Tesi

Power Management Unit (PMU) per Sistemi Embedded

                  

Questo repository contiene tutti i file di progettazione hardware, le simulazioni e le librerie software per una Power Management Unit (PMU) integrata, sviluppata come progetto di Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Tecnologie dell'Informazione presso l'Università degli Studi di Genova.

Il modulo (dimensioni 50x50 mm su PCB a due strati) è progettato per superare il divario tecnologico tra le tensioni variabili delle batterie ai Polimeri di Litio (Li-Po) e le specifiche di alimentazione stabili a 5V richieste dai carichi digitali, garantendo continuità di servizio e sicurezza operativa.

✨ Caratteristiche Principali (Features)

• Power Path Management: Commutazione automatica e trasparente tra sorgente esterna (5V) e batteria, dando priorità all'alimentazione di rete senza azzerare i transitori sul carico.
• Conversione DC-DC: Uscita stabile a 5V tramite convertitore Buck-Boost, operante in modo trasparente indipendentemente dallo stato di carica della cella (da 3.0V a 4.2V).
• Ricarica Li-Po 1S: Algoritmo CC-CV integrato basato su architettura lineare, con interruzione automatica a 4.2V.
• Protezione Hardware (BMS): Modulo di protezione contro sovrascarica (< 2.4V), sovraccarica (> 4.3V) e cortocircuiti.
• Fuel Gauging I²C: Stima accurata dello Stato di Carica (SOC) e alert hardware tramite algoritmo ModelGauge, senza necessità di resistenze di shunt, azzerando la deriva dell'errore.

🛠 Architettura Hardware

Il progetto è stato interamente sviluppato utilizzando KiCad 9.0. Il sistema si basa sui seguenti circuiti integrati:

📊 Prestazioni e Risultati Sperimentali

Il circuito è stato collaudato strumentalmente, registrando ottimi risultati in termini di efficienza energetica e stabilità del segnale:

• Efficienza Energetica ($\eta$): Compresa tra il 78.3% (a pieno carico, ~1.25A) e il 90% (a carico ridotto, ~100mA).
• Ripple di Tensione: Estremamente contenuto, registrando un picco massimo di 60 mV a 300 mA (90 kHz) e 40 mV a 1.4 A (390 kHz).
• Carico Elettrico Massimale: Il sistema sostiene in sicurezza carichi continui fino a 1.3A a 4.92V (circa 6.4W in uscita) prima dell'intervento del fusibile resettabile hardware (tarato per sgancio a 1.6A).

      

💻 Libreria Software (Firmware)

A supporto dell'hardware, è stata sviluppata una libreria firmware in C++ dedicata al sensore MAX17048. La libreria permette ai microcontrollori host (es. Arduino, ESP32, STM32) di interfacciarsi facilmente con la PMU per:

• Lettura in tempo reale della tensione della cella ($V_{cell}$) e del SOC (%).
• Monitoraggio del rateo di ricarica/scarica tramite registro CRATE.
• Gestione interrupt hardware sul pin ALRT per avvisi di sotto-tensione programmabili e sleep mode per il risparmio energetico.

📁 Struttura della Repository

├── Hardware/
│   ├── Kicad_files/        # File di progetto sorgente (Schematici, Layout PCB)
│   ├── Production/         # File Gerber e Drill pronti per la produzione industriale
│   ├── Assembly/           # File BOM (Bill of Materials) e CPL per assemblaggio SMT Pick & Place
│   └── 3D_Models/          # Rendering 3D della scheda top/bottom (STEP/PNG)
├── Simulations/            # File di simulazione SPICE dei blocchi funzionali (Proteus 8)
├── Firmware/               # Libreria C++ custom per MAX17048 e sketch di test (Arduino)
├── Datasheets/             # PDF dei datasheet originali dei componenti utilizzati
├── Docs/                   # Immagini, grafici di test termici/ripple, schemi e documentazione extra
└── README.md