Gestione efficiente dell’energia

L’automazione industriale rimane un fattore propulsivo fondamentale per l’efficienza e per la riduzione dei costi. Per comprenderne meglio il perché, è necessario discutere ed esaminare alcune tendenze. Prima su tutte, la sostenibilità.

Panoramica sullo stato dell’arte

La sostenibilità, in termini di efficienza energetica e di utilizzo delle risorse, è una componente essenziale del successo di un settore manifatturiero globale. L’attenzione crescente all’implementazione di soluzioni energetiche efficienti sia nelle industrie di processo che in quelle di produzioni discrete promuoverà pure la fabbricazione sostenibile. Ad esempio, i problemi di efficienza energetica saranno in primo piano nel settore dei motori elettrici, in cui la classificazione dell’efficienza energetica è IE3 [derivante dallo standard di massima efficienza nel settore, nuovo in Europa, o dallo standard “Nema Premium” negli Stati Uniti (EISA) che andrà in vigore da gennaio 2015 o 2017, secondo i valori nominali di potenza]. Analogamente, le pompe di movimentazione e trattamento delle acque reflue domineranno rispetto alle tradizionali pompe idriche in tutto il mondo.

Alle fabbriche del futuro daranno impulso megatendenze come il cloud computing, la sicurezza cibernetica e le tecnologie di trasmissione dati mobili e wireless. Di conseguenza, la necessità di conseguire produttività ed efficienza superiori spingerà le aziende ad attuare una maggiore interazione fra il reparto produzione e l’impresa per venire incontro alle esigenze di tutti gli utenti finali. La gestione razionale delle risorse e la flessibilità nella produzione daranno anche un forte impulso all’integrazione nella fabbrica e vi sarà un’elevata possibilità di sviluppare soluzioni di automazione e servizio personalizzato nelle applicazioni industriali.

La tendenza successiva è quella relativa al consumo di potenza, la cui ottimizzazione è essenziale per ridurre al minimo il consumo delle nostre risorse naturali. In qualunque sistema, si può far fronte al consumo di potenza in due modi. Anzitutto, massimizzando l’efficienza della conversione nell’intero intervallo della corrente di carico, e in secondo luogo, riducendo l’assorbimento di corrente a riposo dai convertitori CC/CC in tutte le modalità di funzionamento. Quindi, per avere un ruolo attivo nella riduzione del consumo di potenza del sistema, i circuiti integrati di gestione e conversione della potenza devono essere più efficienti, ossia, devono presentare attenuazione di potenza inferiore e livelli bassissimi del consumo di potenza in entrambe le modalità: a basso carico e di sospensione.

Ad esempio, si consideri un sistema integrato spesso presente in molti sistemi di automazione industriale. In genere tali sistemi integrati sono alimentati tramite un backplane a 48V. Normalmente questa tensione viene ridotta a una tensione di bus intermedia che può andare da 12V a 3,3V per alimentare i rack di schede del sistema. Tuttavia, molti dei circuiti secondari o dei circuiti integrati di queste schede devono funzionare a tensioni che vanno da meno di 1V a 3,3V e correnti comprese fra decine di milliampere e centinaia di ampere. Sono pertanto necessari convertitori CC/CC al punto di carico (POL, point-of-load) per ridurre la tensione di bus intermedia alla tensione richiesta dai circuiti secondari o dai circuiti integrati. Queste linee di alimentazione hanno requisiti rigorosi di sequenza, precisione della tensione, margine e supervisione.

Poiché in un sistema di memorizzazione, telecomunicazioni o trasmissione dati possono esservi oltre 50 linee di tensione POL, gli architetti di sistemi hanno bisogno di un metodo semplice per gestirle indipendentemente dalla loro tensione di uscita, sequenza e massima corrente tollerabile. Alcuni processori richiedono che la loro tensione di ingresso e uscita (I/O) aumenti prima della tensione del core, mentre determinati processori di segnali digitali (DSP) presentano il requisito opposto, ossia che la tensione del core aumenti prima della tensione I/O. Inoltre, è necessaria anche una sequenza di spegnimento. Quindi, questi progettisti devono essere in grado, in modo semplice, sia di apportare modifiche volte a ottimizzare le prestazioni del sistema che di memorizzare una configurazione specifica per ciascun convertitore CC/CC allo scopo di semplificare le fasi di progettazione.

