40 de ani de evoluţie a managementului energetic

8 MAI 2016

Cu “Eficienţă energetică în minte”, proiectanţii de putere caută permanent noi căi de a face sursele de alimentare mai eficiente şi, cu ajutorul industriei de componente şi numărului impresionant de inovaţii, au reuşit să spargă câteva bariere care, acum câţiva ani păreau indestructibile. În marea varietate a industriei de surse de tensiune, de la punctul de sarcină Nano-watt integrat cu procesoare, până la surse de tensiune neîntreruptibile de foarte mare putere (UPS), proiectanţii au contribuit la revoluţia internetului care, fără un management energetic eficient nu s-ar fi întâmplat. Suntem cu toţii obişnuiţi cu telefoanele mobile şi întotdeauna ne plângem de capacitatea bateriei, dar ar trebui să ne amintim că aceste dispozitive au trecut de la transport voce la transfer masiv de date, necesitând procesoarelor să opereze la frecvenţe de ceas foarte ridicate, ce implică multă energie. Considerând că energia disponibilă pentru dispozitivele mobile este limitată la capacitatea bateriei, până când noile tehnologii (de exemplu celulele de combustibil - fuel-cell) vor extinde această capacitate cu un factor x10 şi chiar mai mult, singura cale de a garanta utilizatorilor cele mai ridicate performanţe, pentru perioadele cele mai mari de timp, este de a gestiona energia disponibilă într-o manieră foarte eficientă. Acesta este locul în care managementul energetic devine o artă. Noi, ca ingineri, înţelegem cu toţii relaţia între utilizarea telefoanelor mobile şi capacitatea bateriei. De asemenea, ne pasă de provocările cărora trebuie să le facă faţă societatea noastră, legate de schimbările climatice şi de necesitatea reducerii consumului energetic, care la un moment dat va contribui la reducerea emisiilor de carbon. Cum se poate ca noi, inginerii de dispozitive de putere să contribuim la aceasta şi ce tehnologii trebuie să luăm în considerare?

de Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication, Powerbox


Când îmbunătăţirea componentelor nu este de ajuns

După cum s-a menţionat în introducere, industria componentelor contribuie substanţial la îmbună­tăţirile eficienţei energetice, iar introducerea de noi tehnologii şi materiale contribuie puternic la reducerea consumului energetic. De la introducerea diodelor Schottky, urmată de MOSFET şi mai recent utilizarea nitrurii de galiu (Gallium Nitride) şi carburii de siliciu (Silicon Carbide), perfor­manţele surselor de energie au făcut câteva salturi, atingând unele bariere fizice dificil de înlăturat, dar nu imposibil (vezi Figura 1).

PowerBox_EA0416_Figure_01

Figura 1: Performanţele randamentului convertoarelor DC/DC de 200W în funcţie de tehnologia disponibilă în timp.

În paralel cu evoluţia componentelor, în mijlocul anilor ‘70, inginerii de dispozitive de putere Trey Burns, N.R. Miller, Chris Henze şi alţii, au făcut cercetări asupra modului prin care se poate face digitalizarea conversiei de putere. În comunitatea sistemelor de putere, PESC 1977 este considerată ca naşterea controlului digital aplicat domeniului de putere, deşi lipsa puterii de calcul a limitat capa­citatea explorării complete, aproape nelimitate, a posibilităţilor oferite de digitalizare.
Au urmat câteva experimente, urmate abia în anii ‘90 de apariţia pe piaţă a procesorului de semnal digital DSP C2000 de la Texas Instruments.
Cu ajutorul acestuia industria de putere a materia­lizat posibilităţile oferite de procesarea digitală în sistemele de putere şi a integrat controlul digital într-o sursă de tensiune neîntreruptibilă.
Această primă aplicaţie a demonstrat posibilităţile impresionante oferite de digitalizarea domeniului de putere şi cât de eficient poate fi. Ea este considerată o piatră de hotar importantă în industria de putere, iar în 2004, odată cu materializarea eforturilor industriale de a dezvolta protocoale de comunicaţie comune pentru surse de putere, PMBus, industria de putere a intrat într-o nouă eră.
În ultimii 10 ani, producătorii de componente şi surse de putere au scos pe piaţă un număr important de produse bazate pe tehnologie digitală de putere. De la puncte de sarcină PoL până la centre de date, această tehnologie contribuie la redu­cerea consumului energetic, precum şi, cu o disipare energetică mai mică, la îmbunătăţirea siguranţei de funcţionare şi reducerea costului total de proprietate.

