Ridurre il consumo in stand-by

ENERGIA –

I limiti per i consumi energetici degli alimentatori in stand-by e dei caricabatterie senza carico sono sempre più stringenti. Soddisfare questi requisiti senza aumentare la complessità circuitale è difficile ma non impossibile, grazie a soluzioni come quelle proposte da Fairchild.

Le alte tecnologie al servizio della pigrizia: si potrebbe forse descrivere in questi termini lo sforzo che l’industria dei semiconduttori sta compiendo per mettere a punto soluzioni che consentano di ridurre i consumi energetici degli alimentatori in stand-by e dei caricabatterie senza carico, come richiesto anche da una direttiva europea. Sarebbe molto facile, infatti, azzerare totalmente questi sprechi utilizzando, nel caso degli apparecchi fissi, normali ciabatte con interruttore, o, nel caso dei cellulari, staccando il caricabatterie dalla presa di corrente al termine della ricarica. Evidentemente il legislatore ritiene che sia impossibile indurre i cittadini ad adottare questi comportamenti, mentre nutre una fiducia sconfinata nelle capacità dei progettisti elettronici.

Consumi non trascurabili
Alla luce delle odierne esigenze di riduzione delle emissioni di CO2, i consumi energetici dovuti agli alimentatori in stand-by e ai caricabatterie senza carico non possono più essere considerati trascurabili. Negli Stati Uniti, ad esempio, si stima che in ogni abitazione ci siano quaranta prodotti costantemente connessi alla rete elettrica, che quindi si trovano in condizioni di stand-by per la maggior parte del tempo. Sempre secondo questo stime, il consumo energetico riferibile ai prodotti in stand-by ammonta a quasi il 10% della bolletta elettrica residenziale, uno spreco che – ai prezzi americani – vale circa 220 dollari all’anno. È stato calcolato, inoltre, che il consumo in stand-by degli apparecchi presenti nelle abitazioni e negli uffici contribuisce per l’1% alle emissioni di anidride carbonica complessive. In mancanza di contromisure queste cifre sono destinate ad aumentare, poiché la diffusione degli apparecchi elettronici è in aumento in tutto il mondo. Ad esempio, secondo la società di ricerche di mercato Selantek, il mercato degli alimentatori esterni (adattatori Ac/Dc e caricabatterie) salirà da circa tre miliardi di unità nel 2010 a quasi cinque miliardi nel 2014.

I nuovi vincoli legislativi
In Europa, negli Usa e in Cina le autorità hanno affrontato questo problema varando provvedimenti che fissano precisi limiti di consumo. Per quanto riguarda il vecchio continente, queste prescrizioni sono contenute nella direttiva ErP (Energy Related Products), che ha rimpiazzato la precedente EuP (Energy Using Products), oltre che nei regolamenti 1275/2008 e 278/2009. Qui non è possibile descrivere nei dettagli questi provvedimenti legislativi; ci limiteremo a ricordare che la direttiva ErP fissa per gli alimentatori dei televisori e dei Pc con scheda madre ATX, a partire dal 2013, un assorbimento massimo di mezzo watt in presenza di un carico da 0,25 watt. Anche l’industria, del resto, ha deciso autonomamente di ridurre questi sprechi fissando requisiti molto stringenti: ad esempio meno di 30 milliwatt per gli adattatori Ac/Dc dei notebook, meno di 10 milliwatt per i caricabatterie dei cellulari.

Le difficoltà progettuali
Ridurre il consumo degli alimentatori in stand-by o dei caricabatterie in assenza di carico non è difficile in assoluto; la difficoltà vera sta nel riuscire a farlo senza aumentare eccessivamente la complessità circuitale. Spesso, infatti, le soluzioni convenzionali prevedono l’aggiunta di dispositivi di controllo che interrompono il percorso della corrente o forzano il chip principale in modalità sleep. L’aumento dei numero dei componenti si traduce ovviamente in un aumento dei costi, degli ingombri e delle possibilità di guasto. La maggiore complessità, inoltre, dovrebbe essere considerata anche per i suoi effetti ambientali, dal momento che i vincoli ai consumi sono motivati prevalentemente dalla necessità di ridurre le emissioni di CO2. Ogni singolo componente elettronico è un prodotto caratterizzato da un proprio ciclo di vita: la sua fabbricazione richiede materie prime ed energia, il suo impiego presuppone spesso un trasporto su lunghe distanze, il suo smaltimento deve avvenire in modo opportuno. Considerando i costi ambientali nascosti, quindi, si potrebbe scoprire che l’aggiunta di numerosi componenti in un alimentatore o in un caricabatterie annulla i vantaggi ottenuti grazie alla riduzione dei consumi.

