IT201900006086A1 - Circuito di raccolta di energia, sistema e procedimento corrispondenti - Google Patents

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IT201900006086A1
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circuit
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energy
voltage
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IT102019000006086A
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Rosa Roberto La
Alessandro Finocchiaro
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St Microelectronics Srl
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    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
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Description

TRADUZIONE del testo del brevetto europeo n. dal titolo: "Circuito di raccolta di energia, sistema e procedimento corrispondenti"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione si riferisce a circuiti di raccolta di energia.
Una o più forme di attuazione possono trovare impiego in una varietà di applicazioni come, per esempio, nei dispositivi di raccolta di energia a radiofrequenza (RF) ad esempio applicazioni di raccolta di energia RF a potenza ultra-bassa (nano-Watt) per sistemi senza batteria come reti di sensori wireless (in breve, WSN, "Wireless Sensor Networks").
Sfondo tecnologico
Nella raccolta di energia (o, secondo altre denominazioni, raccolta di potenza o recupero “scavenging” di energia), l'energia da una o più sorgenti come, per esempio, pannelli solari, generatori eolici, generatori termici di vari tipi, è stoccata per un possibile impiego in dispositivi quali dispositivi portatili wireless o sensori wireless (per esempio in applicazioni di reti di sensori wireless, WSN).
Specificamente, i WSN per raccogliere e condividere dati in modo wireless su una rete Internet of Things (IoT) può comprendere sensori posti in luoghi difficili da raggiungere e da assistere.
La capacità di tracciare in modo efficace la potenza (elettrica) disponibile in un sistema può essere d'aiuto nel soddisfare la domanda crescente, per esempio, di reti di sensori wireless (WSN) in grado di raccogliere e condividere dati in modalità wireless mentre sono spesso collocati in luoghi che sono difficili da raggiungere e da assistere.
Esiste quindi una domanda crescente per soluzioni di raccolta di energia che possano facilitare l'implementazione di nodi di sensori senza batteria e/o "set-and-forget" (imposta e dimentica), che a sua volta facilita la produzione di dispositivi atti a essere eventualmente ubiqui e intrinsecamente privi di manutenzione, per esempio, per applicazioni IoT (Internet of Things).
Tecniche indicate come MPPT (inseguimento del punto di potenza massima, "Maximum Power Point Tracking") possono essere utilizzate per determinare la potenza massima disponibile da tali sistemi.
La potenza da un tale sistema può essere aumentata (massimizzata) facendo ricorso a vari approcci che vanno dall'utilizzo di semplici relazioni di tensione all'adozione di un'analisi più complessa basata sulla raccolta di più campioni.
Indipendentemente dall'approccio utilizzato, aumentare l'efficienza di trasferimento di potenza riducendo al contempo la quantità di potenza prelevata dal sistema stesso per effettuare funzioni MPPT è un obiettivo desiderabile da ottenere.
Scopo e sintesi
Uno scopo di una o più forme di attuazione è soddisfare tale richiesta di miglioramento.
Secondo una o più forme di attuazione, tale scopo può essere raggiunto per mezzo di un circuito che presenta la caratteristica esposta nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione possono essere correlate a un sistema corrispondente (per esempio, un nodo IoT dotato di un dispositivo di raccolta di energia).
Una o più forme di attuazione possono essere correlate a un procedimento corrispondente.
Le rivendicazioni sono parte integrante dell’insegnamento tecnico qui fornito con riferimento alle forme di attuazione.
Una o più forme di attuazione prevedono un trasduttore innovativo RF2DC con un terminale dedicato, per esempio Voc, per misurare facilmente la tensione di circuito aperto.
Una o più forme di attuazione possono prevedere una disposizione per la misura a circuito aperto che può funzionare (anche) durante il normale funzionamento (di commutazione) del convertitore in modo tale che la riduzione di efficienza di raccolta possa essere trascurabile.
Una o più forme di attuazione possono utilizzare una cella a tre terminali (per esempio, Vplus, Vminus, Voc), dove la tensione di circuito aperto Voc è derivata da una piccola cella "dummy" (per esempio, 14) configurata per riprodurre il comportamento del sistema "principale" (per esempio, 12) con la cella dummy in grado di fornire, per esempio, una misura della tensione di circuito aperto del sistema principale che a sua volta può essere utilizzata per svolgere una funzione MPPT.
Una o più forme di attuazione possono essere basate sul riconoscimento del fatto che possibili svantaggi correlati alla presenza di un pin supplementare e all'impiego di una (piccola) parte dell'area del sistema per scopi di misura, invece che per produzione di energia, possono essere compensati da vari vantaggi comprendenti la semplificazione dell'architettura di circuito associata alle funzioni MPPT (per esempio pre-regolazione di un convertitore DC-DC) e la riduzione dell'assorbimento di potenza, cosicché lo MPPT può diventare attraente anche per sistemi a potenza (ultra) bassa, per esempio nel campo dei µW.
Per esempio, in una o più forme di attuazione celle "dummy" e "principali" sono nel package assieme, essendo quindi esposte alle stesse condizioni ambientali. Come risultato, l’inseguimento MPPT può funzionare in modo efficiente e vantaggioso senza perdita di prestazioni anche in un contesto di condizioni ambientali variabili (per esempio condizioni atmosferiche esterne che influenzano il livello di ampiezza del segnale ricevuto).
Una o più forme di attuazione favoriscono vantaggiosamente e in modo innovativo un flusso continuo di energia dallo “scavenger” (recuperatore) al convertitore, evitando di disconnettere lo scavenger per misurare la tensione di circuito aperto Voc.
Una o più forme di attuazione possono facilitare la raccolta di energia a potenza ultra-bassa nel contesto delle reti di sensori wireless e IoT, facilitando un inseguimento MPPT efficiente e conveniente.