C’è di più: per proteggere i costosi ASIC (application specific integrated circuit) dal rischio di una condizione di sovratensione, comparatori ad alta velocità devono monitorare i livelli di tensione di ciascuna linea di alimentazione e intervenire immediatamente se una di esse va fuori dei limiti operativi di sicurezza specificati. In un sistema di alimentazione digitale, l’host può essere avvisato in caso di guasto tramite l’apposita linea PMBus e le linee dipendenti possono essere disinserite per proteggere i dispositivi alimentati, come un ASIC. Per conseguire questo livello di protezione occorrono precisione ragionevole e tempi di risposta dell’ordine delle decine di microsecondi.

In aree di grande innovazione, non è sempre facile far sì che il contenuto dell’innovazione raggiunga l’utente finale. È opinione generalmente accettata che esistono molte opportunità nel settore delle energie nuove e pulite per la gestione della potenza, ossia delle energie alternative. Nel mondo, intorno a noi, c’è una quantità enorme di energia disponibile dall’ambiente, e l’approccio convenzionale all’“energy harvesting” ha fatto ricorso ai pannelli solari e ai generatori eolici. Tuttavia, nuovi strumenti di immagazzinamento consentono di produrre energia elettrica sfruttando un’ampia gamma di fonti ambientali. Inoltre, è importante non tanto l’efficienza della conversione energetica dei circuiti, ma soprattutto la quantità di energia “immagazzinata media” disponibile per alimentarli. Per esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in energia elettrica, gli elementi piezoelettrici convertono l’energia delle vibrazioni meccaniche e gli impianti fotovoltaici convertono la luce solare o qualsiasi altra sorgente di fotoni. Risulta così possibile alimentare sensori remoti o caricare un dispositivo di memorizzazione, come un condensatore o una batteria a film sottile, affinché sia possibile alimentare un microprocessore o un trasmettitore da un punto remoto senza una sorgente di alimentazione locale.

Soluzioni

È evidente che la gestione efficiente dell’energia può offrire molti vantaggi a chi li deve implementare nelle proprie applicazioni o in prodotti finali, al tempo stesso riducendo lo sfruttamento delle nostre preziose e limitate risorse globali. Tutto ciò quindi assicura non solo benefici alle aziende ma anche la salvaguardia dell’ambiente. Ma dove trovare i prodotti adatti con i quali progettare tali sistemi? Una risposta: Linear Technology ha progettato e sviluppato molti dei suoi più recenti circuiti integrati di conversione e gestione della potenza in modo che siano più efficienti, offrano funzionalità di interfacciamento e telemetria digitale, possano immagazzinare bassi livelli di energia ambiente e presentino correnti a riposo bassissime.

L’uso di un bus digitale seriale standard, ad esempio I2C, consente semplici ed efficienti comunicazioni bidirezionali con convertitori CC/CC digitali, mentre standard emergenti, come PMBus, facilitano l’interoperabilità dei componenti. Importanti parametri di regolazione – caratteristiche di avvio e temporizzazione, tensioni di uscita e limiti di corrente, specifiche sui margini e limiti di supervisione su sovra- e sottotensioni – possono essere tutti programmati direttamente in modalità digitale anziché con un set di resistori e ingombranti dispositivi di sequenziazione e monitoraggio. Inoltre, vari parametri operativi cruciali – come la temperatura, le tensioni e le correnti di ingresso e uscita – di solito possono essere monitorati e utilizzati per ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità del sistema.

Quando l’alimentazione digitale viene applicata correttamente, può ridurre il consumo di potenza dei data center, ridurre i tempi di immissione sul mercato, assicurare eccellenti stabilità e risposta al transitorio, e aumentare l’affidabilità complessiva del sistema, come in un’apparecchiatura di rete.

Agli architetti di sistema che sviluppano apparecchiature di rete si richiede da un canto di aumentare la velocità di trasmissione dati e le prestazioni nonché di aggiungere caratteristiche e funzionalità, dall’altro, di ridurre il consumo complessivo di potenza. Nei data center, il problema consiste nel ridurre il consumo complessivo di potenza riprogrammando il flusso di lavoro e trasferendo operazioni a server sottoutilizzati, rendendo così possibile l’arresto di altri server. Per soddisfare queste richieste, è essenziale conoscere il consumo di potenza dell’apparecchiatura dell’utente finale. Un sistema di gestione digitale della potenza progettato correttamente può fornire all’utente dati sul consumo di potenza, consentendo di prendere decisioni intelligenti per la gestione dell’energia.

