Di Mark Patrick, Responsabile Contenuti Tecnici per l’EMEA presso Mouser Electronics
I dispositivi elettronici portatili sono onnipresenti nelle nostre vite quotidiane, e molte persone posseggono e utilizzano vari dispositivi al giorno. Gli utenti si aspettano elevate prestazioni dai loro dispositivi, oltre a una connettività affidabile basata su protocolli come Bluetooth® 5.2, NFC (near field communication), Zigbee o Thread.
Che si tratti di sensori intelligenti per la casa, di tecnologia indossabile o di sensori industriali portatili, la capacità di connettersi con il consumatore o con l’Internet of Things (IoT) è un aspetto cruciale per l’utilità e il funzionamento di un dispositivo. Tuttavia, creare e mantenere delle connessioni consuma energia dalle piccole fonti di alimentazione a cui si affidano questi dispositivi.
L’utente vive spesso con ansia il fatto di non disporre di una stima accurata della carica della batteria rimanente, e che il dispositivo possa spegnersi in un momento inopportuno. Se da una parte i progettisti cercano di ridurre la dimensione del dispositivo e di massimizzare la vita della batteria con una progettazione efficiente, dall’altra parte stanno anche cercando di fornire uno stato di ricarica accurato senza scaricare la batteria per farlo, per assicurare agli utenti che il dispositivo continuerà a funzionare.
Dispositivi con collegamento wireless a bassa potenza
In tutti i settori industriali e di consumo, c’è stata un’espansione incredibile dei dispositivi elettronici portatili. Nel mondo dei beni di consumo, le persone spesso possiedono vari dispositivi connessi come smartphone, tablet, fitness tracker e altri dispositivi. Questa stessa tecnologia sta rivoluzionando anche l’industria moderna.
Le dimensioni del mercato sono enormi. Secondo un rapporto del 2023 di ABI Research per il Bluetooth SIG, nel 2023 sono stati spediti circa 5,4 miliardi di dispositivi dotati di Bluetooth, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) previsto del 9% e fino a 7,6 miliardi di spedizioni all’anno entro il 2027 (Figura 1).
Figura 1: Il Bluetooth è il protocollo wireless più comune con miliardi di dispositivi spediti ogni anno. (Fonte: ABI Research)
Questi dispositivi stanno rivoluzionando le nostre vite, connettendoci con il mondo esterno attraverso la tecnologia wireless, utilizzando l’ultima versione di protocolli come Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Bluetooth mesh, NFC, Thread e Zigbee. Ma senza questa connettività essenziale, la loro utilità è – nella migliore delle ipotesi – fortemente ostacolata.
Ogni dispositivo richiede anche una fonte di alimentazione per funzionare. Per numerosi dispositivi personali portatili si tratta di una batteria interna ricaricabile, mentre per i nodi IoT la batteria è spesso una cella a bottone a bassa capacità.
Aumentare l’utilizzo e l’ottimizzazione della batteria
Raggiungere un equilibrio tra il consumo di energia e la funzionalità del dispositivo è fondamentale. È altrettanto importante fornire una stima accurata dello stato della ricarica della batteria, senza che questo influisca significativamente sul consumo della batteria.
La connettività wireless è una caratteristica fondamentale, che fornisce una serie di funzionalità a seconda del dispositivo finale. I protocolli disponibili per la connettività wireless sono numerosi, ad esempio NFC, Thread e Zigbee, e il protocollo Bluetooth Low Energy viene spesso usato nelle soluzioni a bassa potenza. A differenza della connessione permanentemente attiva associata allo standard Bluetooth, il Bluetooth Low Energy è attivo solo quando viene avviata la connessione, e resta in modalità sleep in altri momenti.
Dispositivi come i semplici sensori che trasmettono solo piccole quantità di dati periodicamente (ad esempio, un indicatore di temperatura ambiente) resteranno attivi solo per pochi millisecondi ogni pochi minuti circa. Utilizzando questo approccio, Bluetooth Low Energy permette di ottenere durate di vita della batteria molto più lunghe rispetto allo standard Bluetooth.
