Sei tendenze per la gestione energetica

Sei tendenze per la gestione energetica

Riceviamo e pubblichiamo con piacere questo contributo di Jeff Morroni, direttore della gestione dell’alimentazione per Kilby Labs, il gruppo di ricerca e sviluppo di Texas Instruments. Morroni ha conseguito un dottorato in gestione dell’alimentazione presso l’Università del Colorado di Boulder.

Il nostro mondo sta diventando sempre più dipendente dalla tecnologia e il consumo energetico globale sta crescendo in modo drammatico. Sulla spinta di numerose applicazioni, tra cui data center, settore automobilistico e industriale, la spesa globale per consumi di energia elettrica si è avvicinata alla spesa per i prodotti petroliferi. Per sostenere queste tendenze, i progettisti stanno utilizzando soluzioni a semiconduttori che hanno portato all’acquisto in tutto il mondo di 824 miliardi di semiconduttori nel 2016 per gestire case, automobili e luoghi di lavoro. I progettisti di questi prodotti sono alla ricerca di tecnologie di gestione dell’alimentazione che consentano loro di lavorare in modo più competitivo rispettando le leggi sull’uso dell’energia nel rispetto dell’ambiente. Due anni fa, abbiamo descritto tre tendenze chiave di gestione dell’alimentazione e dell’energia che avrebbero dominato il nostro settore fino a tutto il 2020. Le tendenze che abbiamo identificato (efficienza energetica, densità di potenza, memorizzazione e fornitura di big data) sono in crescita e sono ancora tra le principali sfide chiave nel 2018. Data la velocità dell’evoluzione tecnologica, oggi vi sono tre ulteriori tendenze che guidano il nostro lavoro: energia distribuita e rinnovabile, elettrificazione dei veicoli e automazione di fabbriche ed edifici industriali. Le nostre tecnologie di gestione dell’alimentazione sono rivolte a tecnici progettisti in molte applicazioni, mentre le nostre innovazioni affrontano le sfide più impegnative in termini di risparmio energetico in tutte e sei queste categorie. Ecco perché ci siamo concentrati su queste sei tendenze e sul modo in cui le stiamo affrontando:

  1. Efficienza energetica

Entro il 2020, i data center dovrebbero consumare oltre 73 miliardi di chilowattora di elettricità all’anno, quanto basta per alimentare più di 10 milioni di abitazioni medie.Maggiore è il numero di dati che elaborano, maggiore è l’energia richiesta dai data center per il raffreddamento e maggiore è il carico a cui sottopongono la rete. Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, l’adozione di ulteriori strategie di efficienza energetica potrebbe comportare una riduzione del 45%
nella domanda di elettricità. Siamo in grado di ridurre le richieste di energia dei data center con nuove strategie e tecnologie che riducono al minimo le perdite e migliorano l’efficienza. Il miglioramento dell’efficienza energetica permette di risparmi su due fronti: la riduzione dell’energia necessaria nelle transazioni all’interno del data center e la riduzione dei requisiti di raffreddamento complessivi per i server. Opportunità di innovazione sono presenti verso l’alto fino a livello dell’architettura di consegna dell’energia per i server e verso il basso fino alle topologie point-of-load. Le nuove topologie, come i convertitori CC/CC risonanti e ibridi, offrono il vantaggio di dimensioni ridotte, maggiore efficienza e minori aumenti di temperatura. La combinazione di queste tecniche con algoritmi che consentono un basso consumo di energia in inattività e un risveglio rapido permette di compiere un passo significativo verso la riduzione del 45 percento prevista dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. A livello macroscopico, i sistemi server sono limitati dal numero di passaggi di conversione dell’alimentazione. Investendo in topologie che consentono la conversione diretta, i nuovi schemi di fornitura di energia precedentemente ritenuti poco pratici sono ora a portata di mano. Ad esempio, è possibile immaginare di eliminare tre passaggi di conversione passando direttamente dalla distribuzione a 400 V in CC alle CPU. Questi tipi di approcci dirompenti sono resi possibili dalle innovazioni nella gestione dell’alimentazione e nei semiconduttori.

