Aprovechamiento de la energía ambiental para aplicaciones de bajo consumo

Vivimos el auge de las aplicaciones de recolección de energía. Gran parte de la atención se ha centrado en la inversión del gobierno de EE. UU. en energía limpia y la inversión de la industria privada de 400,000 millones de dólares "en la fabricación de energía limpia, vehículos eléctricos y baterías, y generación de energía limpiaⁱ. Menos publicitados son los florecientes mercados de aplicaciones de recolección de energía de bajo consumo para IoT, dispositivos de vestir y dispositivos biomédicos como implantes.^Ii

La demanda de aplicaciones de almacenamiento de energía altamente eficientes, confiables y compactas destaca el potencial de aprovechar la energía ambiental para reemplazar o complementar las baterías recargables para dispositivos de bajo consumo. Estas aplicaciones de recolección de energía prometen un funcionamiento potencialmente indefinido sin tener que sustituir las baterías, lo que puede reducir significativamente los residuos ecológicos.

La energía solar recolectada puede alimentar dispositivos para vestir, dispositivos de comunicación, sensores remotos o de difícil acceso y una amplia variedad de dispositivos inteligentes en entornos minoristas, industriales y residenciales. Sin embargo, los diseñadores también pueden aprovechar otras fuentes de energía ambiental, como las variaciones de temperatura, el movimiento, las vibraciones, las ondas de radio y el sonido acústico.

Superar los desafíos de diseño

El tamaño y la administración de energía son desafíos críticos en el diseño de dispositivos móviles, remotos y sin supervisión. En muchos casos, la conexión inalámbrica es igualmente desafiante. Sin embargo, el progreso continuo en la integración y miniaturización de los componentes electrónicos necesarios permite a los desarrolladores reducir la huella de los dispositivos y optimizar los costos.

La identificación de fuentes de energía adecuadas y la optimización del consumo de energía son factores fundamentales para desarrollar aplicaciones exitosas. Los diseños y la estética variarán mucho, dependiendo del entorno y el uso previstos.

Los dispositivos de consumo deben ser estéticamente atractivos y cumplir altos estándares de usabilidad para lograr el éxito en el mercado. Los dispositivos industriales y remotos se ven menos afectados por la estética y la operatividad amigable para el consumidor, pero es probable que tengan que lograr mayores niveles de funcionalidad e interoperabilidad.

La implementación de un diseño de bajo consumo dependerá principalmente de encontrar los componentes y el software adecuados para minimizar el consumo de energía. También, puede depender de aprovechar al máximo la extracción de energía de la fuente de energía. Idealmente, las aplicaciones pueden recolectar más energía de la que se consume para lograr una autonomía energética completa.

PMIC de alto rendimiento para la recolección de energía

Nexperia ofrece un circuito integrado de gestión de energía (PMIC) diseñado para aprovechar continuamente la energía ambiental. El NEH2000BY (Figura 1) aborda una compensación típica de recolección de energía al propiciar un alto rendimiento de los dispositivos sin comprometer la eficiencia energética.

Figura 1: El PMIC NEH2000BY de Nexperia está optimizado para recolectar energía ambiental para dispositivos de bajo consumo. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El PMIC de Nexperia utiliza un algoritmo adaptativo para el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para optimizar la transferencia de energía de las fuentes ambientales y garantizar una alta conversión. Al funcionar de forma autónoma sin preprogramación, el algoritmo MPPT de NEH2000BY alcanza una eficiencia de conversión media óptima de hasta el 80% y se adapta en 0.5 segundos.

Sin duda, los desarrolladores que trabajan o exploran la optimización de paneles solares y turbinas eólicas están familiarizados con el MPPT, pero también se puede utilizar para aplicaciones que recolectan otras fuentes de energía ambiental, como señales térmicas, vibratorias y de radio. MPPT monitorea continuamente el voltaje y la corriente para identificar la potencia óptima y ajusta la carga para que coincida con la salida con los requisitos de la aplicación.