L’indicatore di carica della batteria (Figura 2) è una funzione importante in qualsiasi dispositivo wireless, per poter fornire all’utente una stima della carica rimanente. I primi indicatori di carica della batteria utilizzavano il principio del conteggio dei Coulomb per misurare la carica in ingresso nella batteria durante la ricarica e supponevano che tutta questa carica sarebbe stata disponibile per alimentare un dispositivo.
Tuttavia, la supposizione è inaccurata per via di inefficienze nell’accettazione della carica, perdite di immagazzinamento e perdite di carica. Questi fattori fanno sì che l’energia effettivamente disponibile per il dispositivo sia inferiore al 100% dell’energia in ingresso.
Figura 2: Gli utenti si aspettano di avere una stima accurata dell’energia rimanente nelle proprie batterie ricaricabili. (Fonte: MarySan/shutterstock.com)
Inoltre, i primi approcci non tenevano conto dell’invecchiamento della batteria. La differenza di capacità tra una batteria nuova e una vecchia può essere notevole; ciononostante, l’indicatore segnala una batteria ‘piena’ in entrambi i casi, mentre gli effettivi tempi di esecuzione sono molto diversi.
La miniaturizzazione è un’ulteriore sfida per i progettisti. Generazione dopo generazione, i dispositivi diventano sempre più piccoli e includono capacità e funzionalità sempre maggiori. La sfida è particolarmente dura con i dispositivi da polso e ancora di più con gli apparecchi acustici che devono essere inseriti nelle orecchie.
A causa del limitato spazio disponibile i progettisti spesso preferiscono soluzioni altamente integrate come i “system on chips” (SoCs). Il formato limita in modo significativo anche lo spazio disponibile per la batteria, accentuando la necessità di un consumo energetico contenuto e un indicatore del livello della batteria accurato.
Circuito integrato di gestione dell’alimentazione e soluzione wireless di Nordic
Riconoscendo la richiesta in aumento di una gestione dell’alimentazione intelligente e efficiente, Nordic Semiconductor ha sviluppato il dispositivo nPM1300, un circuito integrato di gestione dell’alimentazione (PMIC). Questo dispositivo avanzato include due convertitori buck ultra efficienti, due commutatori di carico/LDO, e la ricarica della batteria integrata. Esso supporta la carica di una batteria da 800 mA per batterie Li-ion, Li-poly e LiFePO4.
Per aumentare l’accuratezza dell’indicatore di carica della batteria nelle applicazioni portatili compatte, l’nPM1300 dispone di un sofisticato meccanismo di indicazione della ricarica che utilizza misure integrate di corrente, tensione e temperatura della batteria. L’algoritmo avanzato di indicazione della ricarica di Nordic combina queste misure con un modello di batteria per fornire previsioni stabili e precise sullo stato della ricarica. L’errore standard resta inferiore al ±3% quando la batteria funziona in condizioni nominali, e l’accuratezza viene mantenuta attraverso la compensazione della temperatura nell’intervallo di temperature di esercizio della batteria.
L’algoritmo per l’indicazione della carica può essere eseguito sulla maggior parte dei SoC host di Nordic e su altri SoC host non di Nordic. Per creare il modello della batteria, i progettisti possono eseguire un’analisi della batteria usando il kit di valutazione (EK) nPM1300 (Figura 3) e l’estensione della scheda nPM per l’indicazione della ricarica.
Figura 3: Il kit di valutazione di Nordic nPM1300, con il PMIC nPM1300 al centro. (Fonte: Nordic Semiconductor)
Il kit di valutazione rende più semplice per gli ingegneri lo sviluppo e la configurazione del PMIC senza bisogno di alcuna codifica, dal momento che le configurazioni del kit nPM1300 possono essere effettuate semplicemente attraverso un’interfaccia grafica intuitiva (GUI) prima di essere trasferite al SoC o al microcontrollore.
Il PMIC nPM1300 snellisce la progettazione del sistema incorporando in un package compatto le funzionalità cruciali necessarie per i progetti Bluetooth Low Energy embedded. Questa integrazione rende possibile una durata di vita della batteria maggiore e una ricarica più efficiente, riducendo al tempo stesso il numero di componenti necessari. Il PMIC integra in un package compatto una funzione di hard reset, un indicatore di carica della batteria preciso, un watchdog a livello di sistema, una funzione di avviso di perdita di potenza e di ripristino da un avvio fallito, oltre a cinque porte GPIO per uso generale e tre driver LED.
