Una sintetica descrizione di alcune soluzioni innovative che i progettisti possono utilizzare fin da ora per migliorare la sostenibilità.
Una delle tematiche più discusse su scala mondiale è senza dubbio la sostenibilità. I progettisti stanno scoprendo numerose soluzioni e innovazioni tecnologiche che possono contribuire a migliorare lo scenario attuale. Per riuscire a creare una struttura industriale più sostenibile, i risultati combinati di questi miglioramenti di natura iterativa rappresentano un valido ausilio.
L’industria elettronica riveste un ruolo importante per quanto concerne lo sviluppo di soluzioni, il miglioramento dell’efficienza e la riduzione degli sprechi o della manutenzione non necessaria. In questo articolo verranno illustrate cinque soluzioni all’avanguardia che i progettisti possono utilizzare per creare prodotti finali più sostenibili grazie alle migliorie apportate a livello di generazione di potenza, processi di sviluppo, rilevamento, manutenzione e comunicazione.
I pilastri della sostenibilità
Con oltre 15 miliardi di dispositivi IoT (Internet of Things), le soluzioni per l’accumulo di energia riutilizzabile abbinate a tecniche di ricarica più efficienti possono contribuire a incrementare il livello di sostenibilità del mercato IoT.
L’innovativo NEH2000BYJ (Figura 1) di Nexperia è un circuito integrato per la gestione della potenza (PMIC – Power Management IC) in grado di immagazzinare una potenza compresa tra 0,035 e 2 mW generata da celle fotovoltaiche (PV). Questo circuito integrato utilizza un controllore MPPT (Maximun Power Point Tracking) avanzato che include un algoritmo di ricerca locale (hill climbing) per un’erogazione ottimale della potenza ed è compatibile con qualsiasi dispositivo per l’accumulo di energia (harvester) che soddisfi le specifiche del chip, assicurando la massima flessibilità nella scelta dei componenti.
Figura 1: Il PMIC NEH2000BY di Nexperia (Fonte: Mouser Electronics)
Ospitato in un package di dimensioni ridotte, pari a soli 3 x 3 mm, questo PMIC richiede una distinta base più ridotta rispetto ad analoghe opzioni disponibili sul mercato. Esso non prevede il ricorso a un induttore esterno e richiede un numero minimo di componenti passivi di supporto, con conseguente ulteriore riduzione della quantità di componenti necessari. Abbinato a una cella fotovoltaica e a una batteria al litio, NEH2000BYJ permette di realizzare prodotti che non richiedono batterie monouso o alimentatori fissi, ma fonti ricaricabili alimentate dall’energia ambientale.
- Vantaggi: contribuisce ad alimentare prodotti elettronici a basso consumo in modo sostenibile e a ridurre la distinta di base.
- La soluzione ideale per: dispositivi IoT/IIoT wireless, dispositivi di controllo remoti, etichette elettroniche, componenti per il monitoraggio ambientale, industriale e numerose altre soluzioni a basso consumo.
In base ai dati di uno studio finanziato dall’Unione Europea, entro il 2025 verranno gettate giornalmente ben 78 milioni di batterie utilizzate nei dispositivi IoT se non verranno introdotte migliorie finalizzate ad aumentarne la durata. Una soluzione innovativa sviluppata da Qoitech si pone l’obiettivo di migliorare il processo di selezione e la durata delle batterie attraverso uno sviluppo più accurato del sistema. Otii Arc Pro di Qoitech (Figura 2) è un tool completo per l’ottimizzazione dei consumi abbinato a una suite software ad alte prestazioni che mette a disposizione dei progettisti un profilatore di potenza (per la stima dei consumi) estremamente accurato, un analizzatore di energia in DC, un alimentatore, un multimetro digitale, un’unità SMU (Source Measure Unit) e un debugger di potenza. Tra le caratteristiche principali da annoverare la risoluzione di misura della corrente di 5 nA, la presenza di un convertitore A/D (ADC) con risoluzione di 24 bit con commutazione automatica tra gli intervalli e una velocità di campionamento massima di 4 kSps, che assicura un’acquisizione precisa dei dati.