Al utilizar un algoritmo de "escalada de colinas", el NEH2000BY se adapta a entornos cambiantes y garantiza la máxima eficiencia, independientemente de las fluctuaciones de energía. Si bien está optimizado para aplicaciones fotovoltaicas, el PMIC puede funcionar con una variedad de dispositivos de recolección que utilizan el voltaje del elemento de almacenamiento en un rango de 2.5 V a 4.5 V, y es compatible con varios tipos de baterías recargables, así como con diseños sin batería.

El PMIC de Nexperia permite a los diseñadores crear aplicaciones utilizando un CC-CC integrado, de alta eficiencia y bajo consumo, lo que elimina la necesidad de agregar un convertidor y un inductor externo voluminoso. Requiere solo un capacitor externo, lo que simplifica el diseño de la placa de circuito impreso (PCB) y reduce la lista de materiales de la aplicación.

Al estar disponible en un paquete plano cuádruple muy delgado (HWQFN) de plástico mejorado térmicamente de 3 mm x 3 mm, el PMIC requiere un área de ensamblaje total de solo 12 mm, según Nexperia. Esto permite obtener diseños hasta 20 veces más pequeños que las soluciones existentes.

Plataforma de diseño de referencia

Los diseñadores de productos pueden crear prototipos y probar aplicaciones de recolección de energía con una plataforma de diseño de referencia que refleja una colaboración entre Nexperia y Ambiq.

El harvestKIT AMA3BHARV1 de Ambiq (Figura 2) combina un módulo de clic basado en el PMIC NEH2000BY de Nexperia con el SoC Apollo3 Blue de Ambiq y módulos de sensores Click personalizados de 1.8 V de bajo consumo de TDK InvenSense y Bosch Sensortec.

Figura 2: El harvestKit AMA3BHARV1 de Ambiq tiene un módulo de clic con el PMIC de recolección de energía de Nexperia, junto con módulos de sensores de movimiento y ambientales. (Fuente de la imagen: Ambiq)

El harvestKIT incluye la recolección de energía de Nexperia con un sensor de movimiento de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y un sensor ambiental. El SoC Apollo3 Blue integra Bluetooth Low Energy (BLE) 5. Una toma de expansión adicional puede admitir otros sensores y módulos de conectividad, como Wi-Fi o una pantalla.

Los componentes pueden impulsar aplicaciones que combinan la recolección de energía de bajo consumo con insumos como el monitoreo de temperatura, humedad, movimiento y presión.

Los desarrolladores pueden utilizar el diseño de referencia para desarrollar una gama de prototipos que puedan prolongar la duración de la batería mediante la recolección de energía o eliminar el uso de baterías mediante la incorporación de supercapacitores u otros componentes de almacenamiento de energía.

El SoC Apollo3 Blue utiliza la tecnología patentada Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT) de Ambiq para gestionar la energía recolectada y procesar de manera eficiente aplicaciones de bajo consumo. El firmware de plataforma de referencia envía datos en bruto de los sensores a una aplicación web que se ejecuta en un navegador web Chromium en una PC, teléfono o tableta.

Conclusión:

El PMIC de Nexperia ofrece una opción de diseño atractiva para aplicaciones con uso eficiente de la energía y de próxima generación. Al aprovechar la energía solar e integrar módulos de sensores avanzados, los desarrolladores pueden crear soluciones innovadoras que amplíen significativamente la duración de la batería y potencialmente eliminen su necesidad por completo. La colaboración de Nexperia en el diseño de referencia del harvestKIT AMA3BHARV1 de Ambiq proporciona una plataforma de creación de prototipos y pruebas para aplicaciones de procesamiento y gestión de bajo consumo de energía, que aborda la creciente demanda de dispositivos electrónicos sostenibles y eficientes.

[i] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/blog/2024/07/01/building-a-thriving-clean-energy-economy-in-2023-and-beyond-a-six-month-update/

[ii]https://link.springer.com/article/10.1007/s13246-024-01382-4