Alimentatori: un settore in perenne evoluzione

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Complessivamente, il mercato degli alimentatori a commutazione AC/DC e DC/DC per applicazioni commerciali (C-SMPS), che quindi esclude i dispositivi destinati al mercato consumer e gli UPS (Uninterruptible Power Supplies), ha un valore stimato compreso tra 22 e 25 miliardi di dollari.

Si tratta di valori che si sono mantenuti sostanzialmente stabili per oltre un quinquennio, fatto questo che sembra avvalorare l’ipotesi che si tratti di un’industria relativamente statica, contraddistinta da modesti tassi di crescita. Questa sensazione è amplificata dal fatto che è molto diffusa la percezione che l’industria dei sistemi di alimentazione abbia raggiunto un tale livello di maturità da non aver quasi più nulla da dire.

Nonostante i numeri siano stabili, l’industria degli alimentatori per applicazioni commerciali è invece estremamente dinamica, in grado di adattarsi ai cambiamenti del mercato, all’introduzione di nuove normative, all’avvento di nuove tecnologie ed è in perenne trasformazione, capace di sviluppare prodotti e soluzioni di potenza atte a supporto tecnologie nuove (come ad esempio 5G e Industry 4.0) o addirittura non ancora introdotte sul mercato.

La trasformazione dei settori

Anche se non è possibile analizzare nel dettaglio ogni segmento, ce n’è uno in particolare che ha avuto una maggiore influenza su tutti gli altri ed è quello telecom/datacomm.

Per svariati decenni, il settore delle telecomunicazioni ha rivestito un ruolo di fondamentale importanza per l’industria della potenza, detenendo un ruolo guida per la sua evoluzione tecnologica. Basti citare ad esempio i cambiamenti avvenuti nel campo della distribuzione della potenza, passata da un modello centralizzato a uno de-centralizzato che è stato in seguito adottato da altri settori industriali, divenendo il modello di architettura di potenza di riferimento per una pluralità di comparti, da quello industriale a quello della Difesa. Senza dimenticare l’introduzione della “potenza digitale”, ora usata in molti prodotti impiegati in ambiti diversi da quello telecom.

Tutte queste evoluzioni tecnologiche sono state dettate sia dalla necessità di rendere le apparecchiature telecom più efficienti dal punto di vista energetico, riducendo i consumi e le emissioni di anidride carbonica, sia di “comprimere” le dimensioni dei commutatori telecom fino a integrarle in un singolo chipset (Fig. 1).

Fig. 1 – Riduzione delle dimensioni dei commutatori telecom per il collegamento di 10.000 abbonati (Fonte: Powerbox)

L’integrazione di ciò che un tempo era una vera e propria centrale telefonica in un singolo chipset, ha avuto ovviamente un notevole impatto sia sul volume dei moduli di potenza utilizzati sia sulle modalità di distribuzione e ottimizzazione della potenza stessa.

Nell’anno 2000, la produzione mondiale di convertitori DC/DC per montaggio su scheda di potenza compresa tra 5 e 20W destinati all’industria telecom era pari a circa 35 milioni di unità, contro i 6 milioni del 2017. È noto che il mercato telecom ha raggiunto un certo livello di saturazione ma vi sono altre ragioni che spiegano questo drastico calo in termini di volumi: il maggior livello di integrazione e l’aumento dell’uso di soluzioni discrete.

Maggior livello di integrazione

A causa della migrazione dalla voce ai dati, l’industria telecom si è sempre più integrata con l’industria datacomm, dando vita al settore conosciuto sotto la sigla ICT (Information and Communication Technology).

Da quel momento entrambi questi settori industriali hanno focalizzato lo loro risorse nello sviluppo di una nuova generazione di processori di segnali e di altri complessi circuiti ASIC per la gestione dei dati che richiedevano convertitori DC/DC con potenze più elevate (ad esempio convertitori IBC – Intermediate Bus Converter) in grado di effettuare conversioni verso il basso (step down) localizzate mediante regolatori PoL (Point of Load).

Nel giro di pochi anni le stazioni radio base sono diventate via via più piccole, le dimensioni dei dispositivi per l’accesso al backbone si sono drasticamente ridotte e i data center sono diventati il nucleo centrale dell’industria ICT.

Questo livello di digitalizzazione ha avuto un notevole impatto sulla conversione DC/DC a bassa potenza, sebbene abbia contribuito allo sviluppo di dispositivi caratterizzati da una maggiore densità di potenza, fino ai convertitori in formato ¼ brick da 1 kW.

Spazio alle soluzioni discrete

Anche se osteggiata da molti, la transizione dai moduli DC/DC a bassa potenza alle soluzioni discrete è una realtà e, complice la miniaturizzazione delle apparecchiature telecom e il maggior livello di integrazione, è ormai una prassi consolidata.

Questo passaggio è stato agevolato dai produttori di semiconduttori che hanno semplificato l’implementazione di funzioni di conversione a bassa/media potenza a livello di scheda, nonché lo sviluppo di regolatori PoL ad alto grado di integrazione. Anche se è difficile fare una stima precisa, il 65% circa delle funzioni di conversione a bassa/media potenza è ora implementata mediante soluzioni discrete, rispetto al 15% di un decennio fa.

A causa dell’abbinamento tra la riduzione della domanda delle tradizionali apparecchiature telecom, l’aumento del livello di integrazione e l’adozione di soluzioni discrete, il mercato dei convertitori DC/DC di bassa/media potenza ha subito un drastico calo. Nella fascia alta, comunque, è aumentata la richiesta di dispositivi di maggior potenza e la domanda proveniente da altri settori in crescita come quello medicale.

Fig. 2 – L’alimentatore a controllo digitale GB350 di Powerbox da utilizzare in applicazioni dove sono presenti campi elettromagnetici di notevole intensità (Fonte: iStock.com/baranozdemir – Powerbox)

L’innovazione nei mercati emergenti

Nonostante le stazioni radiobase siano destinate a diventare sempre più piccole e sia prevista l’installazione di un gran numero di trasmettitori 5G, i volumi per i dispositivi di media/bassa potenza montati su scheda non raggiungeranno i valori di picco di inizio secolo. Ciò testimonia chiaramente l’impatto dei progressi tecnologici e le sfide che i costruttori di alimentatori sono costretti ad affrontare per essere sempre pronti a supportare l’innovazione.

A causa del “boom” di Internet, con il conseguente incremento esponenziale del traffico dati, i data center devono elaborare quantità via via maggiori di dati a una velocità sempre più elevata. L’aumento sia della mole di dati sia della velocità di elaborazione si traduce in un incremento del numero dei processori e degli alimentatori richiesti. Complice l’elevatissimo livello di integrazione, talune schede richiederanno una potenza superiore a 3 kW; ciò rappresenta un problema non solo per il livello di potenza erogata, ma anche per il raffreddamento delle schede stesse.

Per riuscire a fornire potenza, con soluzioni efficienti a livello energetico, ai server e ai router the gestiscono il traffico IP i progettisti che operano nel campo della potenza devono sviluppare topologie avanzate, utilizzare nuovi componenti come quelli realizzati in nitruro di gallio (GaN) o inventare soluzioni efficienti per convertire la tensione di distribuzione di 400 VDC nella tensione di 1 VDC richiesta dai microprocessori. Nella community che opera all’interno dei data center il nuovo motto è “400 a 1 @ 99”; in altre parole, ciò significa convertire una tensione di ingresso di 400 VDC in una tensione di uscita di 1 VDC con un rapporto di conversione (efficienza) del 99%.

Fig. 3 – Centro di controllo messo a punto da Rolls-Royce che da terra esegue la supervisione di navi senza equipaggio (Fonte: Rolls-Royce)

Il ruolo degli 1 e degli 0

Esiste un altro settore in cui l’innovazione tecnologica ha contribuito a incrementare livelli di potenza, efficienza e flessibilità ed è quello che va sotto il nome di “Digital Power” (potenza digitale). Questa tecnologia, sviluppata in origine per il settore ICT e i data center ad alta densità, si è diffusa in altri settori industriali, divenendo la piattaforma di riferimento per tutti i progettisti di sistemi di potenza che si trovano ad affrontare nuove problematiche.

Sia che si tratti di una semplice operazione di monitoraggio oppure un controllo avanzato della commutazione, il numero di alimentatori che adottano questa tecnologia è in crescita esponenziale; essa viene utilizzata anche in apparecchiature medicali avanzate, come i sistemi MRI (Magnetic Resonance Imaging), dove la potenza digitale abbinata alla tecnologia “coreless” permette di effettuare una conversione di potenza in modo efficiente in condizioni estreme, ad esempio , in presenza di un campo magnetica di intensità pari a 4 Tesla (Fig. 2).

L’integrazione di una “catena digitale” all’interno degli alimentatori, oggetto di dibattiti per quasi un decennio, ha aperto la strada a nuove applicazioni, impensabili fino a qualche anno fa.

Da Internet of Things alle navi senza equipaggio che solcano gli oceani (Fig. 3), gli alimentatori del futuro non saranno uguali a quelli odierni e i progettisti di potenza stanno già lavorando su architetture di potenza “intelligenti” in grado di auto-controllare il modo in cui operano. La domanda da porsi è quando queste architetture vedranno la luce. La risposta non è affatto semplice ma, visti in progetti in corso – sbarco di esseri umani su Marte, veicoli senza pilota, Industry 4.0 e altre applicazioni che richiedono elevata affidabilità e controllo e monitoraggio remoti – il 2020 potrebbe essere una data realistica.

Sistemi di alimentazione per applicazioni medicali e di assistenza domiciliare

Dagli 1,2 miliardi di dollari del 2016, il mercato globale degli alimentatori per applicazioni medicali è destinato a crescere a un ritmo pari al 4,5% su base annua nel periodo compreso tra il 2017 e 2022. Questo incremento è imputabile all’allungamento della vita media della popolazione globale e all’aumento delle malattie croniche, abbinato a fattori economici che favoriscono la diffusione dell’assistenza sanitaria domestica. Oltre alle tradizionali apparecchiature per le strutture ospedaliere e i centri medici, si assiste a un aumento della richiesta per apparecchiature elettriche medicali progettate per l’uso in ambiente domestico.

EXM2205 è un alimentatore esterno di forma lenticolare conforme alle normative medicali per applicazioni di assistenza sanitaria domestica sviluppato da Powerbox (Fonte: Powerbox)

Ciò richiede, da parte dei produttori di alimentatori, non solo di garantire la conformità con i diversi standard e regolamenti in vigore in questo settore, ma anche di considerare il comfort del paziente e l’ambiente in cui si trova, progettando quindi prodotti adatti all’ambiente in cui devono operare. Un esempio è l’alimentatore di forma lenticolare, che non prevede spigoli vivi e permette di evitare il bloccaggio di una sedia a rotelle. A causa della peculiarità del settore medicale e dei rischi legati al verificarsi di una scossa elettrica o al cattivo funzionamento di un’apparecchiatura provocati da un guasto della sorgente di alimentatore, gli alimentatori devono risultare conformi a certificazioni e normative particolarmente severe.

L’adozione della 4a edizione dello standard IEC60601 è un esempio dell’applicazione delle normative di sicurezza in questo settore. In ogni caso, al di là di ogni normativa, i produttori di alimentatori hanno adottato iniziative per lo sviluppo di processi finalizzati alla valutazione del rischio che superino i requisiti imposti dalla normativa ISO 14971 e per rendere gli impianti produttivi conformi allo standard ISO 13485. Il progetto di un alimentatore per uso medicale non solo richiede una tecnologia all’avanguardia, ma anche competenze approfondite per quel che riguarda regolamenti e settori di applicazione.

Per i progettisti, lo sviluppo di alimentatori interni o esterni per applicazioni medicali presenta parecchi problemi: il design di un alimentatori che abbini elevata efficienza, un alto grado di isolamento, correnti di dispersioni estremamente ridotte e sia in grado di garantire un funzionamento senza problemi di sistemi critici non è un’impresa agevole. In ogni caso, si tratta di un compito estremamente interessante, specialmente nel caso dell’assistenza sanitaria domestica, dove l’interazione tra paziente e apparecchiature installate impone di prendere in considerazione numerosi altri aspetti, come ad esempio la coesistenza con dispositivi radio.

Bibliografia

Cisco – The Zettabyte Era — Trends and Analysis: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html

Ericsson – Mobility report: https://www.ericsson.com/mobility-report

IEC60601-1-11: http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_ics/catalogue_detail_ics.htm?csnumber=65529

FDA Design considerations for devices intended for Home Use:

http://www.fda.gov/downloads/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/GuidanceDocuments/UCM331681.pdf%20

Powerbox: https://www.prbx.com/

Patrick Le Fèvre, Chief Marketing and Communications officer, Powerbox

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