Una o più forme di attuazione possono fornire una soluzione che rende l’inseguimento MPPT conveniente in applicazioni a potenza (ultra) bassa, nelle quali lo MPPT è normalmente abbandonato per l'assenza di un modo conveniente dal punto di vista di investimento di energia. Una o più forme di attuazione possono facilitare il superamento della opinione generale che, dal momento che la potenza coinvolta nelle applicazioni a potenza ultra-bassa è così piccola, i circuiti supplementari coinvolti per favorire l'ottimizzazione della conversione di potenza presentano un consumo di potenza non trascurabile rispetto alla potenza da ottenere cosicché li rende non convenienti.
Una o più forme di attuazione facilitano la riduzione dell'assorbimento di corrente associato alle funzioni MPPT (ad esempio pre-condizionamento di tensione MPPT) a un valore nel campo di unità di nA.
Una o più forme di attuazione possono fornire uno o più dei seguenti vantaggi:
- efficienza energetica aumentata ("ottimizzata"), miniaturizzazione del sistema, per esempio, con dimensioni ridotte del raccoglitore associato,
- flessibilità del sistema, con la capacità, per esempio, nel caso di sistemi PV, di adattamento alle condizioni interne ed esterne preservando al contempo una prestazione energetica sostanzialmente identica,
- facilitare la diffusione di sistemi senza batteria, dal momento che il consumo di potenza è trascurabile,
- facilitare l'adattamento di impedenza e la realizzazione di MPPT, ricavando un miglioramento di prestazioni del sistema.
In una o più forme di attuazione, un circuito di raccolta di energia (e un sistema e procedimento corrispondenti) per quanto riguarda la presente discussione può prevedere un circuito incorporato per il rilevamento della tensione di riferimento, configurato per effettuare l’inseguimento MPPT, per esempio anche in applicazioni a potenza ultra-bassa.
Breve descrizione delle figure
Una o più forme di attuazione verranno adesso descritte, solo a titolo di esempio, con riferimento alle figure allegate, in cui:
- Figura 1 è uno schema circuitale esemplificativo di forme di attuazione di un circuito scavenger di energia secondo la presente discussione;
- Figura 2 è un altro schema circuitale esemplificativo di dettagli di una o più forme di attuazione secondo la figura 1,
- Figura 3 è ancora un altro schema circuitale esemplificativo di forme di attuazione; e
- Figura 4, comprendente una prima parte a) e una seconda parte b), comprende schemi esemplificativi di principi sottostanti a una o più forme di attuazione di un circuito di recupero di energia secondo la presente discussione.
Descrizione dettagliata
Nella descrizione che segue, sono illustrati uno o più dettagli specifici, rivolti a fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere ottenute senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, strutture, materiali, o operazioni noti non sono illustrati o descritti in dettaglio cosicché certi aspetti di forme di attuazione non verranno offuscati.
Il riferimento a "una forma di attuazione" o "una sola forma di attuazione" nel quadro della presente descrizione è inteso a indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come "in una forma di attuazione" o "in una sola forma di attuazione" che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non si riferiscono necessariamente a una specifica forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture, o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono forniti solamente per comodità e quindi non definiscono l'estensione di protezione o la portata delle forme di attuazione.
Una o più forme di attuazione possono sfruttare onde elettromagnetiche come fonte di potenza. Per esempio, una o più forme di attuazione possono essere applicate a un circuito di recupero di energia a radiofrequenza (in breve, RF). Un raccoglitore RF come qui esemplificato può basarsi sulla potenza estratta da onde radio RF come trasmesse da un hub o una stazione di base. Un raccoglitore di energia come qui esemplificato può quindi agire come un cosiddetto convertitore radiofrequenza a continua (in breve, RF2DC, "Radio-Frequency-to-Direct-Current").
L'utilizzo raccoglitori di energia RF può essere favorito dalla capacità di funzionare con livelli di potenza (molto) bassa in modo da ottenere una elevata distanza di funzionamento (r) dalla sorgente che emette potenza. La propagazione di energia RF può essere modellata per esempio per mezzo dell'equazione di Friis, che si traduce in una diminuzione della potenza nello spazio libero secondo r<2>,
PR = PTGTGR(Ȝ/4πr)<2>
dove PR è la potenza disponibile all'ingresso dell'antenna ricevente, PT è la potenza di uscita dell'antenna trasmittente, GT e GR sono i guadagni di antenna trasmittente e ricevente, rispettivamente, e Ȝ è la lunghezza d'onda.
La potenza di ingresso RF più bassa che consente al circuito di convertire energia RF in DC è denominata sensibilità.
Un altro parametro di prestazione è l'efficienza di conversione di potenza (PCE, "Power Conversion Efficiency") che è una misura della efficienza con cui la potenza di ingresso RF Pin viene trasformata in potenza di uscita Pout, cioè:
PCE = Pout/Pin.
Progettare raccoglitori di energia può così prevedere: migliorare la sensibilità allo scopo di aumentare la distanza operativa;
aumentare PCE in modo tale che per esempio la potenza di uscita Pout per una stessa potenza di ingresso Pin possa essere aumentata.
In una o più forme di attuazione, ottenere MPPT può impiegare un procedimento di circuito aperto basato sull'osservazione che la tensione del punto di potenza massima è spesso vicina a una percentuale fissa della tensione di circuito aperto.
Come discusso in precedenza, l’inseguimento del punto di funzionamento di un sistema, per esempio allo scopo di ricercare un punto di potenza massima, è una caratteristica desiderabile nei sistemi di raccolta di energia.
Nei sistemi di generazione di potenza come ad esempio i raccoglitori di energia RF, il trasferimento di energia può raggiungere un punto di trasferimento di energia "migliore" che porta a un punto di generazione di potenza (massima) più alto.
La capacità di regolare (velocemente e con precisione) il punto di funzionamento elettrico del sistema per massimizzare la generazione di potenza rappresenta così una caratteristica desiderabile.
Nel corso degli anni sono stati concepite varie soluzioni di inseguimento del punto di potenza massima (MPPT) in base a varie strategie, comprendenti per esempio:
tensione costante,
tensione di circuito aperto,
tensione di cortocircuito,
perturbare e osservare,
conduttanza incrementale,
temperatura,
parametrico in temperatura.