Figura 2: Il tool Otii Arc Pro di Qoitech (Fonte: Qoitech)
L’utilizzo di Otii Arc Pro e del relativo software permette ai progettisti di implementare i loro processi di sviluppo in modo più intelligente e approfondito, minimizzare i tempi richiesti per la realizzazione delle loro soluzioni e migliorare i progetti attraverso un’ottimizzazione più spinta della gestione della batteria e dei consumi del sistema. Otii Arc Pro consente di scegliere in modo veloce e accurata la batteria e di calcolare la sua durata, nonché di ridurre i consumi complessivi attraverso un’analisi del consumo reale dei componenti. Il risultato è la possibilità di ridurre il consumo energetico del dispositivo e di garantire che le batterie vengano utilizzate il più a lungo possibile, riducendo in tal modo gli sprechi.
- Vantaggi: ottimizzazione del funzionamento della batteria e aumento dell’efficienza del progetto grazie alla maggiore accuratezza in fase di sviluppo.
- La soluzione ideale per progettare hardware, firmware e software efficienti dal punto di vista energetico attraverso test di regressione, sviluppare sistemi alimentati a batteria e migliorare il consumo energetico di microcontrollori, sensori e dispositivi in tempo reale.
All’aumentare della diffusione della robotica e dell’automazione, un numero sempre maggiore di soluzioni richiede l’integrazione di funzionalità di rilevamento spaziale accurate. Dalle autovetture ai robot di fabbrica, dai tosaerba agli aspirapolvere robotizzati, innumerevoli prodotti in tutto il mondo devono poter fare affidamento sulla consapevolezza spaziale e possono trarre vantaggio dalla disponibilità di soluzioni di rilevamento a basso consumo energetico.
Una soluzione interessante per il rilevamento radar a onde millimetriche ad alta efficienza è il radar coerente pulsato A121 (Figura 3) di Acconeer. Utilizzando la tecnologia PCR (Pulsed Coherent Radar) brevettata dalla società, questo radar a elevata precisione operante a 60 GHz assicura una risoluzione dell’ordine dei picosecondi e può operare su distanze fino a 20 metri. Nonostante il rilevamento radar di precisione e i bassissimi consumi siano caratteristiche in contrasto tra di loro, il progetto ottimizzato di Acconeer è in grado di garantire entrambi questi vantaggi.
Figura 3: Il radar coerente a impulsi A121 di Acconeer (Fonte: Mouser Electronics)
Ospitato in un package di dimensioni pari a 29 x 29 mm, il radar A121 integra la bandabase, il front end RF e l’antenna per ridurre numero di componenti e costo della distinta base. Un package di questo tipo semplifica l’integrazione del sensore in qualsiasi progetto di dispositivo portatile alimentato a batteria, mentre la corrente di funzionamento, dell’ordine dei micro o nano Ampere a seconda del profilo di misura, consente di prolungare la durata della batteria e ridurre il consumo energetico del sistema per un’ampia gamma di applicazioni a basso consumo.
- Vantaggi: mette a disposizione un radar a onde millimetriche caratterizzato da bassi consumi che consente di ridurre la distinta di base.
- La soluzione ideale per sistemi di rilevamento del movimento, misure di elevata precisione, rilevamento e classificazione dei materiali, tracciamento degli oggetti, controllo dei gesti e monitoraggio dei parametri vitali in applicazioni medicali.
Poiché, su scala mondiale, oltre il 40% dell’energia viene consumata dai motori elettrici, assicurarne il funzionamento ottimale e la corretta manutenzione è di fondamentale importanza per sostenere gli sforzi legati alla sostenibilità.
Una soluzione è rappresentata dalla piattaforma di sviluppo CbM (Condition based Monitoring) CN0549 di Analog Devices (Figura 4). Utilizzando i dati di un accelerometro MEMS ad estesa ampiezza di banda disponibili in formato IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric), CN0549 consente di acquisire e analizzare in modo intelligente le vibrazioni e le frequenze armoniche dei motori elettrici.
Figura 4: La piattaforma di sviluppo CbM CN0549 di Analog Devices
(fonte: Mouser Electronics)
Nel momento in cui viene abbinata con sistemi di apprendimento automatico (ML – Machine Learning) di apparecchi DAQ (Data Acquisition) ad alte prestazioni come, ad esempio, MATLAB, i dataset di grandi dimensioni acquisiti da CN0549 possono essere utilizzati per generare algoritmi CbM molto efficaci in grado di rilevare eventuali problemi di funzionamento dei motori elettrici in anticipo rispetto all’utilizzo delle tradizionali tecniche di manutenzione. Ciò può contribuire ad aumentare l’efficacia delle operazioni di manutenzione, assicurando che i motori elettrici funzioni sempre nel modo più efficiente possibile. Interventi di manutenzione precoci possono anche attenuare il rischio che si verifichino guasti di maggiore entità, riducendo ulteriormente lo spreco di materiale grazie all’eliminazione della necessità di sostituire i componenti danneggiati.
- Vantaggi: conferisce doti di intelligenza alla manutenzione preventiva, garantendo un funzionamento il più efficiente possibile dei sistemi azionati da motori elettrici e riducendo la necessità di sostituire i componenti.
- La soluzione ideale per motori elettrici, robotica, sistemi automatizzati, monitoraggio basato sulle condizioni, sistemi per il controllo di motori e gestione del volo, soluzioni avioniche.
A causa dell’aumento dei livelli di intelligenza e connettività dei prodotti elettronici, un numero sempre maggiore di dispositivi è equipaggiato con moduli di comunicazione che permettono la connessione con reti di ampie dimensioni e servizi cloud. Una gestione efficiente delle comunicazioni wireless può contribuire a ridurre drasticamente il consumo di energia di un prodotto, sia in stand-by sia durante il funzionamento.
Il SoC (System-on-Chip) multiprotocollo nRF52840 (Figura 5) di Nordic Semiconductor è una soluzione su chip singolo flessibile e a bassissimo consumo ideale per applicazioni wireless su brevi distanze. Questo SoC supporta contemporaneamente i protocolli Bluetooth 5.4 a 2,4 GHz, Bluetooth LE (Low Energy), 802.15.4, Thread, Zigbee e ANT/ANT+.
Figura 5: Il SoC multiprotocollo nRF5284 di Nordic Semiconductor
(Fonte: Mouser Electronics)
Il sofisticato sistema per la gestione della potenza presente a bordo di nRF52840 prevede funzionalità di gestione della potenza di tipo adattativo e automatizzato per garantire consumi estremamente contenuti. Tali funzionalità interessano tutti gli aspetti del funzionamento del dispositivo, dalla commutazione dell’alimentazione alla gestione della memoria e dei bus periferici fino ad arrivare allo shutdown (arresto graduale) automatizzato che permette di disattivare tutte le periferiche ad eccezione di quelle strettamente necessarie per svolgere un determinato compito (task). Nella sotto-modalità predefinita a basso consumo, l’assorbimento di corrente è di soli 1,5 µA, che si riduce a 0,4 µA in stand-by.
L’utilizzo di nRF52840 consente ai progettisti di sviluppare design in grado di connettersi in maniera affidabile sfruttando una molteplicità di protocolli wireless con consumi nettamente inferiori rispetto al passato.
- Vantaggi: permette la comunicazione in modalità wireless con consumi bassissimi utilizzando un’ampia gamma di protocolli.
- La soluzione ideale per dispositivi indossabili connessi, fitness tracker, dispositivi di pagamento, prodotti VR/AR e dispositivi IoT, IIoT e per intrattenimento di tipo interattivo.
Considerazioni conclusive
Una maggiore sostenibilità non è frutto di una singola azione significativa, ma può essere il risultato di una combinazione di migliaia di cambiamenti di minore entità che, insieme, danno vita a un cambiamento di notevole entità. Grazie a una selezione più intelligente dei componenti, all’adozione di processi di sviluppo più approfonditi e all’utilizzo di tecniche di manutenzione mirate, il settore dell’elettronica può contribuire a ridurre il consumo di energia e il fabbisogno di materie prime attraverso una maggiore integrazione, programmi di manutenzione e progetti miniaturizzati.
I pilastri della sostenibilità descritti in questo articolo si presentano sotto forma di una gamma diversificata di prodotti e soluzioni il cui utilizzo consente di apportare miglioramenti sia attraverso un’innovazione significativa sia mediante progressi di natura iterativa. Questi componenti e sistemi possono essere utilizzati fin da subito dai progettisti per migliorare la sostenibilità dei loro futuri progetti.
di Mark Patrick, Mouser Electronics
