Gestione digitale: oltre l’efficienza

ALIMENTAZIONE –

Grazie alla rivoluzione della digital power sono ora disponibili gli strumenti per controllare e ottimizzare il comportamento del sistema in qualunque momento e in ogni situazione dinamica di carico.

Sviluppate in origine per l’infrastruttura delle telecomunicazioni e della trasmissione dati, le tecniche di “digital power”, ovvero di controllo digitale dell’alimentazione, vengono oggi adottate anche nelle applicazioni industriali, offrendo numerosi vantaggi tra cui, in primo luogo, un aumento dell’efficienza energetica. Un elemento fondamentale di queste nuove soluzioni è il software, che consente di realizzare molteplici funzioni e differenziare i prodotti.

Gli standard PMBus 1.2 e PMBus+ 1.3

A livello di sistema, l’architettura delle soluzioni di digital power si basa generalmente sul bus standardizzato PMBus (Power Management Bus), che consente una totale interoperabilità tra i diversi elementi che vedremo meglio in seguito: alimentatore di front-end Ac-Dc, convertitore intermedio o Ibc (Intermediate bus converter) e regolatori PoL (Point-of-load). Ad esempio, grazie a PMBus un alimentatore di front end Ac-Dc Emerson DS1800 può comunicare con un modulo point-of-load Ericsson BMR464 tramite un Ibc ‘Barracuda’ di GE-Energy. Il PMBus, derivato dal System Management Bus, è stato adottato da molti costruttori di alimentatori e produttori di semiconduttori ed è diventato lo standard di fatto per la comunicazione e il controllo nel campo della digital power. Il protocollo consente ai progettisti di monitorare correnti, tensioni e temperature; stabilire sequenze, limiti e comandi di stato; gestire la correzione automatica di guasti ed errori, ecc. La nuova versione dello standard, PMBus+ V1.3, sarà caratterizzata da maggiore velocità per ridurre le latenze e dalla funzione Avs (Adaptive Voltage Scaling) per controllare staticamente e dinamicamente la tensione fornita ai processori. L’Avs offre, potenzialmente, risparmi energetici significativi. Impiega un feedback ad anello chiuso, in tempo reale, per controllare dinamicamente la tensione di alimentazione fornita ai singoli dispositivi (Fpga, SoC, processori ecc.) al variare di parametri quali la quantità di dati da elaborare e la temperatura.

Maggiore efficienza degli alimentatori front-end

La diffusione del digital power si colloca in un quadro che vede un aumento generalizzato dei livelli di efficienza offerti dagli alimentatori, grazie ai progressi nel campo dei Mosfet e degli IC di gestione dell’alimentazione. Spesso gli odierni alimentatori Ac-Dc offrono un’efficienza superiore al 90% per un’ampia gamma di valori di carico. Nella zona centrale della curva di carico l’efficienza può superare il 96%. Generalmente a livello di sistema l’architettura di una soluzione digital power comprende un alimentatore di front-end Ac-Dc che fornisce un’uscita a 48 Vdc (valore tipico nelle applicazioni di telecomunicazioni e trasmissione dati), quindi un Ibc che riduce la tensione a 24 o 12 V per fornirla ai convertitori point-of-load. In alcune applicazioni, tuttavia, sono utilizzati alimentatori front-end con uscita a 24 o 12 Vdc, per fare a meno dell’Ibc e alimentare direttamente i convertitori PoL. I front-end a 24 e 12 V si prestano in modo ideale ad alcune applicazioni industriali, poiché possono essere utilizzati anche per alimentare direttamente relè e motori elettrici.

Evoluzione degli Ibc

Anche gli Ibc stanno vivendo un’evoluzione. I progressi nel campo dei Mosfet, dei componenti magnetici e degli IC di gestione dell’alimentazione consentono oggi agli Ibc isolati di raggiungere un’efficienza del 97%. Questi livelli sono stati raggiunti in moduli ad alta potenza e alta densità di potenza utilizzati in applicazioni di telecomunicazioni e trasmissione dati, come ad esempio unità da 850 Watt in formato quarter brick. E i miglioramenti continuano. Nella applicazioni Ict la tensione standard di bus è 48 V e gli Ibc sono chiamati a convertire questo valore per ridurlo solitamente a 12 V. In alcuni sistemi, tuttavia, per ottimizzare l’efficienza si usano IBC con tensioni d’uscita di 11 o di 9 V.

