Alimentazione di dispositivi IoT: in che modo le evoluzioni di alimentazione esterna potranno contribuire a ridurre al minimo il consumo energetico

Con miliardi di "cose" che ben presto saranno collegate a Internet, preservare l'energia diventa un fattore cruciale, non solo in sensori alimentati a batteria o autoalimentati, ma anche in dispositivi come i gateway che sono tipicamente alimentati da linee in c.a. In questo articolo verranno trattate le specifiche di livello VI di prossima applicazione, per adattatori di alimentazione esterni c.a./c.c. e le modifiche necessarie ai progetti per ridurre il consumo generale nelle applicazioni IoT.

Introduzione: La potenza dietro i sensori

La frase Internet delle cose (IoT) evoca immagini di reti pervasive composte da piccoli sensori, che potrebbero monitorare qualsiasi qualcosa dall'aria alla qualità dell'acqua, il traffico o i processi industriali, l'ambiente domestico o la salute del corpo umano. I sensori sono solitamente immaginati come dispositivi a bassissima potenza in grado di funzionare per tutta la vita da una piccola batteria a bottone moneta o da un pannello solare o altri sottosistemi di energy harvesting miniaturizzati. Come tali, questi dispositivi possono essere concepiti per offrire grandi vantaggi operativi pur imponendo il minimo impatto ambientale in termini della propria domanda di energia.

In pochi anni, si stima che ci saranno oltre 1 trilione di sensori collegati, che agiranno come gli occhi, le orecchie e i polpastrelli dell'IoT. Tuttavia, è improbabile che saranno connessi direttamente a Internet. Una connessione Wi-Fi o Ethernet è semplicemente troppo costosa ed energivora da integrare in endopoint IoT piccoli, a batteria o auto-alimentati.

In molte applicazioni industriali o domestiche con reti di sensori, la connessione a Internet avverrà in genere tramite un hub o un gateway IoT che fa da ponte tra i sensori e Internet. In questo modo, il gateway implementa le interfacce IP ai sensori utilizzando standard come un collegamento a due fili o Bluetooth Smart e ospita anche una porta Ethernet o un'interfaccia Wi-Fi per connettersi a Internet. Il gateway è in grado di trasferire i dati dai sensori a un gestore centralizzato, ad esempio un servizio Cloud e viceversa, tramite Internet. L'elaborazione di base dei dati del sensore avverrà in genere localmente nel gateway prima che i risultati siano passati al cloud. La figura 1 illustra le funzioni di base di un gateway IoT.

Figura 1: Un gateway IoT è necessario per connettere i sensori non IP a bassa potenza a Internet.

Secondo le previsioni, oltre 50 miliardi di dispositivi quali gateway IoT potrebbero essere connessi a Internet nei prossimi quattro o cinque anni. La potenza necessaria per gestire le diverse funzionalità dei gateway, incluse le interfacce multiple dei sensori, connessione a Internet ed elaborazione embedded, significa che il dispositivo dovrà essere collegato a una presa di corrente o essere ricaricato con frequenza. Con una tale moltitudine di dispositivi previsti per l'aggiunta a Internet nel prossimo futuro, potrebbe aumentare significativamente la domanda di energia, sia per potenza offline che di ricarica.

Standard di efficienza per gli alimentatori

La massiccia crescita del numero di dispositivi elettrici collegati alla rete non è una novità. Gli effetti sono stati una delle principali preoccupazioni degli scienziati almeno sin dall'inizio dell'epoca moderna dell'elettronica di consumo. Dal 1970, quando una famiglia tipica possedeva forse una lavatrice e un televisore, il numero medio di prodotti elettronici per nucleo familiare è aumentato a ventiquattro negli Stati Uniti secondo la Consumer Electronics Association. Questi includono più televisori, così come PC, tablet, smartphone, stampanti, console di videogioco e altri apparecchi che possono contenere un alimentatore interno o possono funzionare da un adattatore o un alimentatore esterno (EPS). Dal 1990 si è calcolato che solo negli Stati Uniti sono oltre 1 miliardo gli EPS utilizzati.

