Piața mondială a produselor purtabile a înregistrat o creștere puternică în ultimul deceniu, deoarece semiconductoarele utilizate pentru fabricarea acestor produse au devenit mai rapide și mai puternice, în timp ce dimensiunile și consumul lor de energie au scăzut considerabil. În pofida încetinirii ritmului de creștere în unele domenii, cum ar fi ceasurile inteligente sau sport, se preconizează că piața produselor purtabile va ajunge la aproape 60 de miliarde de dolari până în 2022. Începând cu primele dispozitive de urmărire a activității – lansate de FitBit (printre alții) în urmă cu peste 10 ani – gama dispozitivelor purtabile inteligente disponibile pe piață a crescut exponențial.
În prezent, există o mare varietate de produse purtabile disponibile pe piață, pornind de la clasicul ceas inteligent, continuând cu o mare varietate de produse purtabile pentru sport, cum ar fi dispozitivele de urmărire a activității fizice, pantofii și tălpile inteligente și monitoarele de ritm cardiac și ajungând la produse mai ezoterice, cum ar fi ochelarii inteligenți, exemplificați de Google Glass. Articolele purtabile orientate către sănătate devin, de asemenea, o piață din ce în ce mai importantă, deoarece ne dorim cu toții să ducem o viață mai sănătoasă, iar apariția coronavirusului a dat un nou impuls acestui domeniu. Multe dintre aceste produse au ajuns pe piață, dar au dispărut rapid, deoarece tehnologia disponibilă la momentul respectiv era insuficientă pentru a realiza un produs cu adevărat utilizabil.
Nu cred că consumatorii din ziua de azi ar accepta o celulă solară mare și inflexibilă în jurul pălăriei, așa cum se vede în imagine. Totuși, actuala generație de celule solare eficiente și flexibile poate furniza suficientă energie dintr-o zonă mică a pălăriei pentru a alimenta un produs. De asemenea, ansamblurile electronice de astăzi, care utilizează cele mai noi soluții de încapsulare la nivel de cip, devin din ce în ce mai mici și pot încăpea confortabil într-o pălărie sau în alte articole de îmbrăcăminte, fără a provoca disconfort utilizatorului. În imagine este prezentat un senzor de mediu (având aproape aceeași dimensiune ca a monedei de 1 euro) bazat pe noul microcontroler RE de la Renesas, disponibil într-o capsulă WLBGA mai mică de 4 mm2. Acesta este capabil să măsoare o varietate de proprietăți fizice și să efectueze calcule complexe folosind doar puterea generată de o celulă solară de mici dimensiuni, care ar putea fi țesută acum în materialul pălăriei.
Aceste progrese tehnologice vor începe să facă utilizarea recoltării de energie mai răspândită, nu doar a energiei fotovoltaice, ci și a altor tehnologii de recoltare, cum ar fi generatoarele termoelectrice și dispozitivele de recoltare a energiei din vibrații. Acest lucru va permite ca recoltarea energiei să devină o metodă viabilă nu numai pentru a menține încărcate bateriile, ci poate chiar și pentru a elimina complet bateria.
Fiecare proiectant al unui produs portabil trebuie să găsească un echilibru între exigențele de bază: asigurarea un nivel suficient de performanță de procesare pentru a face față cerințelor aplicației, atât pentru prezent, cât și pentru viitor; gestionarea cerințelor de putere ale senzorilor asociați și ale altor componente externe, precum tehnologia radio cu consum redus de putere; și un consum de putere cât mai mic posibil. Toate acestea, cu menținerea (în același timp) a celui mai mic factor de formă posibil, permițând integrarea în produs a tuturor componentelor relevante, inclusiv a sursei de energie. Factorul de formă al bateriei în raport cu capacitatea necesară a bateriei este adesea una dintre cele mai dificile probleme de proiectare, fiind totodată și cea care influențează cel mai mult succesul (sau nu) al unui produs. Un dispozitiv portabil trebuie să poată fi purtat cu adevărat și să fie confortabil, altfel nimeni nu va dori să poarte pălăria mea.