Questi procedimenti presentano vantaggi e svantaggi. Per esempio, un approccio a tensione costante può rappresentare una scelta ragionevole a causa della sua semplicità e della possibilità di fornire vantaggi come ad esempio:
misura di un (solo) parametro,
requisiti di calcolo numerico ridotti,
assenza di oscillazioni in stato stazionario,
basso consumo di potenza.
L'ultimo vantaggio citato può essere significativo, per esempio in applicazioni a potenza (ultra) bassa dove le quantità (molto) piccole di energia disponibile possono non giustificare l'implementazione di MPPT nella misura in cui l'energia prelevata per implementare tale funzione è difficilmente compensata (e può anche essere maggiore) rispetto all'energia ricavata.
Questa osservazione suggerisce che un circuito MPPT per la raccolta di energia a potenza (ultra) bassa dovrebbe desiderabilmente essere più semplice possibile, in modo che l'energia assorbita possa essere ridotta a un livello sufficientemente basso da ottenere un bilancio positivo tra l'energia ricavata e l'energia prelevata per effettuare una funzione MPPT.
In una o più forme di attuazione, realizzare una funzione MPPT può prevedere la misurazione di una tensione di circuito aperto Voc come discussa nel seguito.
La potenza erogata a un carico generico da un trasduttore di energia radiofrequenza a continua (in breve, RF2DC) dipende dalla sua impedenza interna. In particolare, il massimo trasferimento di potenza si verifica se vi è una corrispondenza tra una resistenza elettrica interna Rs di un dispositivo RF2DC e un carico RL.
I dispositivi trasduttori RF2DC convertono energia RF in elettricità DC in una quantità dipendente dalla potenza (di ingresso) ricevuta nell'antenna. Per questo dispositivo la potenza (di uscita) fornita è data dall'equazione: Pout = (-Vout<2 >+ Vout*Voc)/Rs, dove Vout è la tensione di circuito aperto dello RF2DC, Rs è la resistenza elettrica interna dello RF2DC. La potenza di uscita fornita dal trasduttore RF2DC rispetto alla tensione di uscita è una parabola che presenta un massimo nella tensione di uscita Vout=Voc/2 che a sua volta è la stessa condizione ottenuta avendo Rs=RL.
Ciò pone un problema rilevante durante la fase di progetto. L'impedenza interna Rs di RF2DC, dipende dalla potenza ricevuta. Quindi, nella fase di progetto il trasferimento di potenza può essere ottimizzato solo per una singola condizione predefinita di potenza ricevuta e carico. Tale condizione non corrisponde quasi mai a una situazione della vita reale: di fatto, per una potenza trasmessa e frequenza definite, in un trasferimento di potenza wireless, la potenza ricevuta dipende moltissimo dalle condizioni ambientali e dalla distanza tra il ricevitore di potenza e il trasmettitore di potenza. In generale, la potenza ricevuta nell'ingresso del trasduttore RF2DC non può essere considerata fissa, e anche la condizione di carico è molto variabile durante il trasferimento di potenza.
Ciò comporta la conseguenza che il sistema può solo essere ottimo in una data condizione, perdendo efficienza quando la distanza relativa tra il trasmettitore di potenza e il ricevitore di potenza varia o se le condizioni ambientali cambiano, come succede spesso in pratica.
La relazione tra potenza di uscita e tensione di uscita mostra una tendenza sostanzialmente parabolica (invertita) con un valore di picco in Vout = Voc/2.
Ciò suggerisce che, allo scopo di favorire l'ottenimento di un trasferimento di potenza ottimo, la cella RF2DC debba desiderabilmente essere condizionata allo scopo di funzionare all'interno di un campo di tensione posto in prossimità di Voc/2. Inoltre, in questo caso, la conoscenza del valore di uscita di tensione (Voc) può essere utile.
La capacità di tracciare la tensione Voc può essere utile per favorire l'efficienza di potenza massima o per ottenere MPPT.
È riconosciuto in generale che il procedimento di tensione di circuito aperto può presentare uno svantaggio per il fatto che misurare la tensione Voc implica aprire il circuito tra il raccoglitore di energia e il convertitore di potenza e campionare la tensione dopo che il circuito è stato aperto.
Come risultato, non scorre energia dallo scavenger di energia (cioè il circuito utilizzato per misurare la tensione di circuito aperto) al convertitore mentre la tensione Voc viene campionata poiché il convertitore è disconnesso, il che può avvenire per un intervallo di tempo sufficientemente lungo per permettere alla capacità di ingresso del convertitore di caricarsi fino alla tensione Voc.
In applicazioni a potenza (ultra) bassa, la corrente erogata dal raccoglitore può essere molto bassa e il condensatore di stoccaggio può presentare un valore, per esempio, di centinaia di µF: soddisfare i requisiti RMS di carico può quindi prevedere un funzionamento (molto) lento e potrebbe richiedere un tempo dell'ordine di diversi millisecondi.
Un ulteriore svantaggio può risiedere nella complessità del circuito, nella misura in cui l'attività di campionamento può prevedere l'utilizzo di un circuito digitale e l'implementazione di un algoritmo alquanto complesso, per esempio, mediante un microcontrollore. Ciò può (ulteriormente) aumentare la complessità del circuito con possibili perdite di potenza aggiuntive.
Il documento Martins, G.C., & Serdijn, W.A. (2018), "An RF Energy Harvester with MPPT Operating Across a Wide Range of Available Input Power", 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 1-5 discute il progetto e i risultati di simulazione di un circuito di raccolta di energia RF che funziona su un ampio campo di potenza d'ingresso disponibile, da -27 dBm a 6 dBm. Il sistema comprende una rete adattativa di adattamento di impedenza, un raddrizzatore differenziale a stadio singolo connesso a croce, una pompa di carica di avviamento, un convertitore adattativo "buck-boost" e un circuito di inseguimento di punto di potenza massima (MPPT). Il circuito MPPT controlla la frequenza di commutazione del convertitore buck-boost e configura la rete di adattamento di impedenza, ottimizzando le interfacce tra il raddrizzatore e l'antenna e tra il raddrizzatore e il condensatore di stoccaggio, favorendo perciò il fatto che viene raccolta la potenza massima. Il sistema è progettato in una tecnologia CMOS standard a 0,18 ȝm. L'efficienza di picco è 49,1% con una potenza di ingresso disponibile di -18 dBm e una frequenza di segnale di 403,5 MHz.
