Couverture ElectroniqueS n°127

Les principes retenus sont variés pour collecter et convertir une forme d'énergie ambiante, afin de revitaliser une batterie ou remplacer une pile. De nombreux marchés, incluant notamment les réseaux de capteurs sans fil, suscitent une forte demande en semi-conducteurs d'une grande sobriété. D ans de multiples secteurs, l'exploitation de capteurs et de réseaux de capteurs sans fil de natures diverses, puisant leur énergie dans leur environnement, est déjà une réalité. L'inexorable montée en puissance des objets connectés et de l'Internet des objets suscite la demande en solutions de récupération d'énergie ( energy harvesting ), dont la vocation sera de prolonger l'autonomie des équipements alimentés par une batterie ou d'autoriser la suppression d'une pile. À cet égard, dans les lieux difficiles d'accès, éviter l'opération de remplacement d'une simple pile se révélera souvent économiquement avantageux. < Œuvre du belge e-peas, le PMIC AEM20940 extrait l'énergie fournie par un générateur thermoélectrique. Cette énergie est stockée dans une batterie ou un supercondensateur et alimente le système par l'intermédiaire de deux LDO intégrés. Mais, plus généralement, un large éventail d'applications sans fil ont recours à un pro-cédé de récupération d'énergie et ce depuis longtemps. Par exemple, il y a plus de quinze ans, la société allemande En-Ocean proposait déjà des interrupteurs dénués de fils et de pile, alimentés par simple pression mécanique. De fait, la demande en semi-conducteurs d'une grande sobriété ciblant les applications de récupération d'énergie n'a jamais été aussi forte. Dans une récente étude (été 2018), Semico Research estime que le marché pour ces puces atteindra 3,4 milliards de dollars à l'horizon 2022. Les débouchés identifiés incluent les nœuds de capteurs sans fil, la domotique, l'automobile, la téléphonie cellulaire, les wearables et autres produits électroniques grand public. Le cabinet considère par ailleurs que, si les différents types de circuits de récupération d'énergie et de génération d'énergie suscitent un vif intérêt, la plus grande opportunité pour l'industrie des semi-conducteurs est l'offre complète incluant le convertisseur et le gestionnaire d'énergie, le microcontrôleur, la radio et le capteur Mems. De l'énergie à moissonner partout Bien des méthodes existent pour récupérer une énergie ambiante d'origine solaire, thermique, électromagnétique, mécanique ou autre. Cette énergie, souvent disponible en quantités infinitésimales, est vouée à être transformée en une énergie électrique afin d'alimenter des circuits électroniques basse consommation. Ainsi, la jeune société belge e-peas a annoncé en ce début d'année un circuit intégré de gestion d'alimentation, assigné aux capteurs sans fil, optimisé pour collecter l'énergie issue de sources thermiques. Référencé AEM20940, ce PMIC (Power Management Integrated Circuit) est susceptible d'extraire un courant d'intensité jusqu'à 110 mA d'un générateur thermoélectrique relié à son entrée. Il est alors à même de superviser le stockage de l'énergie dans un élément rechargeable, tout en fournissant simultanément de l'énergie au système via ses deux régulateurs de tension LDO (1,2/1,8 V et 1,8/2,5/3,3 V) à faible bruit internes. En pratique, la tension la plus basse alimentera le microcontrôleur du système, alors que la tension supérieure sera réservée à l'émetteur-récepteur RF. Le convertisseur DC-DC élévateur (boost) aura quant à lui pour tâche de recharger un élément de stockage : batterie Li-ion ou autre, supercondensateur ou simple condensateur. Le circuit dispose d'un traceur MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) pour la recherche du point correspondant au maximum de la puissance fournie. Avec un tel composant, il sera possible de prolonger la durée de vie de la batterie du système et, dans de nombreux cas, d'éliminer la source d'alimentation primaire. Dans