Cerința esențială (implicită) pentru un articol purtabil se bazează pe confortul utilizatorului. Produsul trebuie să fie mic și discret. Aproape întotdeauna, cel mai mare obstacol în calea realizării unui produs cât mai mic posibil este bateria, atât în ceea ce privește dimensiunea, cât și, adesea, forma ei. Multe produse purtabile nu au un factor de formă care să suporte cu ușurință o baterie tipică AAA sau o baterie de tip monedă. Este greu de imaginat integrarea unei astfel de componente în rama unei perechi de ochelari sau în ceva pe care îl porți la braț, așa că, de multe ori, este necesară fie o baterie mai mică decât cea optimă, fie o baterie cu un factor de formă personalizat, ceea ce poate duce la un produs mai scump. Atunci când ne gândim la baterie, trebuie să luăm în considerare și alte constrângeri.
Siguranța trebuie să fie o preocupare majoră pentru orice produs, în special pentru produsele care sunt destinate a fi purtate de copii sau chiar de animale. Un bun exemplu în acest sens este noua generație de plasturi inteligenți care sunt dezvoltați în principal pentru aplicații medicale, pentru a monitoriza o serie de afecțiuni. În cazul lor, senzorul este purtat în contact cu pielea și, prin urmare, există reglementări foarte precise cu privire la materialele și tehnologiile ce pot fi utilizate. Câteva dintre cele mai eficiente tehnologii de baterii pot ridica probleme în aceste cazuri, deoarece unele dintre materialele utilizate nu pot fi considerate sigure în aceste aplicații. Ce se întâmplă dacă un copil mic ingerează unele dintre aceste materiale?
Acest aspect trebuie luat în considerare în proiectare și în alegerea bateriilor și a altor materiale din proiect. Dacă nu luăm în considerare aceste aspecte și nu gestionăm cu atenție materialul bateriei, pot apărea evenimente nefericite. Recent, în Regatul Unit, un purceluș care purta un dispozitiv electronic de urmărire “a demonstrat” impactul pe care îl poate avea alegerea nefericită a unei baterii pentru un dispozitiv de urmărire.
La o fermă de porci din nordul Angliei a avut loc un incendiu de proporții. După incendiu, BBC a relatat că focul a fost cauzat de un porc care a mâncat un dispozitiv de urmărire. Porcii de la fermă purtau dispozitive de urmărire pentru a le înregistra mișcările și a valida faptul că erau animale crescute în libertate. Acest dispozitiv electronic de urmărire s-a desprins și a căzut pe jos, unde a fost mâncat de un alt porc, iar prin ruperea lui, a dat foc fermei. Deși amuzant (nu și pentru porc), acesta este un exemplu privind pericolele neașteptate care pot fi provocate de anumite tipuri de baterii, deoarece materialele folosite sunt adesea nocive și periculoase. Și asta înainte de a ne referi la problemele legate de durata de viață limitată a multor tehnologii de baterii și la dificultățile legate de transportul internațional al produselor care conțin baterii.
Un subiect fierbinte al zilelor noastre – acum când încercăm cu toții să ne revenim după situația provocată de noul coronavirus – este utilizarea dispozitivelor medicale purtabile pentru a ne testa și a detecta dacă am fost infectați de virus și, mai important, dacă putem fi contagioși și reprezentăm un pericol pentru ceilalți. În prezent, există o varietate de produse diferite care sunt dezvoltate pentru a examina diverse semne fizice de infecție, iar multe dintre aceste dezvoltări se concentrează pe temperatură și pe nivelul de oxigen din sânge. Pe măsură ce virusul afectează mai mult și mai des persoanele în vârstă, piața pentru multe dintre aceste dispozitive va fi reprezentată de generația mai în vârstă. Totodată, cei trecuți de 60 de ani reprezintă generația cea mai predispusă să uite să-și încarce dispozitivele purtabile, ceea ce este deosebit de îngrijorător în situația actuală.
Un pulsoximetru simplu
Așadar, este vital ca atunci când începem să dezvoltăm produse pentru detectarea virusului, acestea trebuie să funcționeze corect și fiabil. Recoltarea energiei poate juca un rol important în creșterea fiabilității acestor produse și în facilitarea utilizării lor, oferind o metodă de a menține produsul încărcat și operațional pentru perioade lungi de timp.
