Exploiter l'énergie ambiante pour les applications basse consommation

Les applications de récupération d'énergie sont en plein essor. L'investissement du gouvernement américain dans les énergies propres et les 400 milliards de dollars investis par le secteur privé dans la production d'énergie propre, les véhicules électriques et les batteries ont suscité beaucoup d'attentionⁱ. Les marchés en plein essor des applications de récupération d'énergie basse consommation pour l'IoT, les dispositifs corporels et les dispositifs biomédicaux tels que les implants sont moins mis en avant.ⁱⁱ

La demande d'applications de stockage d'énergie hautement efficaces, fiables et compactes met en évidence le potentiel de l'exploitation de l'énergie ambiante pour remplacer ou compléter les batteries rechargeables des dispositifs basse consommation. Ces applications de récupération d'énergie promettent un fonctionnement potentiellement infini sans avoir à remplacer les batteries, ce qui peut réduire considérablement les déchets écologiques.

L'énergie solaire récupérée peut alimenter des dispositifs corporels, des appareils de communication, des capteurs distants ou difficiles d'accès, ainsi qu'une grande variété de dispositifs intelligents dans les environnements commerciaux, industriels et résidentiels. Mais les concepteurs peuvent également exploiter d'autres sources d'énergie ambiante, notamment les variations de température, les mouvements, les vibrations, les ondes radio et les sons acoustiques.

Relever les défis de conception

La taille et la gestion de l'alimentation sont des défis critiques dans la conception de dispositifs mobiles, distants et sans surveillance. Dans de nombreux cas, la connectivité sans fil constitue également un défi. Cependant, les progrès continus en matière d'intégration et de miniaturisation des composants électroniques nécessaires permettent aux développeurs de réduire l'empreinte des dispositifs et d'optimiser les coûts.

L'identification des sources d'énergie appropriées et l'optimisation de la consommation d'énergie sont des facteurs critiques pour le développement d'applications réussies. Les facteurs de forme et l'esthétique varient considérablement en fonction de l'environnement et de l'utilisation prévus.

Les dispositifs grand public doivent être esthétiques et répondre à des normes élevées de convivialité pour réussir à s'imposer sur le marché. Les dispositifs industriels et à distance sont moins concernés par l'esthétique et la convivialité, mais devront probablement atteindre des niveaux plus élevés de fonctionnalité et d'interopérabilité.

La mise en œuvre d'une conception basse consommation dépend principalement de la recherche des composants et logiciels appropriés pour minimiser la consommation d'énergie. Elle peut également dépendre de l'optimisation de l'extraction de puissance de la source d'énergie. Idéalement, les applications peuvent récupérer plus d'énergie qu'elles n'en consomment pour atteindre une autonomie énergétique totale.

PMIC de récupération d'énergie hautes performances

Nexperia propose un circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) conçu pour exploiter en continu l'énergie ambiante. Le NEH2000BY (Figure 1) résout le compromis de récupération d'énergie typique en permettant de hautes performances pour les dispositifs sans compromettre le rendement énergétique.

Figure 1 : Le PMIC NEH2000BY de Nexperia est optimisé pour la récupération d'énergie ambiante pour les dispositifs basse consommation. (Source de l'image : Nexperia)

Le PMIC de Nexperia utilise un algorithme adaptatif pour la conversion optimale d'énergie (MPPT) afin d'optimiser le transfert d'énergie à partir de sources ambiantes et de garantir une conversion élevée. Fonctionnant de manière autonome sans pré-programmation, l'algorithme MPPT NEH2000BY atteint un rendement de conversion moyen optimal de 80 % et s'adapte en 0,5 seconde.

Les développeurs qui travaillent sur l'optimisation des panneaux solaires et des turbines éoliennes ou l'étudient connaissent sans aucun doute la conversion optimale d'énergie, mais celle-ci peut également être utilisée pour des applications qui récupèrent d'autres sources d'énergie ambiante, telles que l'énergie thermique, les vibrations et les signaux radioélectriques. Le système MPPT surveille en continu la tension et le courant afin d'identifier la puissance optimale et ajuste la charge pour adapter la sortie aux exigences de l'application.