Tra gli altri, tale soluzione presenta gli svantaggi di: presentare una fase di calibrazione, presentare complessità, consumo di area e potenza che non sono trascurabili.
Il documento Zhao, Ping and Manfred Glesner, "RF energy harvester design with autonomously adaptive impedance matching network based on auxiliary charge-pump rectifier", 2011 IEEE International Symposium of Circuits and Systems (ISCAS) (2011): 2477-2480 discute una implementazione di un raccoglitore di energia di onde a radiofrequenza con la capacità di autoregolare la rete di adattamento per adattarsi a condizioni di carico variabili. Una pompa di carica ausiliaria è destinata a fornire alimentazione all'unità di controllo supplementare. Il progetto è implementato in un processo CMOS standard a 0,13 ȝm. I risultati mostrano che l'efficienza di trasferimento di potenza utilizzando il progetto proposto può raggiungere un livello maggiore del 70% indipendentemente dalle condizioni di carico.
Tra gli altri, tale soluzione presenta gli svantaggi di: comprendere alimentazioni con raddrizzatore ausiliario con un consumo statico di corrente e un circuito di controllo in retroazione; perdita di potenza dissipata nel resistore di rilevamento; di conseguenza, si ha un'efficienza di potenza ridotta.
Una o più forme di attuazione possono fornire una disposizione di misura di circuito aperto che può funzionare (anche) durante il normale funzionamento (a commutazione) del convertitore in modo tale che la riduzione di efficienza di raccolta possa essere trascurabile.
Secondo un'architettura esemplificativa come presentata nella figura 1, una o più forme di attuazione possono comprendere un dispositivo 10 comprendente due sezioni, cioè:
una sezione di potenza 12, corrispondente essenzialmente a una convenzionale (per esempio un generatore fotovoltaico, PV) che fornisce una tensione di uscita tra due nodi Vplus e Vminus, e
una sezione di rilevamento di Voc (tensione di circuito aperto) 14; questa può corrispondere a una sorta di replica in scala ridotta "miniaturizzata" della sezione di potenza 12 e fornire una tensione Voc (per esempio, riferita a Vminus) in un nodo di uscita corrispondente.
In una o più forme di attuazione, la sezione di potenza 12 può richiedere la più alta percentuale del volume/area dell'intero dispositivo 10 e agire come generatore/fornitore di energia vero e proprio.
La sezione di rilevamento 14 può essere una sorta di versione in scala, per esempio con area rimpicciolita, della sezione di potenza 12 dedicata alla misura della tensione Voc.
Durante il funzionamento, la sezione di rilevamento 14 può essere caricata leggermente e/o fornire una potenza (molto) più bassa rispetto alla sezione di potenza 12.
Di conseguenza, il volume/area della sezione di rilevamento 14 può essere (molto) più piccolo e quasi trascurabile rispetto al volume/area della sezione di potenza 12.
Nel caso di una sezione di potenza 12 dimensionata per fornire 1µA, ciò darebbe luogo a un rapporto di area 1/10, cioè a un fattore di scala uguale a 10.
In una o più forme di attuazione, il rapporto tra volume/area della sezione di rilevamento 14 e il volume/area della sezione di potenza 12 sarà la (sola) fonte di inefficienza di potenza della disposizione.
Con un disegno appropriato del dispositivo 10, questa inefficienza può essere ridotta al minimo, (ben) al di sotto del livello di inefficienza delle soluzioni convenzionali.
In una disposizione come esemplificata nella figura 1 il dispositivo 10 può presentare tre terminali o nodi, cioè Vplus, Vminus e Voc, in confronto a (solo) due terminali come possibilmente presenti in certe disposizioni convenzionali.
Ciò può essere considerato come un apparente svantaggio, che tuttavia si è trovato essere (ampiamente) compensato da vari vantaggi.
Un primo vantaggio può essere una aumentata semplicità del convertitore DC-DC. In una o più forme di attuazione, tale convertitore può prevedere (solo) un comparatore aggiuntivo semplice e a potenza (ultra) bassa per svolgere la funzione MPPT. Ciò può dare luogo a una complessità circuitale ridotta correlata, per esempio, alla possibilità di fare a meno di circuiti logici, algoritmi e micro controllori complessi.
Un altro vantaggio può risiedere nella efficienza energetica migliorata ottenuta attraverso ridotte perdite di energia, per esempio, dovute a commutatori in serie di cui si fa a meno assieme alle perdite I<2>Ron associate.
Un ulteriore aumento di efficienza energetica può derivare dal flusso continuo di energia dal dispositivo 10 al convertitore, per esempio, dovuto alla possibilità di evitare la disconnessione allo scopo di misurare la tensione Voc.
Inoltre, la possibilità di ridurre la dimensione complessiva del sistema (miniaturizzazione del sistema) avrà un effetto sinergico nella misura in cui il volume/area aggiuntivo occupato dal dispositivo 14 sarà (ampiamente) compensato dall'aumento di efficienza energetica.
Inoltre, una possibile architettura semplificata del convertitore DC-DC può facilitare l'adozione di un'architettura a basso costo rendendo quindi vantaggioso applicare MPPT anche ad applicazioni a potenza (ultra) bassa.
In tutte le figure, per esempio nella figura 1, Vplus, Vminus e Voc indicano un insieme di linee di ingresso a un raccoglitore di energia 10 atto a ricevere una tensione d'ingresso Vin(t) da una fonte di energia (non visibile nelle figure). Tale fonte di energia può essere, per esempio, una sorgente di radiofrequenza che può essere rilevata mediante un'antenna ricevente RX, RX1, RX2.