Câteva exemple:

DPFC – În domeniul aplicaţiilor AC/DC, numărul de PFC-uri (corector factor de putere) active sunt controlate digital (DPFC), optimizând performanţele în timp real. Parametrii DPFC pot fi reglaţi dinamic pentru a lua în considerare perturbaţiile de linie, mediul, variaţiile de sarcină şi alţi parametri, optimizând cali­tatea factorului de putere. Suplimentar, pentru a conferi performanţă ridicată sursei de tensiune finale, DPFC poate oferi informaţie către sistem sau către supervizor, raportând starea ope­ra­ţiei, iar în cazul unei aplicaţii de comandă de la distanţă, poate ajuta la diagnosticarea timpurie a problemelor, reducând riscurile legate de timpii de oprire.

PowerBox_EA0416_figure_02

Figura 2: Comparaţie între două convertoare DC/DC cu puteri de ieşire similare. Produsul analogic este optimizat pentru performanţe ridicate la sarcină maximă, prezentând performanţe mai reduse atunci când sarcina descreşte.

DC/DC – Partea de comutaţie a sursei de tensiune beneficiază de asemenea de controlul digital prin optimizarea factorilor de umplere şi a timpilor morţi, conducând la reducerea consumului energetic în cazul unor sarcini sub o anumită valoare (de la 10% la 25% în funcţie de putere şi aplicaţie), caz în care tehnologiile convenţionale au dificultăţi de a optimiza condiţiile de comutaţie. Controlul digital ope­rează similar cu a avea trei sau patru convertoare de putere diferite optimizate pentru câte un tip de sarcină (Joasă – Medie – Ridicată). Figura 2 prezintă o comparaţie între două convertoare DC/DC cu putere de ieşire similară. Produsul analogic este optimizat pentru performanţe ridicate la sarcină maximă, prezentând performanţe mai reduse odată cu scăderea sarcinii. Controlul digital implică o tehnologie similară cu cea descrisă anterior, trei configuraţii într-un convertor de putere, reglând parametrii operaţionali la condiţiile de sarcină.

Tensiunea de magistrală – Indiferent de industrie: tehnologia informaţiei şi comunicaţiilor, transport, sector industrial, medicină sau apărare, tensiunea de magistrală intermediară este curent utilizată. Legată implicit şi istoric de alimentarea hard-disk-urilor, ventilatoarelor şi switch-urilor, 12V este de facto tensiunea adoptată de majoritatea aplicaţiilor. Dacă această tensiune era convenabilă la coborârea către 5V, 12V a devenit mai puţin relevantă la alimentarea procesoarelor de sub 1V, generând pierderi nedorite, în special la operarea la sarcină redusă.
În 2005, Systems Architects au început să exploreze diferite tensiuni de la 8V la 13V şi să ia în conside­rare tensiuni de magistrală reglabile la condiţiile de sarcină. Într-un mod empiric, tensiunea de ieşire a unui convertor DC/DC era controlată prin utilizarea unui potenţiometru electronic, reglând tensiunea de magistrală la un semnal oferit de o sursă externă. Acest experiment a condus la concluzia că avantajele potenţiale pot ajunge la o economie energetică de 3 până la 5%, dar complexitatea pentru implementarea unei asemenea topologii pe cale ana­logică limitează implementările comerciale.
Odată cu introducerea în 2010 a puterii digitale şi PMBus, Systems Architects au reluat experimentele din 2005 şi au explorat noi căi de reglare a tensiunii de magistrală la condiţiile de sarcină. Tehnologia cunoscută ca DBV (Dynamic Bus Voltage – tensiune de magistrală dinamică) a început să aducă în aplicaţiile de medie putere (de exemplu noduri radio micro) o economie energetică de până la 10%. DBV a fost prima aplicaţie ce a combinat avantajele surselor de tensiune controlate digital (AC/DC sau DC/DC) software-ul de management energetic, optimizând distribuţia de putere către operaţie.

Alimentarea procesoarelor – Microprocesoarele, FPGA-urile şi ASIC-urile necesită tensiuni de alimentare foarte stabile, la valori adesea sub 1V la nivel de nucleu. Timp de mulţi ani, producătorii de procesoare au inclus un sistem de identificare a tensiunii (VID) bazat pe o matrice de rezistenţe ridicătoare şi coborâtoare pentru reglarea tensiunii către nucleu la valoarea necesară. Această tehnologie ce necesita rezistenţe externe a funcţionat timp de decenii, deşi nu era flexibilă atunci când se analizau noi aplicaţii şi alte tipuri de procesoare. Producătorii de regulatoare de tensiune au dezvoltat, în cooperare cu industria de procesoare, un concept cunoscut ca Scalare Adaptivă a Tensiunii (AVS), oferind capabilitatea de control simplu prin software. Procesorul şi regu­latorul de tensiune au devenit strâns conectaţi, iar procesorul a devenit capabil să regleze prin software tensiunea de care are nevoie.

