di Mark Patrick | Director Technical Content di Mouser Emea
Gli ingegneri elettronici hanno ricercato dei modi per ridurre il consumo energetico dei nuovi prodotti da molto prima che si verificasse l’attuale crisi climatica. Minore potenza significa meno calore, dissipatori più piccoli, componenti di alimentazione meno ingombranti, un vano batteria più piccolo e una maggiore durata della batteria.
Nel complesso, questo crea un prodotto più accattivante e vendibile, che può ottenere risultati migliori sul mercato rispetto a un’alternativa progettata con meno attenzione. Oltre all’incentivo di contribuire alla salvaguardia del pianeta, progettare per una migliore classificazione energetica costituisce, quindi, anche un potente argomento di vendita per attirare i consumatori attenti all’ambiente.
La progettazione di sistemi a bassissimo consumo può aiutare a realizzare le ultime generazioni di macchine che garantiranno un maggiore controllo sulle nostre vite e sul nostro ambiente, consentendo un equilibrio favorevole tra prestazioni e richiesta di energia. Le innovazioni in questo campo sono diverse, dai circuiti di conversione dell’energia in ingresso ai sistemi integrati che eseguono l’applicazione.
Progettazione degli adattatori
I codici di progettazione ecocompatibile presentano obiettivi ambiziosi in termini di efficienza e potenza, in particolare per apparecchiature come caricabatterie e adattatori di corrente. Negli ultimi anni, Stati Uniti, Unione Europea e Cina hanno inasprito i requisiti applicabili a tali apparecchiature. Oggi, lo standard di Livello VI del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DoE) e la direttiva EU Ecodesign 2019/1782 pongono requisiti analoghi in termini di efficienza media e potenza a vuoto. Per soddisfare queste normative, i principali produttori stanno passando alla tecnologia dei semiconduttori ad ampio bandgap, in particolare al nitruro di gallio (GaN).
I transistor GaN rappresentano un’opzione interessante per le potenze inferiori a 250 W previste dai codici di progettazione ecocompatibile. I vantaggi rispetto ai normali transistor al silicio includono minori perdite di conduzione in relazione alla tensione nominale, basse perdite di commutazione in caso di funzionamento ad alta frequenza, elevata conducibilità termica e affidabilità ad alte temperature di funzionamento. Inoltre, offrono una combinazione più favorevole di tensione nominale del dispositivo e RDS(ON) rispetto agli attuali MOSFET al carburo di silicio. Utilizzando questi transistor, i progettisti di alimentatori ottengono un’efficienza di picco superiore al 96%, fornendo al contempo alimentatori più leggeri e più piccoli del 30% rispetto ai predecessori con caratteristiche simili.
Informatica a basso consumo
I microcontrollori embedded (MCU) sono stati al centro delle tecnologie a bassissimo consumo e delle tecniche di progettazione dei componenti che aiutano i più piccoli dispositivi per l’Internet delle Cose (IoT) a funzionare meglio e più a lungo. Questo è diventato un imperativo negli ultimi anni, dal momento che un numero enorme di sensori e attuatori intelligenti connessi in remoto sono stati distribuiti per diverse applicazioni di monitoraggio e controllo in edifici, città, infrastrutture e fabbriche intelligenti. La sostituzione delle batterie sul campo è di solito impraticabile, per cui l’unica opzione è quella di progettare questi oggetti in modo che siano alimentati da una piccola batteria per tutta la loro durata di vita, oppure di costruire circuiti di raccolta dell’energia per alimentare il dispositivo da fonti ambientali. Lavorare con una fonte di energia così limitata richiede un’attenta gestione del budget energetico complessivo dell’apparecchiatura.
I produttori di processori e MCU hanno sviluppato funzioni di risparmio energetico che aiutano i progettisti di applicazioni a raggiungere gli obiettivi di consumo e di prestazioni. La scalatura dinamica della tensione consente al dispositivo di regolare la stessa e la frequenza operativa per soddisfare i picchi di breve durata della domanda di elaborazione e funzionare a una tensione e a una frequenza più basse per ridurre al minimo il consumo di energia quando la domanda è inferiore. Le attuali MCU a bassissimo consumo contemplano diverse modalità di risparmio energetico che offrono la flessibilità di spegnere vari sottosistemi e periferiche, arrestare i clock non necessari, mantenere o spegnere la memoria dinamica e ottimizzare il tempo necessario per riprendere il funzionamento dopo l’uscita da una di queste modalità. Questa flessibilità consente a un’applicazione a basso consumo di attivare rapidamente solo i sottosistemi necessari per un determinato compito, di completare l’elaborazione richiesta ad alta velocità e di riportare i circuiti in uno stato di inattività il più rapidamente possibile.
Altre innovazioni includono acceleratori di accesso alla memoria per la grafica e l’esecuzione in tempo reale che consentono di risparmiare l’energia normalmente sprecata quando un processo deve attendere il completamento di un ciclo di accesso convenzionale. Esistono anche modalità autonome che consentono alle periferiche di funzionare mentre il core è spento, nonché timer a basso consumo che consentono di continuare a svolgere semplici attività mentre la maggior parte dei segnali del dispositivo e del clock principale sono spenti.
Perché è utile l’Intelligenza Artificiale
Per definizione, fare più lavoro in meno tempo richiede più potenza. Per contrastare questa tendenza, è necessario cambiare il modo in cui viene svolto il lavoro. L’intelligenza artificiale (IA) sta indicando la strada e gestisce compiti come l’analisi dei modelli per il riconoscimento delle immagini e il rilevamento delle anomalie in modo più efficiente di quanto possano fare le tecniche di calcolo convenzionali.
I fornitori di MCU consentono ora agli sviluppatori di utilizzare piccole reti neurali e altre strutture di apprendimento automatico (come gli alberi decisionali) in sistemi profondamente integrati per fornire funzionalità avanzate e consapevolezza del contesto a bassissimo consumo, spesso con una risposta in tempo reale. Questa tendenza sta promuovendo il tiny machine learning (apprendimento automatico su microcontrollore) come una nuova branca della progettazione embedded, supportata da ambienti leggeri come TensorFlow Lite e TinyML. Strutture simili si integrano anche con dispositivi come i sensori inerziali, consentendo a questi ultimi di eseguire autonomamente compiti come il riconoscimento di attività di base, in modo che il sistema host possa rimanere spento e risparmiare energia.
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