Il ruolo dei PoL

Come si è detto, il terzo e ultimo stadio del sistema di alimentazione digitale consiste nei convertitori PoL non isolati dotati di interfaccia PMBus. Questi dispositivi, che sono in grado di fornire correnti molto alte a basse tensioni, sono collocati vicino ai rispettivi carichi (Fpga, SoC e processori) per minimizzare le perdite I2R sulla scheda. Negli ultimi dieci-quindici anni sono stati introdotti convertitori PoL di molte diverse forme e dimensioni, ma il formato 12x12 mm diventerà probabilmente lo standard industriale per i valori di corrente compresi tra 1 e 30 A. In generale, i PoL devono essere in grado di fornire correnti fino a 100 A e di pilotare carichi caratterizzati da alta dinamicità. Il ruolo dei PoL nell’ottimizzazione dell’efficienza energetica riguarda in primo luogo i relativi algoritmi di controllo. Ad esempio, i regolatori PoL 3E di Ericsson, di terza generazione, sono dotati di un algoritmo Dynamic Loop Compensation incorporato. Analogamente, GE Critical Power offre una modalità di controllo denominata Tunable Loop. Entrambi questi approcci consentono di regolare i ‘poli’ del sistema per migliorare l’efficienza. Permettono inoltre di utilizzare condensatori più piccoli per ridurre i costi, minimizzare le dimensioni e migliorare l’affidabilità. I convertitori PoL possono inoltre essere controllati tramite i pin di Enable o Sequencing per eseguire le corrette sequenze di accensione e di spegnimento. I più recenti convertitori PoL dotati di interfaccia PMBus, in particolare, consentono ai progettisti di configurare facilmente via software i requisiti di monitoraggio e i limiti di tensione/corrente/temperatura.

Un esempio applicativo
Come esempio delle possibilità offerte dalle tecniche di digital power prendiamo in considerazione un video wall (un grande display video) composto di un certo numero di pannelli a Led, destinato a funzionare all’aperto anche con temperature molto alte. Una delle opzioni consiste nel dotare ogni singolo pannello di un alimentatore front-end Ac-Dc con interfaccia PMBus e uscita a 24 o 12 V, seguito da un convertitore PoL PMBus a ingresso largo o da un regolatore a commutazione. Oltre ad ottenere alta efficienza e bassa dissipazione, la soluzione consente al software PMBus di spegnere i pannelli e fissare dinamicamente la tensione d’uscita e la compensazione ad anello per ottimizzare l’efficienza e la luminosità in diverse condizioni di luce ambientale. Un ulteriore vantaggio è che il front-end PMBus può essere reso ridondante per una maggiore affidabilità.
In alternativa, si possono usare degli Ibc con un’architettura bus a bassa tensione. Eliminando la tensione di rete dal retro dei pannelli è possibile migliorare la sicurezza ed evitare le relative certificazioni, abbreviando così il time-to-market.

Controllo di sistema

Come si è detto, l’architettura “Front-end+Ibc+PoL” può essere utilizzata su scala ridotta anche nelle applicazioni industriali. Come nell’esempio del video wall a Led, molte applicazioni di potenza media e bassa possono oggi essere dotate di un controllo digitale totale, dalla presa di corrente fino allo zoccolo dell’IC. In futuro questa tecnologia potrà essere applicata anche all’Internet of Things. In questo scenario, il monitoraggio e il controllo a distanza potranno essere effettuati dal consumatore per mezzo di una app mobile, oppure dal fornitore di energia. Il controllo a distanza può essere utilizzato per accendere e spegnere il caricabatteria di un veicolo elettrico, un impianto di riscaldamento domestico o una lavatrice. La tecnologia IoT può essere usata anche per individuare un bagaglio ‘intelligente’ smarrito. A livello globale, una delle sfide più impegnative per i prossimi venticinque anni sarà trovare un modo per immagazzinare l’energia quando si verificano picchi di sovrapproduzione da parte delle fonti eoliche o fotovoltaiche e, successivamente, per accedere ad essa nei momenti di necessità. Una possibile soluzione consiste nell’immagazzinare l’energia in eccesso nelle batterie dei veicoli elettrici connessi alla rete di distribuzione intelligente. Tra le tecnologie che renderanno possibile questa soluzione è compreso lo standard PMBus.

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