge les capteurs de pression et les sondes thermiques sur chacune des roues du véhicule, réduisant en conséquence les frais de nomenclature et les ressources d'ingénierie nécessaires.

 

Considérations relatives à la conception du système

Avec seulement µWs de puissance à utiliser, il est essentiel que tout soit fait pour l'employer pleinement. Les ingénieurs doivent travailler dur pour pouvoir éviter le gaspillage. Cela implique de prendre en considération l'équipement et le logiciel et peut avoir lieu par l'implémentation de composants très efficaces ainsi qu'une optimisation complète garantie de la conception. Il est impératif que le système électronique soit constitué d'un circuit basse tension composé d'une gestion intelligente de la puissance. Le stockage d'énergie peut également être pris en considération puisque la nature sporadique de l'exploitation de ces systèmes signifie bien souvent qu'il n'y a pas de relation directe entre le moment lors duquel l'énergie est récupérée et le moment lors duquel elle est ensuite utilisée. La méthode de stockage employée doit être basse tension avec une capacité de courant haute charge, un débit nominal modéré et éventuellement l'absence complète d'une capacité d'autodécharge. Le circuit intégré numérique au cœur du système doit pouvoir offrir plus qu'une performance du processeur adéquate pour effectuer les tâches du système tout en étant en mesure d'assister le fonctionnement basse tension pour que le bilan d'énergie ne soit pas dépassé. En outre, ce circuit intégré doit être suffisamment rentable pour que son implémentation n'affecte pas trop les dépenses générales associées au système sinon ce système coûtera trop cher pour justifier son déploiement dans de nombreuses applications de récupération d'énergie déjà mentionnées.

 

Figure 2 : Utilisation prudente de l'énergie à disposition

State	État
Flash Mask	Flash Masque
Idd	IDD
Operation	Exploitation
Area	Zone
RTC & LCD & operation	Horloge temps réel et ACL et Exploitation
Time	Temps

 

Normalement, s'il est nécessaire d'améliorer les niveaux de performance, d'accomplir une optimisation supérieure ou bien d'accroître le degré d'intégration, les équipementiers envisageront d'adopter une approche sur mesure et s'engageront avec un vendeur ASIC depuis le début du projet. Malheureusement, cela n'est pas toujours possible puisque cela nécessite une grande avance d'investissement financier afin de couvrir les frais d'ingénierie non récurrente. Cela doit ensuite être suivi de volumes d'unités suffisamment élevés pour récupérer l'investissement. Plusieurs applications de récupération de l'énergie ne produisent pas de volumes suffisamment importants pour adopter cette approche. Mais les ingénieurs qui choisissent d'associer les composants disponibles à l'achat sont peu susceptibles de maximiser l'efficacité de leur système. Pire encore, le processus de développement est susceptible d'exiger beaucoup de temps et de ressources d'ingénierie.

 

Une troisième option est désormais à la disposition de la communauté de conception, qui offre les attributs techniques favorables d'un circuit intégré spécifique sans les investissements et inconvénients du lancement sur le marché. Cette approche combine un microcontrôleur ultra basse puissance avec un circuit intégré prédéfini, prêt à la personnalisation et efficace incluant des blocs obligatoires et essentiels comme l'interface de récupération et les fonctions de gestion de la puissance, le capteur et l'interface d'actionneur. ETA Platform de Canova Tech en est un exemple.  Basé sur le microcontrôleur ultra basse puissance LC87F7932 de ON Semiconductor et ETA Platform de Canova Tech, ce nouveau kit de développement donne aux ingénieurs un kit éprouvé pouvant être personnalisé (équipement et logiciel) en vue de convenir aux exigences particulières des applications et donc accroître les caractéristiques de performance et de puissance du système. ETA Platform est entièrement configurable et peut être interfacée et associée avec la plupart des récupérateurs d'énergie communs du marché, traitant des entrées CA et CC supérieures à 0,9V ou bien, à l'aide d'un transformateur externe, supérieures à des dizaines de millivolts. L'énergie recueillie peut être transférée / stockée sur divers éléments de stockage tels que des batteries chimiques, des condensateurs et super condensateurs. À travers lui, le système peut gérer efficacement l'énergie accumulée, quels que soient les tendances d'approvisionnement erratiques, pour pouvoir instaurer des stratégies d'économie d'énergie, comme le recours à l'application frontale analogique ultra basse puissance et configurable, dans laquelle l'acquisition et le conditionnement de signaux à partir des capteurs du système peuvent être effectués sans supervision du microcontrôleur externe.

