Un circuit intégré compact de récolte et gestion d’énergie alimente les appareils sans fil basse consommation

Fonctionnant avec un courant ultra-faible, le MAX17710 accepte l’énergie d’une variété de sources d’énergie non régulées délivrant de 1 µW à 100 mW. Les exemples incluent la lumière (captée par des cellules photovoltaïques), les vibrations (récupérées par des capteurs piézoélectriques), la chaleur (captée par des générateurs thermoélectriques) et l’énergie RF (comme celle générée par les communications en champ proche ou NFC). Le MAX17710 intègre un régulateur élévateur à entrée programmable et charge une cellule MEC à partir de sources d’énergie aussi faibles que 0,8 V, sans nécessiter de coûteux composants externes. Il protège la cellule MEC avec un régulateur linéaire shunt /série. Il possède aussi un régulateur linéaire LDO (à faible tension de déchet) à courant de repos ultra bas, et à tension de sortie réglable à 3,3 V, 2,3 V ou 1,8 V, ce qui l’adapte à une variété de charges.

En boîtier TQFN bas profil de 0,5 mm, le MAX17710 permet de développer une nouvelle classe d’applications ultra-minces au format d’une carte. Cette puce sera aussi disponible en tranches pour les formats encore plus minces. Le MAX17710 s’adresse aux cartes à puce autoalimentées, à la sauvegarde d’horloge temps réel (RTC) ou de mémoires volatiles, et aux réseaux de capteurs sans fil. Les applications de capteurs sans fil incluent par exemple le contrôle des valves d’irrigation, la gestion d’énergie de bâtiments, la surveillance de machines, le suivi d’actifs, les systèmes de sécurité biométrique, les applications médicales et une myriade de produits électroniques grand public portables.

L’industrie réclame un système de récolte d’énergie plus intégré
La récolte d’énergie est sur le point de prendre un essor rapide et exponentiel. Malgré l’intérêt des sources d’énergie et leur potentiel d’adoption, l’efficacité de la récolte était entravée jusqu’à présent par les nombreux blocs et fonctions de gestion d’énergie qu’il fallait combiner pour remplir la tâche. De plus, une fois assemblés, ces composants essentiels prenaient trop de place, anéantissant les espoirs de réduction de taille et de coût. Il fallait en outre augmenter la taille des cellules de stockage car un courant de repos venait s’ajouter au système, rendant le budget d’alimentation global impossible à gérer avec le faible niveau de puissance des sources d’énergie ambiante.

L’importance des cellules à micro-énergie ou MEC
Tout en créant la solution de récolte et gestion d’énergie MAX17710, Maxim a travaillé en étroite collaboration avec Infinite Power Solutions, Inc. (IPS), fabricant des MEC ou batteries rechargeables état solide THINERGY®. Les cellules à micro-énergie THINERGY sont flexibles et sans équivalent pour leur capacité de recharge, leur cycle de vie et leur puissance. Ces produits de stockage d’énergie ultra-minces, du format d’un timbre, affichent un taux d’autodécharge extrêmement bas, ce qui leur assure une très longue durée de vie d’attente et en fait des alimentations de secours extrêmement fiables. Ce cycle de vie sans précédent et une technique unique d’encapsulation en feuille métallique autorisent des décennies de fonctionnement fiable sans maintenance.

Le MAX17710 apporte la fonction de récolte et de gestion d’énergie nécessaire pour maximiser, protéger et contrôler l’énergie stockée dans les cellules MEC. Combinées avec des dispositifs de récolte d’énergie, les cellules MEC sont uniques pour créer des solutions autonomes d’alimentation perpétuelle, qui fonctionnent pendant des décennies, explique David Squires, Vice-Président Développement Commercial d’Infinite Power Solutions. En récolte d’énergie, le courant de repos tiré par le circuit de gestion d’alimentation est fondamental. Le MAX17710 est imbattable, en ne tirant que 1 nA de la batterie lorsqu’il n’y a pas d’énergie à récupérer.