l'hypothèse où celle-ci est présente, la commutation s'effectue automatiquement lorsque la batterie secondaire est épuisée. Ce qui garantit un fonctionnement continu en toutes circonstances. < L'israélien Wiliot profite des ondes radio environnantes pour alimenter un circuit Bluetooth à cœur ARM Cortex-M, relié à une antenne imprimée sur du plastique ou du papier, afin de réaliser une étiquette électronique auto-collante. Une caractéristique clé de l'AEM20940 est de se contenter d'une très faible puissance disponible à l'entrée. En effet, il démarre à froid (sans disposer d'énergie stockée) à partir d'une tension de 100mV et une puissance d'entrée de 80µW à l'aide d'un module externe optionnel, à partir de 380mV et 3µW sans ce module. Les fonctions de gestion de l'énergie incluent la protection contre les surcharges et les décharges profondes, la recharge rapide des supercondensateurs, et l'émission d'un avertissement lorsque les réserves d'énergie stockée s'épuisent. Le PMIC est encapsulé dans un boîtier standard à 28 broches de type QFN, dont les dimensions sont de 5 x 5 mm. Les principaux marchés adressés sont en rapport avec la surveillance des processus industriels, les équipements HVAC (en bon français: CVC pour chauffage, ventilation, climatisation) et la maintenance prédictive. Récupération d'énergie et Bluetooth font bon ménage L'israélien Wiliot privilégie quant à lui la récupération de l'énergie issue des ondes radio environnantes. Le procédé est mis à profit par un circuit Bluetooth, relié à une antenne imprimée sur du plastique ou du papier, afin de réaliser un capteur sans fil autoalimenté. La réalisation complète (antenne et circuit avec processeur ARM Cortex-M embarqué) prend la forme d'une étiquette, dont les dimensions sont approximativement celles d'un timbre-poste, qui sera collée sur un produit. Après récupération de l'énergie radioélectrique, le sticker émet un numéro de série chiffré aux fins d'authentification et d'autres informations (poids, température…). Si le principe est similaire à celui des étiquettes RFID, la grande différence est que nul lecteur RFID n'est ici requis. En effet, tout dispositif compatible Bluetooth Low Energy, par exemple un smart-phone, sera à même de récupérer les données. Wiliot a optimisé la conception de sa puce pour en réduire la consommation au maximum et mis en œuvre des techniques de traitement au niveau du nanowatt. « Nous pensons que l'électronique jetable faisant appel à des solutions sans pile et peu onéreuses est à la base des futurs systèmes de l'Internet des objets », analyse Tal Tamir, cofondateur et CEO de Wiliot. Les applications pos-sibles sont nombreuses : le suivi en temps réel des biens de consommation lors de leur processus de fabrication, le remplacement des étiquettes sur les emballages des articles vendus au détail, le traçage des objets de valeur perdus ou dérobés, etc. Ajoutons que la start-up, dont le centre de R&D est situé en Israël et le siège social à San Diego (Californie), a bouclé en début d'année un tour de table d'un montant de 30 millions de dollars. Les nouveaux investisseurs que sont Amazon Web Services (AWS), Samsung Venture Investment et Avery Dennison, le fabricant américain de produits auto-adhésifs, ont rejoint ceux déjà présents au capital de la société. À savoir: Norwest Venture Partners, 83North, Grove Ventures, Qualcomm Ventures et M Ventures. Cette opération fait suite à une levée de fonds de 19M$, réalisée fin 2017. Récupération d'énergie et Bluetooth Low Energy cohabitent également dans un interrupteur sans fil autonome, présenté par ON Semiconductor lors du dernier salon Electronica. L'absence de pile se traduit par une durée de vie quasi illimitée, alors que la communication sans fil laisse une grande liberté quant au placement de l'interrupteur. Le dispositif exploite un générateur à récupération d'énergie développé par ZF Friedrichshafen. Le principe adopté est désormais