Figura 2: Nei primi anni '90, gli studi stimavano che l'assorbimento di potenza in assenza di carico avrebbe rappresentato il 30% dell'energia totale consumata negli Stati Uniti entro 20 anni se non si fosse intervenuto.

Sapendo che gli utenti tendono a lasciare i loro apparecchi collegati anche quando sono spenti o disconnessi, la preoccupazione per i "vampiri" o la potenza "a vuoto", ossia l'energia nascosta sprecata da parte delle famiglie ha cominciato a crescere. Uno studio del 1998 condotto da Alan Meier del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in California ha stimato che circa il 5% del consumo totale di elettricità residenziale negli Stati Uniti - del valore di circa USD 3 miliardi - è stato sprecato dagli alimentatori mentre le apparecchiature collegate sono in modalità standby. Successivamente, e naturalmente, i prezzi dell'energia sono aumentati e la preoccupazione del danno ambientale causato dall'eccessivo consumo di energia è cresciuta.

Per combattere questi problemi, nel 2004 la California Energy Commission ha introdotto la prima legislazione per l'efficienza energetica al mondo per gli alimentatori esterni. Gradualmente la maggior parte dei mercati mondiali, tra cui USA, Canada, Europa e Australia, vi hanno aderito. In definitiva, queste varie leggi sono state armonizzate nel protocollo internazionale per la marcatura dell'efficienza energetica per gli alimentatori esterni. Questo si è poi evoluto in diverse generazioni, ciascuna che successivamente ha imposto limiti più rigorosi al consumo di energia a vuoto e alla minima efficienza operativa media. Oggi, tutti gli alimentatori esterni commercializzati negli Stati Uniti e in Canada devono soddisfare le specifiche di livello IV del presente protocollo e devono essere etichettati con un numero romano IV sulla targhetta. L'Unione Europea impone attualmente la più rigorosa specifica di livello V.

L'US Department of Energy (DoE) ha annunciato nel 2014 che tutti gli alimentatori esterni fabbricati dopo 10 febbraio 2016 e commercializzati negli Stati Uniti devono soddisfare la specifica di efficienza di livello VI superiore. Le tendenze storiche suggeriscono che l'UE e le altre autorità aumenteranno i propri requisiti al livello VI poco dopo, anche se nessuno ha ancora annunciato gli standard finalizzati.

Data l'aspettativa di una crescita esplosiva nelle applicazioni IoT, la specifica di livello VI per gli alimentatori esterni potrebbe fornire protezione importante per l'ambiente contro gli effetti di un gran numero di gateway IoT che presto saranno collegati alla rete elettrica. È importante per i produttori di apparecchiature originali (OEM) a livello mondiale tenersi aggiornati con le ultime normative.

Scelte di progettazione della potenza

Gli alimentatori interni non sono soggetti al protocollo internazionale di marcatura dell'efficienza. Il design-in di un alimentatore interno a discapito di un EPS può quindi eliminare qualsiasi necessità di conformarsi. Tuttavia, si possono applicare altre normative, come la direttiva di classificazione dei sistemi ENERGY STAR® o la direttiva Ecodesign 2009/125/CE per i prodotti connessi all'energia (ErP). Inoltre, portando un alimentatore personalizzato in-house o l'integrazione di un modulo di terze parti può andar oltre la gamma di competenze di un progettista. Un alimentatore interno può anche aggiungere peso e ingombro al prodotto, quindi richiedere un contenitore più grande.

Un EPS di serie può essere una soluzione semplice e veloce che può dimostrarsi conforme alle normative applicabili. CUI ha iniziato a introdurre prodotti di livello VI nella sua gamma EPS alla fine del 2014, per affrontare la normativa imminente. I produttori di EPS in genere regolano il loro portafoglio di prodotti per soddisfare i più alti standard obbligatori, che consente ai clienti OEM di massimizzare l'efficienza operativa ed eliminare gli errori della supply chain fornendo un alimentatore comune con tutti i prodotti destinati a diversi mercati di esportazione.