Le MAX17710 apporte efficacité et flexibilité à la récolte d’énergie
Avec un très faible courant de fonctionnement, le MAX17710 simplifie la conception des systèmes de récolte d’énergie en intégrant un régulateur programmable, la gestion du stockage tampon d’énergie, le circuit de charge et les circuits de protection des cellules MEC.

Le MAX17710 incorpore un bloc chargeur linéaire d’ultra-faible courant de repos assurant une charge fiable des MEC THINERGY. Pour protéger la cellule MEC des surtensions, il régule la tension d’entrée et peut shunter la puissance en excès. Un circuit de protection contre les sous-tensions, à courant de repos ultra-faible, évite de décharger trop fortement la cellule MEC et de l’endommager. La protection contre les sous-tensions se désactive uniquement lorsqu’une source externe ramène la tension du MEC dans la zone de sécurité.

Aux très basses températures, l’impédance caractéristique de toutes les batteries s’élève, ce qui limite les impulsions de courant dans la charge de l’application. Le MAX17710 intègre une fonction unique qui gère un condensateur de stockage externe afin d’augmenter la sortie de la batterie et de fournir de fortes impulsions de courant, même aux températures de -40°C.

La récolte d’énergie dans les applications déportées et portables
Les développeurs sont attirés par les solutions de récolte d’énergie car elles évitent d’exploiter de coûteux câbles d’alimentation sur des sites éloignés ou d’avoir à remplacer fréquemment des batteries primaires.

De nombreuses applications de capteurs déportés nécessitent un câblage important qu’il est difficile et cher à installer, et dont la maintenance coûte cher et prend du temps. Les approches alternatives utilisent des batteries primaires dont le remplacement est finalement lourd et coûteux. Les environnements critiques où la sécurité est renforcée comme les aéroports et les hôpitaux exigent quant à eux des systèmes personnels d’identification sophistiqués. Un grand nombre de ces systèmes portables emploient des techniques biométriques à calculs intensifs, ce qui oblige à ajouter une alimentation sur le circuit d’identification. Une batterie rendra le format plus massif et sera encombrante dans les déploiements en volume. Et chaque batterie devra être remplacée un jour, un processus qui demande du temps et de l’argent.

En tandem avec les cellules MEC THINERGY, le MAX17710 de Maxim résout les problèmes d’alimentation et de gestion de batterie des installations traditionnelles de capteurs. Gérant l’énergie ambiante récupérée de sources lumineuses, de sources de chaleur, de sources RF ou de vibrations, et stockant efficacement cette énergie dans une cellule MEC THINERGY, il fournit une alimentation autonome et sans maintenance à un capteur déporté. Cette solution élimine les câblages onéreux ainsi que les coûts prohibitifs de main-d’œuvre liés au remplacement des batteries primaires traditionnelles.

Le MAX17710 peut aussi servir dans des applications d’alimentation -relais n’utilisant pas forcément de récolte d’énergie. Dans ces applications, la puissance électrique est habituellement disponible (à partir du grid ou d’une batterie de grande capacité) pour alimenter le système et charger au goutte-à-goutte une cellule MEC de sauvegarde. En cas de coupure d’électricité ou en cas de sous-tension durant le remplacement de la batterie système, l’énergie stockée dans la cellule MEC peut continuer à alimenter une mémoire volatile et/ou un RTC pendant des heures, des jours ou même des semaines. Cette solution supplante les grosses piles bouton et les supercondensateurs dont les courants d’auto-décharge sont élevés et dont la durée de vie est limitée, spécialement aux températures élevées.

Conçu en fonction des contraintes de profil de nombreuses applications de récolte d’énergie, le MAX17710 est en boîtier sans plomb UTDFN à 12 broches, de 3 x 3 x 0,5 mm. Son prix démarre à 4,11 $ (à partir de 2 500 unités, prix FOB USA). Un kit d’évaluation (EV) comportant le circuit de gestion d’alimentation MAX17710, la cellule THINERGY MEC101 et un capteur d’énergie solaire est également disponible.