Figura 1: Amprenta unui comutator de telecomunicaţii pentru conectarea a 10,000 de abonaţi 1980 – 2020 (Sursă: Powerbox)
Transformarea segmentelor de piaţă
Nu este posibilă intrarea în detalii asupra fiecărui segment, dar este unul care a avut o influenţă majoră asupra tuturor celorlalte şi anume segmentul de Comunicaţii de date / Telecomunicaţii.
De decenii, segmentul de Telecomunicaţii a fost una dintre tehnologiile principale şi predominante ce a condus la inovaţii în cadrul industriei de putere. Ne amintim cu toţii de evoluţia distribuţiei de putere, trecând de la putere centralizată la putere descentralizată, adoptată apoi de alte industrii, devenind o arhitectură de putere pe plan mondial în toate segmentele, de la Industrie la Apărare. La fel s-a pus problema şi pentru tehnologia de putere digitală, care este acum utilizată în multe produse din segmente non-telecom.
Toate evoluţiile acestor tehnologii au fost conduse de necesitatea de a face echipamentele de telecomunicaţii mai eficiente energetic, de a reduce consumul de energie şi amprenta de carbon, dar şi de posibilitatea de a integra pe un cip astăzi, ceea ce în anii ‘80 era de dimensiunea unei clădiri (Figura 1).
Integrarea pe un cip a ceea ce obişnuia să fie o centrală de telecomunicaţii a avut un impact puternic asupra volumului de module de putere consumat de această industrie, dar şi asupra modului în care este distribuită şi optimizată energia. În zilele de vârf ale anului 2000, producţia mondială de convertoare DC/DC montate pe placă, oferind de la 5 la 20W era de aproape de 35 de milioane de unităţi, iar pentru o categorie similară de produse utilizate de industria de telecomunicaţii în 2017 se estimează un număr de 6 milioane de unităţi. Cu toţii ştim că piaţa de telecomunicaţii a atins un anumit nivel de saturaţie, dar există alte motive ce explică această scădere impresionantă în volum: un nivel înalt de integrare şi creşterea utilizării de soluţii discrete.
Nivel mai mare de integrare
Migrând de la voce la date, industria de telecomunicaţii a atins rapid punctul de integrare cu industria de comunicaţii de date, devenind Informaţie, Comunicaţie şi Tehnologie (ICT). În acest moment, ambele industrii au îmbunătăţit dezvoltarea de noi generaţii de procesoare de semnal şi alte ASIC-uri complexe de management de date ce necesită putere ridicată DC/DC (de exemplu convertoare de magistrală intermediare) cu conversie coborâtoare localizată, realizată de punctul de sarcină (POL). În câţiva ani staţiile de bază radio au devenit mai mici şi mai mici, accesul la energie s-a micşorat la dimensiunea unei cutii, iar centrele de date au devenit inima industriei ICT. Acest nivel ridicat de digitalizare a avut impact asupra pieţei conversiei DC/DC de joasă putere şi a contribuit la dezvoltarea aşa numitelor cărămizi (bricks) cu densitate mare de energie, de până la 1KW pentru un legendar sfert de cărămidă.
Creşterea utilizării de soluţii discrete
Considerată de mulţi ca Nessie, monstrul din Loch Ness, tranziţia de la modulele DC/DC la soluţii discrete este o realitate şi, odată cu miniaturizarea echipamentelor de telecomunicaţii şi înaltul nivel de integrare, practica de construire a devenit bine stabilită. Această tranziţie a fost facilitată de producătorii de semiconductoare care au dezvoltat un suport de proiectare de un nivel foarte ridicat, simplificând implementarea de putere medie şi mică la nivel de placă şi dezvoltarea de puncte de sarcină înalt integrate.
În ciuda faptului că numeroase studii de piaţă despre creşterea volumului de PWM sunt frecvent publicate, nu este simplu de cuantificat volumul tranziţiei de la convertoarele DC/DC convenţionale montate pe placă în segmentul de telecomunicaţii, deşi aproximativ 65% din funcţiile de conversie de putere joasă/medie sunt acum obţinute cu soluţii discrete, comparativ cu numai 15%, acum 10 ani.
Combinând cerinţele reduse ale pieţei pentru echipament convenţional de telecomunicaţii, integrarea înaltă şi tranziţia către soluţii discrete, convertoarele DC/DC de putere medie şi mică au căzut, dar au fost compensate la nivel superior soluţiile de putere ridicată şi de alte segmente în dezvoltare, precum cel medical.