Le specifiche di livello VI

Il protocollo di livello VI è molto più complesso rispetto ai suoi predecessori. Sono state definite cinque categorie. Queste sono:

• Alimentatori c.a./c.c. esterni a tensione singola (tensione base)
• Alimentatori c.a./c.a. esterni a tensione singola (tensione base)
• Alimentatori c.a./c.c. esterni a tensione singola (bassa tensione)
• Alimentatori c.a./c.a. esterni a tensione singola (bassa tensione)
• Alimentatori esterni a tensioni multiple fino a 49 W

Nota: gli alimentatori a bassa tensione hanno una tensione di uscita inferiore a 6 V e una corrente di uscita superiore a 550 mA. La tensione base indica un alimentatore non a bassa tensione. Inoltre, il livello VI introduce la prima legislazione che copre gli alimentatori a tensione singola oltre 250 W.

Rispetto alla specifica di livello V per la potenza in standby, il livello VI riduce la potenza massima ammissibile da 0,3 W (per ESP di tensione standard fino a 49 W) a soli 0,1 W per alimentatori c.a./c.c. a tensione singola da 1 a 49 W. I nuovi requisiti di efficienza media sono altrettanto rigorosi. La figura 2 illustra l'aumento in efficienza media per un alimentatore c.a./c.c. a tensione base di livello VI rispetto a uno simile per le specifiche di livello III, IV e V.

Figura 3: La specifica di livello VI impone soglie di efficienza media superiori a quelli per i livelli da III a V.

Soddisfare il livello VI nella progettazione

Progettare un EPS per soddisfare il nuovo standard è difficile. Rispetto agli alimentatori di livello V di CUI, le unità di livello VI incorporano modifiche in quasi ogni aspetto del circuito primario e sul lato secondario. Queste comprendono il design-in dei CI di controllo più recenti che supportano modalità operative a basso carico potenziate: nel funzionamento normale il nuovo controller funziona alla stessa frequenza di commutazione di 65 kHz utilizzata nei prodotti di livello V, ma passa a 22 kHz a basso carico e a vuoto per ridurre la perdita di potenza e migliorare l'efficienza. I valori di resistore e condensatore riottimizzati nel circuito di feedback secondario mitigano gli effetti un ripple e rumore aumentati alle frequenze di commutazione inferiori. Il CI di controllo si avvale delle nuove tecnologie per ridurre la potenza quiescente, che contribuisce ulteriormente a soddisfare i limiti massimi più rigorosi sull'assorbimento di potenza in assenza di carico.

Il circuito sul lato secondario negli alimentatori a bassa tensione/alta corrente di livello VI è stato modificato dal semplice raddrizzamento con diodo al raddrizzamento sincrono utilizzando i MOSFET e un ulteriore CI di controllo. Inoltre, valori di resistenza maggiori e le modifiche ad altri componenti, ad esempio un maggior diametro del conduttore, aiutano a ridurre la dissipazione di potenza interna. I MOSFET più recenti con resistenza nello stato On inferiore contribuiscono oltretutto ad aumentare l'efficienza a carichi più pesanti.

D'altra parte, i circuiti di alimentazione principale sono organizzati in modo molto simile alle unità esistenti di livello V. Le unità inferiori a 120 W utilizzano il design flyback stabilito di CUI, mentre gli adattatori oltre 120 W utilizzano la topologia risonante LLC. Vale la pena notare che l'aumentata efficienza media della potenza di livello VI contribuisce inoltre a ridurre la temperatura di lavoro tipica aumentando così l'affidabilità. Questo può essere un vantaggio particolarmente importante in applicazioni IoT, dove le apparecchiature spesso devono funzionare per lunghi periodi sul campo con manutenzione minima o assente.

Conclusione

L'IoT promette numerosi benefici per l'industria, l'ambiente, l'ecologia e la qualità della vita. D'altra parte, gli enormi quantitativi previsti potrebbe introdurre un numero significativo di nuovo hub di rete e gateway che devono essere alimentati dalla linea c.a. I nuovi alimentatori esterni che soddisfano il più recente protocollo di marcatura di livello VI, che sarà obbligatorio negli Stati Uniti da febbraio 2016, possono aiutare a compensare l'aumento della domanda di energia aumentando l'efficienza media e riducendo l'assorbimento di potenza in assenza di carico.

Per ulteriori informazioni sul portafoglio dei prodotti di livello VI di CUI fornito da Digi-Key, visitare la pagina Potenza di livello VI.