Generalmente, queste funzioni vengono implementate separatamente nei progetti Bluetooth Low Energy incorporati, ma il PMIC nPM1300 semplifica la progettazione del sistema integrandole, con configurazione tramite interfaccia I²C.
Il PMIC nPM1300 è progettato per fornire una regolazione di potenza ad alta efficienza per le famiglie di Nordic nRF52 e nRF53, incluso il SoC nRF52840 (Figura 4). Il SoC nRF52840 è completamente multiprotocollo e supporta Bluetooth Low Energy, Bluetooth mesh, Thread, Zigbee, 802.15.4, ANT e stack proprietari a 2,4 GHz.
Figura 4: nRF52840 di Nordic è un SoC wireless multiprotocollo a bassissimo consumo. (Fonte: Nordic Semiconductor)
Il SoC nRF52840 si basa su una CPU Arm® Cortex®-M4 a 32 bit a basso consumo, con unità in virgola mobile da 64 Mhz. Dispone di varie periferiche digitali e interfacce di bordo, come SPI e QSPI ad alta velocità per interfacciarsi con flash e display esterni, PDM e I²S per microfoni e audio digitali e un dispositivo USB a piena velocità per il trasferimento dati.
Tutte le periferiche sono dotate di un clock e di una gestione dell’alimentazione indipendenti e automatizzati. Ciò garantisce che siano spente quando non sono necessarie per l’esecuzione delle funzioni, in modo da mantenere al minimo il consumo di potenza senza bisogno di realizzare e testare schemi complessi di gestione dell’energia. La corrente di picco durante la trasmissione è di appena 4,8 mA, che si riducono a soli 1,5 μA in modalità ON del sistema.
Inoltre, bypassando il regolatore interno iniziale sull’ingresso VDDH del SoC nRF52840 e alimentandolo con tensioni regolate direttamente dal PMIC nPM1300, anziché direttamente dalla batteria di una fonte USB, è possibile migliorare l’efficienza del sistema aumentando la durata della batteria di più del 20%.
Il dispositivo contiene 1024 KB (1 MB) di memoria flash e 256 KB di RAM (Tavola 1), che possono essere usate per l’archiviazione di codice e dati. Le esigenze di sicurezza sono soddisfatte da un’unità crittografica Arm TrustZone® CryptoCell on-chip che fornisce numerose opzioni di crittografia eseguite indipendentemente dalla CPU.
Tavola 1: I SoC wireless di Nordic sono adatti a una vasta gamma di applicazioni. (Fonte: Nordic Semiconductor)
| SoC | nRF5340 | nRF52840 | nRF52833 | nRF52832 | nRF52820 | nRF52811 | nRF52810 | nRF52805 |
| Bluetooth | 5,4 | 5,4 | 5,4 | 5,4 | 5,4 | 5,4 | 5,4 | 5,4 |
| Thread | Sì | Sì | Sì | Sì | Sì | |||
| Matter | Sì | Sì | ||||||
| Zigbee | Sì | Sì | Sì | Sì | ||||
| Bluetooth Mesh | Sì | Sì | Sì | Sì | Sì | |||
| Flash | 1MB + 256KB | 1MB | 512KB | 512/256KB | 256KB | 192KB | 192KB | 192KB |
| RAM | 512KB | 256KB | 128KB | 64/32KB | 32KB | 24KB | 24KB | 24KB |
Conclusioni
La capacità della batteria è sempre stata una sfida nei dispositivi intelligenti, e ha richiesto ai progettisti di trovare un compromesso tra connettività e tempo di esecuzione – una sfida esacerbata dall’indicazione del livello della batteria inaccurata.
Nuove soluzioni innovative, come il PMIC nPM1300 di Nordic, hanno affrontato con ottimi risultati questa sfida grazie al supporto del funzionamento a bassa potenza, alla stretta integrazione del sistema e a un indicatore del livello della batteria accurato. Combinando il PMIC nPM1300 con un SoC, come il dispositivo nRF52840, i progettisti riescono a sviluppare prodotti con livelli di funzionalità e accuratezza maggiori, riducendo il numero di componenti e le dimensioni fisiche e soddisfacendo i più recenti requisiti della tecnologia IoT.