Zone de creştere pline de inovaţii
Putere brută
Este evident că staţiile de bază radio devin mai mici şi, în ciude numărului aşteptat de transmiţătoare 5G cerut de această nouă tehnologie, volumul de dispozitive de joasă şi medie putere cu montare pe placă nu va ajunge niciodată acolo unde a fost în perioada de vârf. Acest lucru ilustrează impactul schimbării tehnologiei şi provocările pentru producătorii de surse de alimentare de a fi mereu gata pentru noul val de inovaţii.
Odată cu explozia Internetului, traficul de date a crescut foarte mult, solicitând ca centrele de date să proceseze date mai mult şi mai mult, mai repede şi mai repede. Mai multe date / mai rapid înseamnă mai multe procesoare şi mai multe surse de alimentare. Datorită nivelului extrem de ridicat de integrare, anumite plăci vor necesita curând mai mult de 3KW, ceea ce este o provocare nu numai pentru putere în sine, ci şi asupra modului în care asemenea plăci pot fi păstrate suficient de reci.
Alimentarea cu soluţii eficiente energetic a serverelor şi a altor routere IP de trafic de masă solicită de la proiectanţii de putere să inoveze noi topologii, să utilizeze noi componente precum cele bazate pe nitrura de galiu sau să inventeze soluţii eficiente de a converti de la tensiunea de distribuţie de 400VDC la 1VDC cerut de microprocesor. În cadrul comunităţii de alimentare cu energie a centrelor de date, noul motto este 400 la 1 @ 99, ceea ce înseamnă o intrare de 400VDC, ieşire de 1VDC la un raport de conversie de 99%.
Desigur că este o provocare, dar, după cum spunem noi în cadrul comunităţii de putere: “Limitele sunt făcute pentru a fi depăşite”; cât despre pionierii surselor de putere, dintre care fac şi eu parte, cu toţii ne amintim de câte ori a trebuit să trecem de limite de netrecut!
Figura 2: Powerbox GB350 – sursă de putere controlată digital pentru aplicaţii solicitante, operând în câmp electromagnetic ridicat (Sursă: iStock.com/baranozdemir – Powerbox)
Figura 3: Centrul de control de pe ţărm Rolls-Royce oX pentru supravegherea navelor fără pilot (Sursa imaginii: Rolls-Royce)
1 şi 0 fac jocul
Există o alta zonă în care inovarea în tehnologie contribuie la creşterea puterii, randamentului şi flexibilităţii, care este aşa numita “Putere Digitală”.
Considerată ca anecdotică atunci când a fost prezentată prima dată, tehnologia de putere digitală original dezvoltată pentru ICT şi centre de date de mare densitate şi-a deschis calea şi către alte industrii, devenind platforma preferată de proiectanţii de putere atunci când se adresează unor noi provocări.
De la o simplă funcţie de monitorizare la un control de comutaţie foarte avansat, numărul de surse de alimentare ce utilizează această tehnologie creşte exponenţial, ele fiind utilizate chiar şi în echipamente medicale foarte avansate, precum aparate de imagistică cu rezonanţă magnetică (MRI), unde puterea digitală combinată cu tehnologia fără nucleu fac posibilă o conversie de putere eficientă în condiţii extreme (de exemplu câmpul magnetic ridicat al 4 Tesla) (Figura 2).
Amplu dezbătută aproape un deceniu, integrarea unui canal digital într-o sursă de alimentare a deschis un nou domeniu de aplicaţii, la care acum câţiva ani nici nu puteam gândi că vor exista.
De la Internetul Lucrurilor (cu tot ceea ce ar fi prins în această categorie) şi până la navele fără pilot ce traversează oceanele, viitoarele surse de alimentare nu vor fi precum cele de astăzi, iar inginerii de putere lucrează deja la arhitecturi de putere inteligente capabile de autocontrol al modului în care operează. Cât de repede se va ajunge la acest scop? Greu de zis, dar cu proiecte de a duce oameni pe Marte, vehicule fără pilot, Industry 4.0 şi toate celelalte aplicaţii ce necesită siguranţă extremă de funcţionare şi monitorizare şi control complet de la distanţă, nu poate dura prea mult, iar 2020 poate fi o estimare bună (Figura 3).