La soluzione mWSaver Technology di Fairchild
È possibile ridurre gli sprechi energetici senza aumentare eccessivamente la complessità circuitale? I produttori di semiconduttori sono attivamente impegnati nello sviluppo di soluzioni che consentano di conciliare questi due obiettivi. Un esempio interessante giunge da Fairchild, che ha messo a punto una serie di accorgimenti riuniti sotto l’espressione mWSaver Technology. Il pacchetto comprende sette soluzioni, cinque delle quali brevettate, che permettono di raggiungere gli obiettivi di consumo utilizzando un unico chip. Tra queste soluzioni è compresa l’eliminazione delle perdite dovute al resistore di start-up, grazie a un processo di fabbricazione Jfet a 700 volt che consente di tagliare il percorso della corrente dopo l’accensione del dispositivo; ma anche la tecnica di regolazione sul lato dell’avvolgimento primario del trasformatore o Psr (Primary Side Regulation), che riduce le perdite dovute alla retroazione e le perdite nel circuito integrato di potenza.

Accorgimenti particolari
Due degli accorgimenti compresi nel pacchetto mWSaver Technology meritano un breve approfondimento: la modulazione dell’impedenza di feedback e il metodo di scarica “AX-Cap”. Fairchild ha infatti messo a punto una modalità di funzionamento “deep burst” (dove il termine “burst” fa riferimento alle raffiche degli impulsi Pwm) che consente di ridurre ulteriormente i consumi aumentando il valore dell’impedenza di feedback in condizioni di carico leggero, così da ridurre la corrente sul relativo pin. In questa modalità, inoltre, alcune funzioni del chip vengono disabilitate. Il metodo di scarica AX-Cap, invece, consente di ridurre le perdite dovute alla scarica del condensatore di soppressione delle interferenze elettromagnetiche (detto X-capacitor), presente nei sistemi di potenza superiore a 15 watt. In breve, le norme di sicurezza elettrica richiedono che questo condensatore venga scaricato automaticamente per evitare che – nel momento in cui l’apparecchio viene scollegato dalla rete – l’energia in esso immagazzinata possa scaricarsi sull’utilizzatore. Normalmente ciò è ottenuto tramite un apposito resistore (detto “bleeding resistor”), che però comporta una perdita di energia nel corso del funzionamento normale. La soluzione messa a punto da Fairchild, invece, rileva automaticamente la disconnessione del sistema dalla rete elettrica e quindi scarica il condensatore tramite il pin “high voltage” del controllore. Questa tecnica è conforme ai requisiti di sicurezza elettrica (norme UL1950, IEC61010-1) e consente di eliminare il resistore di bleeding.

Una gamma completa
Il pacchetto di soluzioni mWSaver Technology è presente nel dispositivo Fairchild FAN6756, un controllore Pwm per applicazioni di potenza inferiore a 75 watt: ad esempio adattatori Ac/Dc per notebook, console di giochi elettronici, stampanti. Questo chip consente di realizzare sistemi che consumano meno di 30 milliwatt in condizioni di assenza di carico o di standby. Secondo Fairchild, il nuovo FAN6756 consente di fare a meno di numerosi componenti esterni (fino a quindici) e di risparmiare fino a trenta centesimi di dollaro evitando dispositivi di controllo aggiuntivi. Jon Harper di Fairchild ha spiegato a Selezione di Elettronica che la società applicherà le soluzioni mWSaver Technologies anche ad altri prodotti tra cui FAN302UL (per caricabatterie di smartphone o tablet Pc), la serie FSB1x7H (alimentatori per Pc, server e televisori), FAN6920, FAN7382 e FAN6204 (per alimentatori a singola uscita utilizzati nei Pc “all in one”, nei televisori Lcd e nell’illuminazione a Led).

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