éprouvé, puisqu'il consiste à convertir l'énergie mécanique, générée lors de l'appui de l'utilisateur sur le bouton du commutateur, en énergie électrique. À chaque pression, les quelque 300 microjoules délivrés s'avèrent suffisants pour alimenter le boîtier-système Bluetooth 5 RSL10 SIP ( System in Package ) développé par ON Semiconductor. La consommation du module est si faible qu'un simple pont de diodes Schottky et un condensateur électrolytique suffisent pour l'alimenter. Le SiP en boîtier de 6 x 8 x 1,46 mm incorpore une antenne, le SoC radio RSL10 à cœur Cortex-M3 cadencé à 48MHz et tous les composants passifs requis. Si un cœur de DSP 32 bits à très basse consommation (LPDSP32) est également présent dans le SoC, il est en réalité destiné à supporter divers codecs (disponibles sous la forme de librairies), dans le cadre d'applications audio sans fil. La partie mémoire se décompose en 384 Ko de flash pour la pile Bluetooth et les applications, 76 Ko de Sram pour les pro-grammes et 88Ko de Sram pour les données. Powercast propose plusieurs circuits pour récupérer et convertir l'énergie émise par une source RF. Estampillé PCC114, son petit dernier est crédité de dimensions de 1x0,6x0,3mm bien inférieures à celles de son aîné, le PCC110. Dans la pratique, le RSL10 SIP couplé au générateur à récupération d'énergie (l'ensemble est proposé sous la forme d'un design de référence avec la nomenclature, les schémas, l'implantation sur le circuit imprimé et les fichiers Gerber) permettra aux concepteurs de proposer des solutions de com-mande sans fil personnalisées et sobres. Les marchés et applications concernés sont la domotique et l'immotique, la santé, les systèmes d'alarme, les détecteurs de chute, la commande de volets, le comptage de véhicules, etc. Fruit de la coopération entre ON Semiconductor et l'allemand ZF, cet interrupteur sans fil fait appel à la récupération de l'énergie ambiante. L'énergie dispensée lors d'un appui s'avère ici suffisante pour alimenter le boîtier-système Bluetooth RSL10 SIP de l'américain. Les vibrations dispensent aussi de l'énergie Pour sa part, Powercast a introduit l'an dernier un circuit recueillant l'énergie émise par une source RF (routeur Wi-Fi, émetteur cellulaire, lecteur UHF RFID ou NFC…), afin de la transformer en courant continu pour recharger une batterie ou un condensateur. Logé dans un petit boîtier de 1x0,6x0,3mm, le Powerharvester PCC114 s'avère nettement moins encombrant que le PCC110, son aîné. Dès lors, le nouveau venu trouvera aisément place dans une carte à puce ou une aide auditive, par exemple. Le rendement RF vers DC annoncé est supérieur à 75%, une fois le PCC114 accolé à l'antenne appropriée. Le récepteur offre une large bande passante (10MHz à 6GHz) et une plage de fonctionnement comprise entre - 17 et +20dBm. Le chipset comprend également un convertisseur élévateur (PCC210) en boîtier SOT23-6. Fonctionnant à partir d'une tension d'entrée de seulement 0,4V, celui-ci délivre une sortie 5,5V/50mA. Enfin, afin d'alimenter les capteurs utilisés dans le cadre de l'Internet industriel des objets (IIoT), l'Institut Fraunhofer IIS d'Erlangen a mis au point une technique de récupération d'énergie tirant profit des vibrations générées par les machines. Par le biais de capteurs sans fil autoalimentés, il est alors envisageable de surveiller l'état d'usure ou les dommages subis par des équipements de production, entre autres. De faibles accélérations, de l'ordre de 0,1g, suffiraient pour générer l'énergie nécessaire pour alimenter plusieurs capteurs et transmettre par voie radio des données à un système informatique. Pour ce faire, l'institut de recherche allemand a développé des convertisseurs de tension et un traceur MPPT capables de travailler à de très faibles niveaux de tension et de courant, afin d'extraire et stocker les petites quantités d'énergie issues de l'environnement.

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