La tensione d'ingresso Vin(t) può essere espressa come:
Vin(t)=VAsin( �t)
dove VA è l'ampiezza del segnale di ingresso ac, � è la frequenza angolare data da �=2�f e f è la frequenza di funzionamento.
In una o più forme di attuazione, la tensione d'ingresso Vin(t) può essere applicata in modo differenziale tra Vplus e Vminus.
In una o più forme di attuazione, la tensione di ingresso può essere applicata a una delle linee di ingresso (per esempio Vplus) mettendo a massa l'altra linea (per esempio Vminus).
In una o più forme di attuazione, la tensione di ingresso può essere applicata a una delle linee di ingresso (per esempio Voc) mettendo a massa l'altra linea (per esempio Vminus).
In una o più forme di attuazione, un circuito di raccolta di energia 10 come qui esemplificato può essere terminato su un carico ZL, per esempio ZL=RL+jωCL in cui CL è la capacità che agisce come stoccaggio di energia con una resistenza di carico RL che è rappresentativa del consumo di corrente del sistema.
Come esemplificato nella figura 1, tale raccoglitore di energia 10 può comprendere due parti di circuito:
una prima parte 12, anche indicata come "sezione di potenza", che può prendere la percentuale più alta del volume/area e che può fornire energia nel circuito 10;
una seconda parte 14, anche indicata come "sezione di rilevamento", comprendente una replica in scala della prima parte/sezione di potenza 12, che può essere configurata per misurare una tensione di circuito aperto Voc.
La figura 2 è esemplificativa di un dispositivo scavenger o raccoglitore di energia 100 che impiega il circuito 10 come qui discusso.
Come esemplificato nelle figure 2 e 3, la prima parte 12 può comprendere:
una rete di adattamento 120, e
un primo convertitore di potenza RF2DC 122, configurato per fornire una tensione di uscita DC Vout in funzione della tensione di ingresso ricevuta nel nodo di ingresso Vplus, Vminus per esempio attraverso un'antenna RX; RX1.
Come esemplificato nelle figure 2 e 3, la seconda parte 14 può comprendere:
una rete di adattamento 140, e
una secondo convertitore di potenza RF2DC 142, configurato per rilevare, in scala, una tensione di circuito aperto Voc in un nodo Vocs in funzione di una tensione d'ingresso Vplus, Vminus ricevuta nel nodo ingresso Voc, per esempio attraverso un'antenna RX; RX2.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nella figura 2, come citato, un nodo di rilevamento di circuito aperto Vocs nella seconda parte 14 del circuito di raccolta di energia 10 può essere caricato leggermente, fornendo quindi una tensione (e potenza) di uscita molto più bassa rispetto alla prima parte 12, da cui il nome "sezione di potenza".
In una o più forme di attuazione, come risultato, un rapporto volume/area dei circuiti della seconda parte 14 può essere molto più basso o meglio trascurabile rispetto a un rapporto volume/area della sezione di potenza 12. In una o più forme di attuazione, più tale rapporto volume/area della seconda parte è trascurabile rispetto al rapporto volume/area della sezione di potenza 12, più lo scavenger è efficiente.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nella figura 3, una singola antenna ricevente RX e una rete di adattamento comune 124 possono essere impiegate al posto di stadi separati (di rete di adattamento), riducendo vantaggiosamente il consumo di area nel dispositivo 100.
In una o più forme di attuazione, la sezione di potenza 122 presenta un primo valore di impedenza mentre la sezione di rilevamento 142 presenta un secondo valore di impedenza, in cui il primo valore di impedenza è molto più alto del secondo valore di impedenza. Ciò può far sì che l'impedenza della sezione di rilevamento 122 sia dominante, portando a una trascurabile dissipazione di energia nella sezione di potenza 122.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nella figura 3:
lo RF2C nella sezione di potenza 122 può comprendere un primo moltiplicatore di tensione, che per esempio presenta un primo fattore di moltiplicazione di N, per esempio N=2,
lo RF2C nella sezione di rilevamento 142 può comprendere un secondo moltiplicatore di tensione che presenta un secondo fattore di moltiplicazione M volte più basso del primo fattore di moltiplicazione, per esempio il secondo rapporto di moltiplicazione può essere N/M, per esempio N=2, M=2, N/M=1.
In una o più forme di attuazione, il rapporto tra il primo fattore di moltiplicazione e il secondo fattore di moltiplicazione può essere vantaggiosamente un mezzo, fornendo quindi un riferimento di metà della tensione di circuito aperto Voc, per esempio Vocs=Voc/M=Voc/2.
Come esemplificato nella figura 2 e nella figura 3, la sezione di rilevamento 14 può essere accoppiata a un comparatore 16, per esempio avente un valore di impedenza di ingresso elevato. In questo modo, la tensione di circuito aperto rilevata Vocs è rilevata in una condizione in cui essa è una misura precisa in scala della tensione di circuito aperto Vocs "vera".
Ciò può essere vantaggiosamente ottenuto (anche) senza impiegare un circuito divisore che può introdurre errori di misura e inoltre può essere problematico dal punto di vista di integrazione circuitale. Vantaggiosamente, un costoso consumo di corrente e di area può essere evitato.
In una o più forme di attuazione, sia la sezione di potenza 12 che la sezione di rilevamento 14 possono essere accoppiate al comparatore 16. Il comparatore 16 può essere un comparatore a finestra configurato per fornire come uscita un segnale mppt. Il comparatore può essere inoltre accoppiato a un convertitore DC-DC, per esempio un convertitore buck-boost, configurato per fornire come uscita un segnale Vout al rispettivo nodo nel dispositivo 100.
In una o più forme di attuazione, il comparatore 16 può vantaggiosamente essere un comparatore a potenza ultrabassa estremamente semplice, che può essere impiegato per effettuare una funzione MPPT, riducendo la complessità del circuito.