Alimentarea dispozitivelor medicale şi casnice de menţinere a sănătăţii
De la 1.2 miliarde de USD în 2016, piaţa globală de surse de tensiune pentru domeniul medical este aşteptată să se extindă la un CAGR de 4.5% din 2017 până în 2022. Această creştere rezultă dintr-o populaţie globală care trăieşte mai mult, dar trebuie să facă faţă unui număr crescut de boli cronice, combinată cu factori economici care conduc la o creştere a îngrijirii sănătăţii la domiciliu.
Pe lângă echipamentele convenţionale pentru spitale şi infrastructuri medicale, există o cerinţă crescătoare pentru echipamente medicale proiectate pentru utilizare casnică, solicitând de la producătorii de surse de alimentare să ia în considerare nu numai standarde şi norme, ci şi confortul pacientului şi mediul pacientului, de exemplu prin proiectarea unor produse pentru mediul casnic, de formă lenticulară, eliminând formele dure şi evitând blocarea scaunelor cu rotile (Figura 4).
Figura 4: Powerbox EXM2205 – Sursă de alimentare externă de formă lenticulară certificată pentru domeniul medical pentru aplicaţii casnice de îngrijire a sănătăţii. (Sursă: Powerbox)
Datorită naturii domeniului medical şi riscului de şocuri electrice sau funcţionării defectuoase datorate unei surse de alimentare defecte, sursele trebuie să se conformeze cu norme stricte şi sisteme de certificare. Implementarea aşa numitului IEC 60601 a 4-a ediţie, este un exemplu de norme de siguranţă obligatorii în această industrie, dar, pe lângă orice reguli, producătorii de surse de tensiune iau iniţiative de a dezvolta procese integrând evaluarea riscului mult dincolo de ce se cere prin ISO 14971, făcând ca fabricile să se conformeze cu ISO 13485. Proiectarea unei surse de alimentare pentru domeniul medical necesită nu numai cea mai bună tehnologie de putere, ci şi un nivel foarte ridicat de cunoştinţe cu privire la norme şi câmpul de aplicaţii.
Pentru proiectanţii de putere, sursele de alimentare medicale interne sau externe sunt pline de provocări, iar proiectarea unui produs, ce are randament ridicat, izolare ridicată, pierderi de curent foarte reduse şi posibilitatea de a garanta funcţionarea fără probleme a unor sisteme critice, nu este de loc o sarcină uşoară.
Acesta este un domeniu foarte interesant, în special atunci când îngrijirea casnică a sănătăţii creşte interacţiunea dintre pacient şi echipamentul instalat şi considerând multe alte aspecte, precum coexistenţa radio.
Pentru proiectanţii de surse de alimentare, domeniul medical este probabil unul dintre cele mai solicitante în termeni de cunoştinţe combinate. A fi un bun proiectant electronist de putere nu este suficient, fiind necesară o muncă de echipă, combinând mai multe discipline care trebuie să lucreze împreună, ceea ce face ca munca să fie foarte interesantă şi cu foarte multe lecţii de învăţat.
În concluzie:
Este foarte dificil de acoperit toată plaja celor 22-25 de miliarde de surse şi este sigur că se întâmplă multe lucruri interesante în toate domeniile precum în implementarea industrială a Industry 4.0, în domeniul iluminării cu creştere exponenţială, unde există dorinţa de integrare a sursei de alimentare chiar pe LED, în domeniul transportului, unde se doreşte integrarea comunicaţiilor în sursele de alimentare pentru monitorizare şi prevenire, dar este uşor de înţeles că, în ciuda numărul general care pare stabil de mai mult de cinci ani, multe schimbări au avut loc în zone surselor de alimentare.
Aş vrea să închei acest articol cu un citat din Kenneth Hildebrand: “Vieţile puternice sunt motivate de scopuri dinamice”, care reflectă foarte bine ceea ce noi toţi, pasionaţii de surse de alimentare, urmărim. Noi vrem să învingem limite de netrecut, iar industria de putere este plină de provocări minunate, care o fac aşa de interesantă.
Bibliografie:
Cisco – The Zettabyte Era – Trends and Analysis
www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html
Ericsson – Mobility report
www.ericsson.com/mobility-report
IEC60601-1-11
www.iso.org/iso/home/store/catalogue_ics/catalogue_detail_ics.htm?csnumber=65529
Consideraţii de proiectare FDA pentru dispozitivele ce se intenţionează a fi utilizate acasă
www.fda.gov/downloads/MedicalDevices/Device RegulationandGuidance/GuidanceDocuments/UCM331681.pdf%20
Cisco – The Zettabyte Era – Trends and Analysis
www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox | www.prbx.com