În prezent, soluțiile de recoltare a energiei pot furniza o cantitate surprinzător de mare de energie, iar o celulă solară standard de 25 cm2 va furniza aproximativ 150 µW în condiții tipice de lumină scăzută (de interior), cum ar fi cele întâlnite într-o zi înnorată (un nivel de iluminare de aproximativ 200 Lux). Una dintre noile generații de celule solare optimizate pentru interior poate furniza până la 60 µW/cm2, iar cele mai recente generatoare termoelectrice (TEG) pot furniza niveluri de energie similare la o diferență de temperatură de câteva grade µC. Dacă sunt gestionate corect, aceste niveluri de energie sunt suficiente pentru a alimenta un sistem complet care, de exemplu, poate măsura intermitent temperatura și conținutul de umiditate al pielii (detectarea transpirației). De asemenea, ar putea rula algoritmi de detectare a saturației de oxigen în sânge, ar putea efectua calcule complexe și ar putea furniza energie pentru un radio de mică putere, care să partajeze informațiile rezultate.
Un electrocardiograf portabil
Sistemele mai mari și mai complexe pot necesita mai multă energie, însă ne putem imagina cu ușurință produse precum un electrocardiograf portabil care ar putea fi alimentat de un TEG, purtat pe corp. O diferență semnificativă între temperatura aerului ambiant și temperatura corpului ar putea fi suficientă pentru a alimenta componentele electronice, rezultând un sistem mult mai flexibil, capabil să înregistreze comportamentul inimii pacientului pentru o perioadă de timp considerabilă, fără o baterie voluminoasă, rezultând un produs suplu, ușor de purtat și fără a necesita întreținere.
Pentru a sprijini aceste aplicații, Renesas a dezvoltat o nouă familie de controlere embedded destinate în mod special pentru a permite aplicații care vor utiliza recoltarea de energie fie pentru a suplimenta și reîncărca o baterie secundară, fie chiar pentru a o înlocui. Familia RE01 a fost implementată pe tehnologia cu consum ultra-redus de putere – Silicon on Thin Buried Oxide – (proprietară Renesas) care oferă o combinație unică de putere ultra-redusă activă și de standby, menținând în același timp nivelurile ridicate de performanță de procesare, solicitate frecvent în aplicațiile cu dispozitive purtabile. RE01 obține cel mai ridicat scor de referință dintre toate dispozitivele embedded de uz general în cadrul criteriului de referință EEMBC ULP-CP, cu un scor de 705.
Una dintre primele companii care a profitat de utilizarea acestor noi dispozitive în cadrul unei aplicații purtabile este Casio, în noua sa generație de ceasuri G-Shock. Casio și Renesas au anunțat recent că RE01 este utilizat în următoarea generație de ceasuri Casio G-Shock, care adaugă o varietate de caracteristici noi acestei mărci populare. Casio a ales RE01 drept controler principal datorită combinației sale de curent activ și de standby redus, abilității sale de a rula la 64 MHz la cea mai joasă tensiune și a caracteristicilor sale unice care susțin aplicațiile pentru ceasuri, cum ar fi display-ul Memory in Pixel și funcțiile de ceas cu corecție automată și cu consum de putere ultra-redus. G-Shock utilizează celule solare mici pentru a ajuta la păstrarea bateriei încărcate, așadar controlerul de recoltare a energiei de pe cip a reprezentat o funcție foarte importantă, precum și abilitatea de a obține toate aceste funcționalități într-o capsulă foarte mică – WLBGA – cu 156 de pini (amănunt extrem de important pentru inginerii care au proiectat noul G-Shock).
Industria ceasurilor inteligente, alături de mulți alți producători de dispozitive purtabile, se străduiește să ofere caracteristicile dorite de clienți la un buget energetic restricționat. O problemă esențială, care apare în mod repetat, este inabilitatea utilizatorului de a-și aminti să-și încarce bateria. În prezent, pentru a avea succes, un ceas inteligent trebuie să ofere o funcționalitate de bază, chiar și atunci când utilizatorul uită să încarce sau să schimbe bateria. Pentru generația Facebook, dacă aceasta nu-și poate împărtăși activitatea și numărul de pași pe rețelele de socializare, înseamnă că nu s-a întâmplat nimic, așa că, dacă uită să își încarce ceasul, iar pașii nu le sunt numărați, produsul este considerat efectiv inutil. Așa că, în prezent, producătorii de ceasuri se străduiesc ca această caracteristică mai avansată să fie integrată în produsele lor. Dispozitivele de recoltare a energiei și cele cu consum ultra-redus de putere, cum ar fi RE01, pot fi de ajutor în acest caz, deoarece recoltarea energiei poate fi utilizată pentru a încărca (intermitent*) bateriile secundare. Utilizarea dispozitivului RE01 reduce la minimum puterea consumată în timpul operării și poate ajuta, de asemenea, la managementul puterii utilizate de alte componente. Această poveste este valabilă și pentru alte produse purtabile, deoarece recoltarea energiei poate contribui atât la asigurarea unui nivel de funcționalitate de bază, cât și la păstrarea bateriei în stare încărcată, folosind energia ambientală disponibilă din mediul înconjurător.
Nota red.: Încărcarea intermitentă* (în engleză trickle-charge) este încărcarea unui acumulator (baterie) pentru a compensa autodescărcarea acestuia, cu scopul de a menține bateria într-o stare de încărcare completă.
RE01, implementat pe baza unui proces tehnologic cu consum ultra-redus de putere, este capabil să funcționeze la o tensiune joasă, fără a consuma aproape niciun pic de putere și integrează un controler pentru recoltarea de energie. Aceste dispozitive sunt disponibile în capsule WLBGA extrem de mici. Modelele de 256 Kbyte sunt disponibile într-o capsulă compactă de 3,16 × 2,88 mm2, dar și în variantele standard LQFP și QFN. RE01 consumă mai puțin de 25 uA / MHz în modul activ și 100 nA în modul standby.
RE01 are o arhitectură unică de alimentare cu domenii multiple de putere interne și externe, capabilă să funcționeze la o varietate de tensiuni de operare și oferă abilitatea de a rula până la 64 MHz la tensiune joasă. Totodată, dispozitivul este prevăzut cu o gamă largă de periferice utile integrate în cip, inclusiv un convertor analogic-digital pe 14-biți cu consum ultra redus de putere, care poate eșantiona date în timp ce întregul cip consumă mai puțin de 4 μA. Aceste caracteristici permit ca RE01 să fie ideal pentru o gamă largă de aplicații pentru dispozitive purtabile.
O cerință esențială a multora dintre dispozitivele purtabile din generația următoare este de a încerca să suplimenteze cantitățile mici de energie de la bateriile cu dimensiuni limitate prin utilizarea recoltării de energie pentru a încărca continuu bateria sau chiar pentru a o elimina. RE01 integrează un controler unic de recoltare a energiei, care permite o gestionare ușoară a bateriilor secundare, precum și alimentarea cu energie pentru senzorii și dispozitivele radio externe, alcătuind un design complet care se potrivește unei amprente reduse.
Deși este posibil ca în viitorul apropiat să nu vedem celule solare sau alte surse de alimentare cu recoltare de energie pe pălăria mea, recoltarea de energie poate oferi unele beneficii semnificative pentru următoarea generație de dispozitive purtabile. Utilizarea recoltării energiei poate ajuta la menținerea bateriei în stare încărcată, poate oferi o sursă de alimentare pentru o serie de funcțiuni de bază atunci când bateria este descărcată și, de asemenea, poate contribui la reducerea factorului de formă și a greutății oricărui dispozitiv purtabil.
Microcontrolerul RE poate activa aplicații purtabile care utilizează recoltarea de energie, oferind o soluție compactă cu un consum ultra redus de putere, care poate gestiona micile cantități de energie furnizate, tipic, de o sursă de recoltare a energiei și poate menține încărcată o baterie secundară sau chiar poate anula complet nevoia utilizării unei baterii. Primii membri ai familiei RE sunt disponibili acum în cantități de serie. Mai multe informații sunt disponibile la www.renesas.com/SOTB.
Autor:
Graeme Clark, Inginer principal, Renesas Electronics
Graeme Clark este alături de Renesas Electronics Europe de peste 20 de ani, fiind implicat în domeniul microcontrolerelor de joasă putere și ocupând o variate de funcții în tot acest timp. Acum, este responsabil cu lansarea pe piața Europeană a noilor controlere embedded bazate pe tehnologia SOTB. Înainte de Renesas, Graeme a lucrat pentru Hitachi Electronics.
Renesas Electronics Europe | https://www.renesas.com