 

Figure 3 : Schéma de principe et agencement d'ETA Platform

Any kind of DC (AC) harvester	N’importe quel type de récupérateur CC/CA
Load	Charge
Several type of actuators	Plusieurs types d’actionneurs
Harvesting boost	Stimulation de la récupération d’énergie
Harvesting controller	Contrôleur de la récupération d’énergie
Power mngt controller	Contrôleur de gestion de puissance
Timer and controller	Minuteur et contrôleur
C-AFE controller alarm mngt	Gestion des alertes contrôleur C-Afe
Switch matrix	Matrice de commutation
Active rect.	Rect. active
Charger	Chargeur
Auxiliary boost	Stimulation d’appoint
Several type of energy storage	Plusieurs types de stockage d’énergie
Standard	Standard

Le microcontrôleur LC87F7932B est un dispositif 8 bits basé sur la technologie CMOS. Il possède une unité centrale fonctionnant selon une durée de cycle de bus (minimum) de 250 ns. Le circuit intégré inclut 32 kOctets de mémoire Flash programmable intégrée, 2048  Octets de mémoire vive, un débogueur intégré, un pilote/contrôleur ACL, un compteur/minuteur 16 bits et une horloge temps réel. Son convertisseur analogique-numérique basse puissance 7 canaux et 12 bits transforme le signal acquis après exécution du conditionnement par l'application frontale. Ce signal numérique peut ensuite être transféré sans fil ou bien stocké pour extraction ultérieure selon l'application.

Figure 4 : Exemple de bloc actif sélectionné (en rouge)

Flash Rom	Mémoire morte Flash
Ram	Mémoire vive
Peripheral	Périphérique
Core	Cœur
LCD controller LCD voltage generator	Contrôleur ACL Générateur de tension ACL
RTC clock time	Horloge temps réel
Oscilliator (fast) (middle) (slow)	Oscillateur (rapide) (moyen) (lent)
OSC	OSC
Intenral Vdd	VDD Interne
Idd const	IDD const
Control	Commande
Amp	Amp

 

Enfin, il existe plusieurs obstacles et défis majeurs impliqués dans la conception de systèmes de récupération d'énergie. Les ingénieurs doivent stimuler la performance de traitement autant que possible tout en conservant le bilan d'énergie global au minimum, sans engendrer de dépenses lourdes dans ce que pourrait s'avérer être des applications particulièrement sensibles aux coûts. Tout doit être mis en œuvre pour utiliser les composants les plus optimisés et veiller à ce que le processus de développement soit entièrement rationalisé. En utilisant la plate-forme de développement présentée dans cet article, basé sur une architecture de microcontrôleur ultra basse puissance et un dispositif configurable et personnalisable, les ingénieurs peuvent surmonter ces obstacles et donc procéder à des implémentations plus efficaces.

Interface récupérateur universel

Batterie externe

Batterie rechargeable

Supercondensateur

Capteurs intégrés

Port contrôle SPI

Connecteurs utilisateur

ETA Platform de Canova Tech

Interrupt Control Interruption commande Standby Control Commande veille High-speed RC Low-speed RC RC haute vitesse RC basse vitesse Reset Circuit Réinitialisation circuit Bus interface Interface bus Port Port Timer Minuteur LCD Controller Contrôleur ACL ADC ADC Stack Pointer Pointeur de pile Watchdog timer Horloge de surveillance -Timer On chip debugger Débogueur intégré

Schéma de principe fonctionnel du microcontrôleur LC87F7932B de ON Semiconductor

 

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