Per esempio, in una forma di attuazione esemplificativa come presentata nella figura 3, il terminale Vplus della cella PV "principale" 12 può fornire energia a un elemento di stoccaggio come un condensatore CL.
In una condizione di stato stazionario, la tensione Vout stoccata nell'elemento CL può oscillare tra due valori Vh e Vl come esemplificato nella figura 3.
Per esempio, come risultato del raggiungimento da parte di Vout di una tensione (superiore) Vh, può essere attivato un meccanismo di trasferimento dell'energia stoccata in 16 verso un carico ZL (si veda il lato destro della figura 2), che di per sé può essere distinto dalle forme di attuazione, per esempio un nodo IoT, con il carico ZL accoppiato a un nodo di uscita 18c del convertitore DC-DC 18.
In una forma di attuazione esemplificativa come presentata nella figura 2, il trasferimento di energia verso il carico ZL può avvenire, per esempio, attraverso un convertitore DC-DC 18 (che di per sé può essere di un disegno convenzionale, semplificato) controllato attraverso un segnale mppt dal comparatore 16 come discusso nel seguito.
Come risultato del trasferimento di energia al carico, la tensione Vout può cadere da un valore superiore Vh (si veda nuovamente il diagramma della figura 3) a un valore più basso Vl, con il convertitore DC-DC 18 spento (trasferimento di energia interrotto), facilitando perciò il rinnovato stoccaggio di energia sull'elemento 16 finché il valore superiore Vh viene raggiunto nuovamente.
In una o più forme di attuazione, la caduta da Vh a Vl può essere limitata, per esempio in modo tale che la media Vout "traccerà" una tensione desiderata per MPPT.
Per esempio, per una data cella PV 12, Vh e Vl possono essere selezionati in modo tale che Vh=Voc/2+ΔV e Vl=Voc/2+ΔV con Vh+Vl=Voc con ΔV selezionato in modo tale che la perdita di potenza rispetto al valore più alto è mantenuta all'interno di un intervallo desiderato (per esempio 90%).
Come citato, la tensione rilevata dalla sezione di rilevamento 12 può fornire una versione in scala Vocs della tensione Voc, per esempio, con un fattore di scala che è fornito dal rapporto dei fattori di moltiplicazione dei moltiplicatori 122, 142, cioè M, con tale rapporto che si trova, per esempio, intorno a 2 in modo tale che Vocs può fornire una buona approssimazione di Voc/2 (essendo teoricamente identico a esso).
In una o più forme di attuazione un comparatore semplice a potenza (ultra) bassa (a basso costo) 16 (per esempio accoppiato al convertitore DC-DC 18b) può condizionare la tensione stoccata in CL (per esempio controllando i cicli di commutazione come esemplificati nella parte a) della figura 4) allo scopo di favorire il fatto che la sua media tracci la tensione Voc/2 in varie condizioni ambientali, per esempio, mediante un blocco circuitale possibilmente integrato nel convertitore DC-DC 18.
Per esempio, la parte b) della figura 4 è un diagramma esemplificativo della relazione tra la potenza di uscita Pout e la tensione di uscita Vout di un dispositivo raccoglitore di energia RF.
La relazione esemplificata nella parte b) della figura 4 mostra un valore di picco Pmax per la potenza di uscita in una tensione Voc/2, cosicché l'operazione di "commutazione" del convertitore DC-DC 18 tra Vh e Vl come discusso in relazione alla parte a) della figura 4 può rendere più facile evitare che la potenza di uscita possa cadere al di sotto, per esempio, del 90% del valore di picco.
Come notato, la tensione Voc/2 in una cella di potenza come 12 può variare nel tempo a seconda delle condizioni di funzionamento ad esempio dell'ampiezza VA del segnale di ingresso Vin(t).
Un funzionamento adeguato della cella può così prevedere variare selettivamente Vh+Vl in modo tale da "tracciare" tali condizioni di funzionamento mantenendo Vh+Vl intorno a Voc/2.
In una o più forme di attuazione, una misura (almeno approssimata) di Voc, può essere fornita dall'uscita Vocs dalla parte di rilevamento 14 associata alla "replica" in scala ridotta della sezione di potenza 12.
In una o più forme di attuazione i valori per Vh e Vl possono auto-adattarsi alle varie condizioni di generazione di potenza che possono variare dinamicamente con le condizioni ambientali.
In una o più forme di attuazione, questo tipo di funzionamento (si veda nuovamente il comportamento di commutazione esemplificato nella parte a) della figura 4) può essere implementato utilizzando un comparatore con isteresi 18a che cambia stato nell'estremità superiore e nell'estremità inferiore di un intervallo ΔV impostato intorno a Voc/2 (per esempio un intervallo [Voc/2; Voc/2 ΔV] centrato in Voc/2), con tali estremità o limiti superiore e inferiore corrispondenti a Vh e Vl.
In una o più forme di attuazione, un sistema alimentato elettricamente, opzionalmente un sistema alimentato elettricamente senza batteria (per esempio un terminale mobile RF o un sensore wireless comprendente almeno una antenna di rilevamento RF RX) può comprendere un circuito di raccolta di energia 10 come qui esemplificato.
