Power Management nei Sistemi Embedded Portatili

Abstract

Il presente lavoro di tesi descrive la progettazione, l'analisi e la realizzazione sperimentale di una Power Management Unit (PMU) integrata e compatta, ottimizzata per applicazioni embedded e dispositivi IoT portatili. Lo scopo principale del progetto consiste nel superare il divario tecnologico tra la tensione variabile di una cella ai polimeri di litio (Li-Po) e le specifiche di alimentazione stabili a 5 V richieste dai carichi digitali, garantendo al contempo continuità di servizio e sicurezza operativa.

L'architettura hardware sviluppata integra un sistema di ricarica basato sul controller MCP, un modulo di protezione (BMS) hardware con il chip DWA e un convertitore DC-DC Buck-Boost ad alta efficienza (TPS). La continuità di funzionamento è assicurata da un circuito di Power Path Management automatico a MOSFET discreti, capace di commutare in modo trasparente l'alimentazione tra la sorgente esterna e la batteria, azzerando i transitori sul carico. Per il monitoraggio dello stato di carica (SOC), è stato integrato il sensore di monitoraggio della batteria basato sull'algoritmo ModelGauge; a supporto dell'hardware, è stata anche sviluppata una libreria software in C++ per la comunicazione I2C con il sensore.

La scheda elettronica è stata sbrogliata su un PCB a due strati di dimensioni 50 mm x 50 mm e validata sperimentalmente tramite strumentazione digitale. I test eseguiti hanno confermato la stabilità delle tensioni e un'efficienza di conversione compresa tra il 78.3% a pieno carico e il 90% in condizioni di carico ridotto, dimostrando l'efficacia delle scelte progettuali e l'idoneità del modulo all'integrazione in architetture embedded complesse.

This thesis describes the design, analysis, and experimental implementation of a compact, integrated Power Management Unit (PMU), optimized for embedded applications and portable IoT devices. The project's primary goal is to bridge the technological gap between the variable voltage of a lithium polymer (Li-Po) cell and the stable 5V power specifications required by digital loads, while ensuring service continuity and operational safety.

The developed hardware architecture integrates a charging system based on the MCP controller, a hardware battery protection module (BMS) with the DWA chip, and a high-efficiency DC-DC Buck-Boost converter (TPS). Operation continuity is ensured by an automatic Power Path Management circuit with discrete MOSFETs, capable of transparently switching power between the external source and the battery, eliminating load transients. For State of Charge (SOC) monitoring, a battery monitoring sensor based on the ModelGauge algorithm was integrated; To support the hardware, a C++ software library was also developed for I2C communication with the sensor.

The electronic board was routed on a 50 mm x 50 mm two-layer PCB and experimentally validated using digital instrumentation. The tests confirmed voltage stability and a conversion efficiency between 78.3% at full load and 90% at reduced load, demonstrating the effectiveness of the design choices and the module's suitability for integration into complex embedded architectures.