Grâce à un algorithme d'escalade, le NEH2000BY s'adapte aux environnements changeants et garantit un rendement maximum, quelles que soient les fluctuations d'énergie. Bien qu'il soit optimisé pour les applications photovoltaïques, le PMIC peut fonctionner avec une variété de dispositifs de récupération utilisant une tension d'élément de stockage comprise entre 2,5 V et 4,5 V, et il est compatible avec divers types de batteries rechargeables, ainsi qu'avec des conceptions sans batterie.

Le PMIC de Nexperia permet aux concepteurs de créer des applications avec un convertisseur CC/CC haut rendement et basse consommation intégré, éliminant le recours à un convertisseur et une inductance externe encombrante. Un seul condensateur externe est requis, ce qui simplifie l'agencement du circuit imprimé et réduit la nomenclature de l'application.

Disponible en boîtier en plastique extra-plat thermiquement amélioré HWQFN de 3 mm x 3 mm, le PMIC ne requiert qu'une surface d'assemblage totale de 12 mm, selon Nexperia. Cela permet des conceptions de récupération d'énergie jusqu'à 20 fois plus petites que les solutions existantes.

Plateforme de conception de référence

Les concepteurs peuvent prototyper et tester les applications de récupération d'énergie avec une plateforme de conception de référence, fruit d'une collaboration entre Nexperia et Ambiq.

Le harvestKIT AMA3BHARV1 d'Ambiq (Figure 2), combine un module Click basé sur le PMIC NEH2000BY de Nexperia avec le SoC Apollo3 Blue d'Ambiq et des modules de capteurs Click personnalisés 1,8 V basse consommation de TDK InvenSense et Bosch Sensortec.

Figure 2 : Le harvestKIT AMA3BHARV1 d'Ambiq est équipé d'un module Click avec le PMIC de récupération d'énergie de Nexperia, et de modules de capteurs de mouvement et environnementaux. (Source de l'image : Ambiq)

Le harvestKIT fournit la récupération d'énergie de Nexperia avec un capteur de mouvement MEMS (microsystème électromécanique) et un capteur environnemental. Le SoC Apollo3 Blue intègre Bluetooth Low Energy (BLE) 5. Une prise d'extension supplémentaire peut prendre en charge d'autres capteurs et modules de connectivité tels qu'un écran ou Wi-Fi.

Les composants peuvent commander des applications combinant la récupération d'énergie basse consommation avec des entrées telles que la surveillance de la température, de l'humidité, du mouvement et de la pression.

Les développeurs peuvent utiliser la conception de référence pour mettre au point une série de prototypes pouvant étendre la durée de vie des batteries en récupérant l'énergie, ou éliminer l'utilisation de batteries en intégrant des supercondensateurs ou d'autres composants de stockage d'énergie.

Le SoC Apollo3 Blue utilise la technologie SPOT (Subthreshold Power Optimized Technology) brevetée d'Ambiq pour gérer l'énergie récupérée et traiter efficacement les applications basse consommation. Le micrologiciel de la plateforme de référence envoie les données brutes des capteurs à une application Web qui s'exécute dans un navigateur Web Chromium sur un téléphone, une tablette ou un PC.

Conclusion

Le PMIC de Nexperia offre une option de conception intéressante pour les applications écoénergétiques nouvelle génération. En exploitant l'énergie solaire et en intégrant des modules de capteurs avancés, les développeurs peuvent créer des solutions innovantes qui étendent considérablement la durée de vie des batteries, voire les rendent totalement inutiles. La collaboration de Nexperia à la conception de référence harvestKIT AMA3BHARV1 d'Ambiq fournit une plateforme de prototypage et de test pour les applications de traitement et de gestion basse consommation de pointe, répondant à la demande croissante de dispositifs électroniques durables et efficaces.

[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