La famiglia LTC388x di circuiti integrati per alimentazione digitale proposti da Linear Technology offre gestione di alta precisione del sistema di potenza digitale grazie alla programmabilità ad alta risoluzione e alla lettura veloce dei dati telemetrici ai fini del monitoraggio e controllo in tempo reale di funzioni cruciali del convertitore POL. Ad esempio, l’LTC3880 è un controller CC/CC in discesa sincrono ad alta efficienza e doppia uscita con interfaccia PMBus basata su I2C che offre oltre 100 comandi e EEPROM incorporata. Il dispositivo combina un regolatore a commutazione analogico all’avanguardia con circuiti di conversione di precisione dei dati del segnale miscelato per assicurare facilità ineguagliata di progettazione e gestione del sistema di alimentazione, supportata dal sistema di sviluppo software LTpowerPlayTM che impiega un’interfaccia grafica utente di facile uso.

Per rispondere specificamente ai requisiti di immagazzinamento di bassi livelli di energia da utilizzare in sensori wireless industriali o anche in dispositivi indossabili, Linear Technology ha sviluppato l’LTC3331, illustrato nella Figura 1.

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Figura 1. Circuito integrato LTC3331 per energy harvesting (EH) e prolungamento della durata della batteria

L’LTC3331 è una soluzione EH completa dotata di circuito di regolazione, che genera fino a 50mA di corrente di uscita continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia da immagazzinare. Non assorbe corrente di alimentazione dalla batteria quando trasferisce potenza regolata al carico utilizzando l’energia immagazzinata e solo 950nA quando è alimentato dalla batteria a vuoto. Integra un alimentatore EH ad alta tensione oltre a un convertitore CC/CC buck-boost sincrono alimentato da una batteria principale ricaricabile per creare una singola uscita di continuità per applicazioni di energy harvesting come quelle dei nodi sensori wireless (WSN, wireless sensor node).

L’alimentatore EH dell’LTC3331, consistente di un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi CA o CC e di un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, immagazzina l’energia generata da sorgenti piezoelettriche (CA), solari (CC) o magnetiche (CA). Uno shunt da 10mA consente di caricare la batteria con l’energia immagazzinata, mentre una funzione di scollegamento della batteria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti della scarica profonda. La batteria ricaricabile alimenta un convertitore buck-boost sincrono che funziona con tensione d’ingresso compresa tra 1,8V e 5,5V e si inserisce quando l’energia immagazzinata non è disponibile, per regolare l’uscita indipendentemente dal livello a cui si trova l’ingresso: superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. Il caricabatteria dell’LTC3331 è dotato di una funzione di gestione della potenza molto importante, che non può essere trascurata quando si impiegano sorgenti di micropotenza. L’LTC3331 incorpora un circuito di controllo logico del caricabatteria tale che quest’ultimo carica la batteria solo quando l’alimentatore che immagazzina l’energia ne ha una quantità in eccesso. Senza questa funzione logica, all’avvio la sorgente di energia immagazzinata rimarrebbe ‘bloccata’ in qualche punto di funzionamento non ottimale e non sarebbe in grado di alimentare il dispositivo previsto . L’LTC3331 inserisce automaticamente la batteria quando la sorgente per energy harvesting non è più disponibile. Si ottiene così l’ulteriore vantaggio di consentire ai WSN alimentati dalla batteria di prolungarne la durata operativa da 10 a oltre 20 anni se per almeno metà del tempo è disponibile una sorgente di alimentazione EH adatta; la durata sarà ancora maggiore se la sorgente EH è disponibile per un intervallo più lungo. È stato integrato anche un circuito di bilanciamento a supercondensatore, che consente di immagazzinare una quantità maggiore di energia all’uscita.

Conclusione

Esistono molti prodotti che contribuiscono a farci vivere con maggiori comodità, con più produttività e meno fatica. Tuttavia, uno dei prezzi da pagare è lo sfruttamento eccessivo delle nostre risorse naturali. Ma la società in cui viviamo non permetterà che ciò accada senza cercare di mitigare i possibili effetti negativi. Un’iniziativa importante per far fronte a questo problema è l’uso responsabile delle risorse energetiche, e uno dei modi più efficaci per attuarla consiste nella gestione energetica efficiente dei sistemi di automazione industriale, delle apparecchiature di comunicazione e delle infrastrutture di rete.

Ma per realizzare ciò, devono essere disponibili le basi: circuiti integrati di conversione e gestione della potenza. Fortunatamente, grazie agli alimentatori analogici come quelli sviluppati da Linear Technology, i progettisti di sistema hanno la possibilità di fare le scelte giuste.

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