Pentru a adapta această tehnologie la standardul existent, în martie 2014, organizaţia PMBus a actua­lizat standardul la 1.3, incluzând protocoale pentru scalarea adaptivă a tensiunii (standard actualizat în martie 2015 la 1.3.1). AVS este o nouă tehnologie, neimplementată încă pe scară largă, dar care promite un viitor strălucit, în special atunci când se discută de aplicaţii noi, precum cele legate de Internetul Lucrurilor (IoT).

Power Management 2.0 – Odată cu apariţia noilor aplicaţii precum IoT, dar sub permanenta presiune de a reduce consumul energetic, arhi­tecţii de sisteme obişnuiţi cu software-ul au realizat că nu ar trebui să fie imposibilă dezvoltarea unui nivel software dedicat managementului energetic, capabil de a se adresa de la sistem la o singură placă. La început părea o utopie, dar după trei ani de experimente a apărut noţiunea de SDPA (Software Defined Power Architecture) şi a început să se propage în industria de putere.

Combinând scalarea adaptivă a tensiunii, tensiunea de magistrală dinamică, optimizarea comu­taţiei în sursele de tensiune, mod de aşteptare inteligent şi tehnologii colaterale, sistemele de pute­re digitale pot reduce semnificativ consumul energetic. Fiind prea devreme pentru a da cifre, dar dacă luăm în considerare ce s-a obţinut în a face dispozitivele noastre mobile inteligente energetic, şi zonele neexplorate în care se poate aplica puterea digitală, SDPA poate fi considerată o nouă piatră de hotar ce schimbă modul de gestionare a energiei, dar şi modul de proiectare a sistemelor de putere.

Când puterea digitală întâlneşte IoT

Unii ar putea argumenta că “Puterea Digitală” este un termen generic şi acoperă o gamă foarte largă de aplicaţii, iar eu sunt complet de acord. La aproape 40 de ani după prezentarea de la PESC 1977, implicaţiile controlului şi managementului energetic digital sunt peste tot, de la gestionarea eficientă a bateriei în telefoanele mobile până centrele de date gigantice alimentând omenirea cu date, iar între acestea, mii de nivele ce necesită conversie energetică. Zona de aplicare este uriaşă.
Un exemplu îl reprezintă Internetul Lucrurilor (IoT), care este un subiect fierbinte şi o arie de aplicaţii ce va necesita soluţii de putere flexibile şi foarte eficiente. Ştim că numeroase dispozitive IoT se pregătesc de a fi inventate, dar este sigur că acestea vor necesita energie şi cel mai probabil că sistemul de putere va fi rezident pe cip, o altă zonă în care puterea digitală asociată cu software-ul integrat pot excela. Dezvoltarea de dispozitive eficiente şi accesibile pentru alimentarea IoT este o prioritate. Este important ca un număr mare de experţi să lucreze împreună pentru a dezvolta acest tip de produse pentru milioanele de dispozitive conectate aşteptate să apară în următorii 5 ani.

Cu scopul de a răspunde acestei cerinţe, în octom­brie 2015, IEEE a format grupurile de lucru IEEE P2415™ Unified Hardware Abstraction and Layer şi IEEE P2416™ Power Modeling Meta-standard. Ambele grupuri de lucru vor elabora schiţe de standarde cu intenţia de a sigura suport pentru electronică mai puternică şi mai accesibilă.

După cum arhitecţii de sisteme consideră arhitectura de putere definită software (SDPA) ca un element de bază în atingerea de performanţe energe­tice mai ridicate, software-ul cu grijă faţă de energie este un punct de cotitură pentru producătorii de semiconductoare şi tehnologie Power On Chip (putere pe cip), prin care răspund cerinţelor IoT şi noilor aplicaţii ce urmează să fie inventate.

Concluzie

După cum a fost prezentat în acest articol, de la PESC 1977 la grupurile de lucru formate de organizaţia IEEE în octombrie 2015, managementul energetic şi puterea digitală au avut de parcurs un drum lung. Proiectanţii de sisteme de putere au plasat aşteptări ridicate de la nivelele software, şi se prevede că acestea vor contribui la reducerea consumului energetic. IoT şi toate noile aplicaţii ce necesită un management energetic inteligent, des­chid o plajă foarte mare de noi tehnologii de explorat, ceea ce pentru proiectanţii de sisteme de putere este foarte captivant.

Alimentarea energetică a viitorului în mod simplu şi eficient este “Graalul” proiectanţilor de sisteme de putere, iar arhitectura de putere definită software este crezul lor ■

Powerbox
www.prbx.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre