Nei prossimi anni decine di miliardi di “oggetti” saranno connessi a Internet, anche se non tutti saranno sensori con il proprio indirizzo IP. Molti di questi “oggetti” saranno gateway il cui compito è concentrare i dati ricevuti da un gran numero di dispositivi attraverso collegamenti come ad esempio Bluetooth, connessioni radio proprietarie a basso consumo, nonché connessioni cablate punto-punto o bus da campo. Con l’integrazione di questi dispositivi, Internet of Things (IoT) potrebbe raccogliere dati provenienti da più di 1000 miliardi (1012) di sensori che devono essere elaborati e memorizzati nel cloud.
Fig. 1 – I requisiti in termini di efficienza media minima previsti dal Livello VI sono notevolmente superiori rispetto a quelli richiesti delle precedenti specifiche
Nella fase di sviluppo dei progetti per applicazioni IoT si utilizzano comunemente tecniche di progettazione a basso consumo (low power) in modo da consentire ai punti terminali (endpoint) come ad esempio i sensori “intelligenti” di funzionare per periodi di tempo molto lunghi utilizzando batterie o l’energia accumulata dall’ambiente circostante (energy harvesting). I gateway, dal canto loro, richiedono una potenza notevolmente superiore rispetto a quella che può essere erogata da una batteria di piccole dimensioni o da sistemi per l’energy harvesting.
A differenza dei sensori, che devono essere posizionati in luoghi precisi, i gateway devono essere ubicati nei pressi di una sorgente di alimentazione come ad esempio una presa di corrente in AC. Nel caso venga utilizzato un adattatore esterno per fornire l’alimentazione DC a bassa tensione richiesta dai gateway, i progettisti possono semplificare il circuito interno del gateway e “scaricare” la responsabilità della conformità agli standard che disciplinano l’efficienza e la sicurezza al costruttore dell’adattatore.
Realizzare adattatori più efficienti
I progettisti di una pluralità di sistemi prodotti dagli OEM hanno deciso ormai da diversi decenni di alimentare i loro prodotti utilizzando un adattatore esterno. Questi adattatori hanno riscosso un notevole successo al punto che già negli anni ’90 si prevedeva che miliardi di dispositivi sarebbero stati alimentati utilizzando questa modalità. Nel 1998 uno studio condotto da Alan Meier che lavorava presso i Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) stimava che circa il 5% del consumo totale di elettricità per uso residenziale negli Stati Uniti – valutato pari a circa 3 miliardi di dollari – era sprecata dagli alimentatori mentre le apparecchiature connesse si trovano in modalità di stand-by. Secondo le previsioni, questa percentuale era destinata a raggiungere una percentuale del 30% nell’arco dei successivi vent’anni se nel frattempo non si fossero presi opportuni provvedimenti.
Tabella 1 – Specifiche relative al consumo in assenza di carico e di efficienza dinamica per le categorie previste dal protocollo di Livello VI
Le prime specifiche vincolanti relative all’efficienza energetica per gli adattatori esterni entrarono in vigore in California nel 2004. Standard analoghi sono stati adottati su scala mondiale e armonizzati sotto forma di protocollo di marcatura per l’efficienza energetica per gli alimentatori esterni. Le successive evoluzioni del protocollo hanno imposto limiti sempre più severi nei confronti dei consumi di potenza in assenza di carico (no load) e del livello minimo di efficienza operativa media. Al giorno d’oggi tutti gli alimentatori esterni commercializzati negli Stati Uniti e in Canada devono soddisfare le specifiche di livello IV del protocollo e devono recare sull’etichetta il numero IV impresso in numero romano sulla targhetta. Attualmente l’Unione Europea impone le specifiche, più stringenti, di Livello V.
Nel 2014 il Dipartimento statunitense dell’energia (DoE – Department of Energy) aveva annunciato che tutti gli alimentatori esterni (EPS – External Power Supplies) prodotti dopo il 10 febbraio 2016 e commercializzati negli Stati Uniti dovevano soddisfare le specifiche di efficienza di Livello VI. E verosimile che anche l’Unione Europea e gli altri organismi competenti richiedano in tempi brevi la conformità a questo livello, sebbene finora non sia trapelato nulla di ufficiale a questo riguardo.
Le nuove regole che stanno per entrare in vigore negli Stati Uniti saranno valide per tutti gli alimentatori esterni, sia che vengano spediti come prodotti a se stanti sia che facciano parte di altre apparecchiature prodotte dagli OEM come PC notebook, smartphone, tablet, stampanti, hub Internet, router e gateway IoT. In considerazione dell’esponenziale aumento previsto per le applicazioni IoT, le specifiche di Livello VI potrebbero fornire una valida protezione all’ambiente contro gli effetti imputabili alla connessione di un gran numero di gateway IoT alla rete elettrica.
CUI ha iniziato a introdurre prodotti conformi al Livello VI nella propria gamma di EPS verso la fine del 2014 per soddisare le specifiche in via di introduzione. Solitamente i produttori di EPS adattano il loro portafoglio prodotti in modo da garantire la conformità agli standard più severi in modo da ottimizzare l’efficienza operativa degli OEM ed eliminare gli errori nella catena di fornitura fornendo un tipo di alimentatore comune per prodotti che devono essere esportati in differenti mercati.
Il protocollo del livello VI è molto più complesso dei suoi predecessori e definisce cinque categorie di adattatori comprese, per la prima volta, le unità che erogano una potenza superiore a 250W. Nella tabella 1 sono riportate le specifiche in termini di consumi in assenza di carico e di efficienza media per tutte le categorie previste.
Solitamente i gateway IoT non richiederanno adattatori da 250W o a uscita multipla, ma potrebbero essere progettati per l’utilizzo con un alimentatore AC/DC a tensione singola con uscita superiore a 6V o inferiore a 6 V (bassa tensione) appartenente alla categoria di prodotti con potenza compresa tra 1 e 49W. Nella figura 1 è riportato il confronto tra le specifiche, in termini di efficienza media minima, per una adattatore a tensione singola (con uscita maggiore di 6V) conforme al Livello VI rispetto alle specifiche previste dai precedenti livelli (III, IV e V). Il limite è notevolmente superiore per le unità comprese nel range tra 0,5-5W che saranno quelle presumibilmente più utilizzate per alimentare i gateway IoT. In funzione dell’applicazione, un gateway può essere progettato per utilizzare modalità di “sleep”, sfruttando in tal modo i vantaggi legati ai più bassi consumi in assenza di carico previsti dalle normative di Livello VI. Altre applicazioni possono richiedere al gateway di essere attivo su base più o meno continuativa.
Progettare per il Livello VI
La conformità alle nuove specifiche di impongono ai progettisti di affrontare problematiche molto complesse. Rispetto agli alimentatori realizzati da CUI per soddisfare le specifiche di Livello V, le nuove unità di Livello VI sono caratterizzate da sostanziali differenze in quasi tutti gli aspetti relativi ai circuito del primario e del secondario. Tra queste da segnalare l’integrazione dei più recenti circuiti integrati di controllo capaci di supportare modalità operative avanzate in presenza di carichi di valore ridotto: nelle condizioni di funzionamento normale i nuovi controllori operano a una frequenza di commutazione di 65 kHz, la medesima prevista dalle specifiche del Livello V, ma commutano a una frequenza di 22 kHz in presenza di carichi ridotti (o in assenza di carico) al fine di ridurre le perdite di potenza e migliorare l’efficienza. I valori dei condensatori e dei resistori del circuito di retroazione del secondario sono stati ulteriormente ottimizzati per attenuate gli effetti dell’aumento dell’ondulazione e del rumore che si manifestano a frequenze di commutazione inferiori. Gli integrati di controllo sfruttano l’evoluzione tecnologica per ridurre il consumo a riposo che contribuisce a garantire la conformità ai più severi limiti relativi ai consumi in assenza di carico.
Le variazioni relative al circuito del secondario degli alimentatori a bassa tensione/elevate corrente conformi alle specifiche di Livello VI prevedono l’adozione della rettificazione sincrona mediante MOSFET e un circuito integrato di controllo dedicato al posto della semplice rettificazione tramite diodo. Anche in questo caso si è proceduto a un’ulteriore ottimizzazione dei valori della resistenza e all’uso di fili di diametro tale ridurre la dissipazione di potenza interna. Oltre a ciò, l’adozione di nuovi MOSFET con resistenza nello stato di on più bassa contribuisce ad aumentare l’efficienza in presenza di carichi di notevole entità.
D’altro canto, la configurazione del circuito di potenza principale è molto simile a quella delle unità conformi alle specifiche di Livello V. Le unità con potenza nominale inferiore a 120W utilizzano la collaudata configurazione flyback messa a punto da CUI, mentre gli adattatori con potenza nominale superiore a 120W adottano la topologia LLC risonante. Val la pena sottolineare che la maggiore efficienza media degli alimentatori conformi alle specifiche di livello VI contribusce a ridurre la temperature di funzionamento tipica, con riflessi favorevoli sull’affidabilità. Ciò può tradursi in un notevole vantaggio nelle applicazioni IoT, dove le apparecchiature devono poter operare per lunghi periodi sul campo senza essere praticamente sottoposte ad alcun tipo di manutenzione.
Le migliorie per l’ambiente e le applicazioni IoT
L’Agenzia Americana EPA (Environmental Protection Agency) ha sottolineato il fatto che le normative imposte sugli alimentatori esterni hanno contribuito, nell’ultima decade, a ridurre le emissioni di anidride carbonica (CO2) di una quantità superiore a 24 milioni di tonnellate all’anno e fatto risparmiare 2,5 miliardi di dollari sugli elettrodomestici, sempre su base annua. Il Dipartimento statunitense dell’energia ritiene che grazie alle nuove specifiche di Livello VI sarà possibile eliminare l’emissione di circa 47 milioni di tonnellate di CO2. I produttori di apparecchiature come i gateway IoT devono adeguare i loro prodotti alle più recenti normative relative agli alimentatori e al risparmio energetico. Gli adattatori conformi alle norme di Livello VI sono già disponibili in modo da poter garantire la compatibilità dei prodotti in cui vengono utilizzati nel momento stesso in cui questa normativa entrerà ufficialmente in vigore.
Autore: Jeff Schnabel, CUI, jschnabel@cui.com