In una o più forme di attuazione, un circuito di raccolta di energia (per esempio, 10) può comprendere:
un primo trasduttore radiofrequenza a continua, RF2DC (per esempio, 12), configurato per ricevere un primo segnale (per esempio, Vplus, Vminus) da almeno una antenna di rilevamento di radiofrequenza (per esempio, RX; RX1, RX2),
una sezione di circuito di stoccaggio di energia (per esempio, CL) accoppiata al primo trasduttore RF2DC e alimentato con il primo segnale (per esempio, Vplus, Vminus) da esso,
un circuito di trasferimento di energia (per esempio, 18) accoppiato alla sezione di circuito di stoccaggio di energia e configurato per trasferire verso un nodo di uscita (per esempio, 18c) l'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia,
un circuito di pilotaggio (per esempio, 16) accoppiati al circuito di trasferimento di energia, il circuito di pilotaggio configurato per fare commutare in modo controllabile il circuito di trasferimento di energia tra uno stato di stoccaggio di energia del primo segnale dal primo generatore nella sezione di circuito di stoccaggio di energia e uno stato di trasferimento di energia dell'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia verso il nodo di uscita, la tensione nella sezione di circuito di stoccaggio di energia variabile alternativamente tra un valore superiore (per esempio, Vh) e un valore inferiore (per esempio, Vl) intorno a un punto di impostazione di tensione (per esempio, Voc/2), e
un secondo trasduttore RF2DC (per esempio, 14) comprendente una replica in scala ridotta del primo trasduttore RF2DC, il secondo trasduttore RF2DC configurato per produrre un secondo segnale (per esempio, Vocs) indicativo nella tensione di circuito aperto del primo trasduttore RF2DC, il secondo trasduttore RF2DC accoppiato al circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento di energia, in cui il circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento di energia è sensibile al secondo segnale dal secondo trasduttore RF2DC (per esempio, 14), detto punto di impostazione di tensione essendo impostato in funzione del secondo segnale dal secondo trasduttore RF2DC indicativo della tensione di circuito aperto del primo trasduttore RF2DC.
In una o più forme di attuazione del circuito (10): il primo trasduttore RF2DC può comprendere un primo moltiplicatore di tensione (per esempio, 122) configurato per essere accoppiato a detta almeno una antenna di rilevamento di radiofrequenza e al circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento di energia, e
il secondo trasduttore RF2DC può comprendere un secondo moltiplicatore di tensione (per esempio, 142) configurato per essere accoppiato al circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento di energia, con una tensione di uscita (per esempio, Vocs) da detto secondo trasduttore RF2DC accoppiato al circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento di energia.
In una o più forme di attuazione, il circuito di pilotaggio del circuito di trasferimento energia può comprendere un comparatore (per esempio, 16) accoppiato alla sezione di circuito di stoccaggio di energia e al secondo trasduttore RF2DC, il comparatore essendo sensibile alla tensione nella sezione di circuito di stoccaggio di energia e al secondo segnale dal secondo trasduttore RF2DC.
In una o più forme di attuazione, il comparatore può comprendere un comparatore con isteresi configurato per cambiare stato a una estremità superiore e a un'estremità inferiore di un intervallo di isteresi intorno a detto punto di impostazione di tensione (per esempio, Voc/2).
In una o più forme di attuazione, il secondo trasduttore RF2DC può comprendere una replica in scala ridotta del primo generatore, preferibilmente con un fattore di scala uguale a 2.
Una o più forme di attuazione possono comprendere un sistema, comprendente:
almeno una antenna a radiofrequenza (per esempio, RX; RX1, RX2) configurata per rilevare un segnale RF (per esempio, Vplus, Vminus),
almeno un circuito (per esempio, 10) secondo una o più forme di attuazione essendo detto primo trasduttore RF2DC (per esempio, 12) accoppiato (per esempio, 120, 140; 124) a detta almeno una antenna a radiofrequenza per ricevere da essa detto primo segnale (per esempio, Vplus, Vminus), un carico elettrico (per esempio, ZL) accoppiato al nodo di uscita (per esempio, 18c) del circuito da cui esso è alimentato.
In una o più forme di attuazione, il sistema può presentare detto secondo trasduttore RF2DC accoppiato a detta almeno una antenna a radiofrequenza per ricevere da essa detto primo segnale.
Una o più forme di attuazione possono comprendere un procedimento, comprendente:
fornire almeno una antenna di rilevamento RF (per esempio, RX; RX1, RX2),
ricevere un primo segnale (per esempio, Vplus, Vminus) attraverso un primo trasduttore RF2DC) (per esempio, 12) accoppiato a detta almeno una antenna di rilevamento RF, fornire una sezione di circuito di stoccaggio di energia (per esempio, CL) accoppiata al primo trasduttore RF2DC e alimentata da esso con il primo segnale, trasferire l'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia verso un nodo di uscita (per esempio, 18c) attraverso un circuito di trasferimento di energia (per esempio, 18) commutato in modo controllabile (per esempio, 16) tra uno stato di stoccaggio di energia del primo segnale dal primo trasduttore RF2DC nella sezione di circuito di stoccaggio di energia e uno stato di trasferimento di energia dell'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia verso il nodo di uscita, in cui la tensione (per esempio Vout) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia varia alternativamente tra un valore superiore (per esempio, Vh) e un valore inferiore (per esempio, Vl) intorno a un punto di impostazione di tensione (per esempio, Voc/2), produrre un secondo segnale (per esempio Vocs) mediante un secondo trasduttore RF2DC (per esempio, 14) comprendente una replica in scala ridotta del primo trasduttore RF2DC (per esempio, 12), il secondo segnale essendo indicativo della tensione di circuito aperto del primo trasduttore RF2DC, e
impostare detto punto di impostazione di tensione in funzione del secondo segnale dal secondo trasduttore RF2DC indicativo della tensione di circuito aperto (per esempio, Voc) del primo generatore.
In una o più forme di attuazione, il procedimento può comprendere ricevere un primo segnale (per esempio, Vplus, Vminus) attraverso il secondo trasduttore RF2DC accoppiato a detta almeno una antenna di rilevamento RF per ricevere da essa detto primo segnale.
Si comprenderà d'altra parte che le varie singole opzioni di implementazione esemplificate attraverso le figure che accompagnano questa descrizione non sono necessariamente destinate a essere adottate nelle stesse combinazioni esemplificate nelle figure. Una o più forme di attuazione possono così adottare queste opzioni (altrimenti non imperative) individualmente e/o in combinazioni differenti rispetto alla combinazione esemplificata nelle figure allegate.
Senza pregiudizio per i principi sottostanti, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche significativamente, rispetto a ciò che è stato descritto solo a titolo di esempio, senza allontanarsi dalla estensione di protezione. L'estensione di protezione è definita dalle rivendicazioni allegate.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di raccolta di energia (10), comprendente: - un primo trasduttore radiofrequenza a continua, RF2DC (12), configurato per ricevere un primo segnale (Vplus, Vminus) da almeno una antenna di rilevamento a radiofrequenza (RX; RX1, RX2), - una sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) accoppiata al primo trasduttore RF2DC (12) e da esso alimentata con il primo segnale (Vplus, Vminus), - un circuito di trasferimento di energia (18) accoppiato alla sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) e configurato per trasferire verso un nodo di uscita (18c) l'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL), - un circuito di pilotaggio (16) accoppiato al circuito di trasferimento di energia (18), il circuito di pilotaggio (16) configurato per commutare in modo controllabile il circuito di trasferimento di energia (18) tra uno stato di stoccaggio di energia del primo segnale (Vplus, Vminus) dal primo generatore (12) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) e uno stato di trasferimento di energia dell'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) verso il nodo di uscita (18c), la tensione (Vout) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) essendo variabile in modo alternato tra un valore superiore (Vh) e un valore inferiore (Vl) intorno a un punto di impostazione di tensione (Voc/2), e - un secondo trasduttore RF2DC (14) comprendente una replica in scala ridotta del primo trasduttore RF2DC (12), il secondo trasduttore RF2DC (14) configurato per produrre un secondo segnale (Vocs) indicativo della tensione di circuito aperto (Voc) del primo trasduttore RF2DC (12), il secondo trasduttore RF2DC (14) accoppiato al circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18), in cui il circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18) è sensibile al secondo segnale (Vocs) dal secondo trasduttore RF2DC (14), detto punto di impostazione di tensione (Voc/2) essendo impostato in funzione del secondo segnale (Vocs) dal secondo trasduttore RF2DC (14) indicativo della tensione di circuito aperto (Voc) del primo trasduttore RF2DC (12).
  2. 2. Circuito (10) secondo la rivendicazione 1, in cui: - il primo trasduttore RF2DC comprende un primo moltiplicatore di tensione (122) configurato per essere accoppiato a detta almeno una antenna di rilevamento a radiofrequenza (RX; RX1, RX2) e al circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18), e - il secondo trasduttore RF2DC comprende un secondo moltiplicatore di tensione (142) configurato per essere accoppiato al circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18), con una tensione di uscita (Vocs) da detto secondo trasduttore RF2DC (142) accoppiata al circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18).
  3. 3. Circuito (10) secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il circuito di pilotaggio (16) del circuito di trasferimento di energia (18) comprende un comparatore (16) accoppiato alla sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) e al secondo trasduttore RF2DC (14), il comparatore (16) essendo sensibile alla tensione (Vout) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) e al secondo segnale (Vocs) dal secondo trasduttore RF2DC (14).
  4. 4. Circuito (10) secondo la rivendicazione 3, in cui il comparatore (16) comprende un comparatore con isteresi configurato per cambiare stato a un'estremità superiore e a un'estremità inferiore di un intervallo di isteresi intorno a detto valore di impostazione di tensione (Voc/2).
  5. 5. Circuito (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il secondo trasduttore RF2DC (14) comprende una replica in scala ridotta del primo generatore (12), preferibilmente con un fattore di scala uguale a 2.
  6. 6. Sistema, comprendente: almeno una antenna a radiofrequenza (RX; RX1, RX2) configurata per rilevare un segnale RF (Vplus, Vminus), almeno un circuito (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni che presenta detto primo trasduttore RF2DC (12) accoppiato (120, 140; 124) a detta almeno una antenna a radiofrequenza (RX; RX1, RX2) per ricevere da essa detto primo segnale (Vplus, Vminus), un carico elettrico (ZL) accoppiato al nodo di uscita (18c) del circuito (10) da cui esso viene alimentato.
  7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, essendo detto secondo trasduttore RF2DC (12) accoppiato (120, 140; 124) a detta almeno una antenna a radiofrequenza (RX; RX1, RX2) per ricevere da essa detto primo segnale (Vplus, Vminus).
  8. 8. Procedimento, comprendente: fornire almeno una antenna di rilevamento a radiofrequenza (RX; RX1, RX2), ricevere un primo segnale (Vplus, Vminus) attraverso un primo trasduttore RF2DC (12) accoppiato a detta almeno una antenna di rilevamento RF (RX; RX1, RX2), fornire una sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) accoppiata al primo trasduttore RF2DC (12) e alimentata con il primo segnale (Vplus, Vminus) da esso, trasferire l'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) verso un nodo di uscita (18c) attraverso un circuito di trasferimento di energia (18) commutato in modo controllabile (16) tra uno stato di stoccaggio di energia del primo segnale (Vplus, Vminus) dal primo trasduttore RF2DC (12) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) e uno stato di trasferimento di energia dell'energia stoccata nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) verso il nodo di uscita (18c), in cui la tensione (Vout) nella sezione di circuito di stoccaggio di energia (CL) varia alternativamente tra un valore superiore (Vh) e un valore inferiore (Vl) intorno a un punto di impostazione di tensione (Voc/2), produrre un secondo segnale (Vocs) mediante un secondo trasduttore RF2DC (14) comprendente una replica in scala ridotta del primo trasduttore RF2DC (12), il secondo segnale (Vocs) essendo indicativo della tensione di circuito aperto (Voc) del primo trasduttore RF2DC (12), e impostare detto punto di impostazione di tensione (Voc/2) in funzione del secondo segnale (Vocs) dal secondo trasduttore RF2DC (14) indicativo della tensione di circuito aperto (Voc) del primo generatore (12).
  9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente ricevere un primo segnale (Vplus, Vminus) attraverso il secondo trasduttore RF2DC (12) accoppiato (120, 140; 124) a detta almeno una antenna di rilevamento RF (RX, RX1, RX2) per ricevere da essa detto primo segnale (Vplus, Vminus).
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