  1. Memorizzazione e fornitura di big data

Poiché la domanda globale di dati rapidamente accessibili è in continua crescita, lo stesso vale per la domanda di energia necessaria per memorizzare e recuperare i dati. Controllare i costi e l’impatto ambientale di tale domanda sarà una sfida fondamentale. Il cloud storage ha vissuto una crescita esplosiva negli ultimi anni con i consumatori che caricano e memorizzano informazioni sul cloud come mai prima d’ora. Ciascuna di queste transazioni utilizza energia. Ad esempio, il processo di registrazione di un video, il suo caricamento e la memorizzazione nel cloud e il successivo recupero richiedono energia. Rendendo possibile realizzare soluzioni di gestione dell’alimentazione con la più alta efficienza in modalità attiva, basso consumo energetico in stand-by e tempi di risveglio estremamente ridotti, i semiconduttori possono consentire tutte queste transazioni con un consumo energetico minimo.

  1. Densità di potenza

Nonostante i miglioramenti, la densità di potenza degli alimentatori non ha seguito la legge di Moore. Poiché i semiconduttori rendono possibili sempre più funzioni, aumentano anche le richieste di energia. Ad esempio, la rapida adozione dei telefoni cellulari in tutto il pianeta è stata, per molti versi, resa possibile dalle tecnologie delle batterie agli ioni di litio che consentono di aumentare le funzionalità del telefono mantenendo una durata della batteria sufficiente ad utilizzare il telefono per una giornata. Il risvolto negativo in questa tendenza è il fatto che, a mano a mano che le batterie diventano più grandi e migliori, i caricabatterie che le ricaricano non hanno tenuto il passo. Ad esempio è possibile immaginare uno scenario in cui uno smartphone ricco di funzionalità duri tutta la giornata, ma richieda un’intera notte per ricaricarsi. Una maggiore densità di potenza è la chiave per migliorare le esperienze degli utenti. La nostra azienda ha investito molto nella densità di potenza. Uno di tali investimenti, diretto ai caricabatterie, farà il suo debutto alla conferenza APEC 2018: restate in attesa di aggiornamenti.

  1. Energia distribuita e rinnovabile

Si registra una chiara richiesta di generazione e distribuzione dell’energia in modo più efficiente. La sfida sta nel consentire la conversione di potenza e la gestione di diverse fonti di energia con la massima efficienza. Il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) offrono questo potenziale combinando la capacità unica di operare a tensioni elevate con un’efficienza elevata e dimensioni ridotte. Benché finora siano stati adottati in modo limitato, sia il GaN che il SiC dimostrano efficienze e densità precedentemente irraggiungibili nei campi di tensione necessari per supportare l’energia distribuita e rinnovabile. Per portare queste tecnologie da prototipi interessanti ad un’adozione di massa, crediamo che l’integrazione del driver del gate nel package possa fare la differenza. Con l’LMG3410 abbiamo dimostrato che avere il driver del gate in prossimità dei dispositivi rende possibili le prestazioni e la producibilità necessarie per portare queste tecnologie al prossimo livello di adozione.

  1. Elettrificazione dei veicoli

È facile notare come sono cambiate le automobili negli ultimi 10 anni. Il numero di dispositivi elettronici in ogni nuova generazione di automobili continua ad aumentare. Caratteristiche quali la frenata automatica, i sensori di abbandono della corsia e i fari automatici autoadattivi sono ormai all’ordine del giorno e sono resi possibili dai semiconduttori e dalla gestione dell’alimentazione. Anche il numero di veicoli elettrici (un tempo poco utilizzati per questioni di autonomia, costi e tempi di ricarica) dovrebbe aumentare da 2 milioni a 280 milioni entro il 2040 in gran parte grazie ai miglioramenti nell’elettronica basata sui semiconduttori. All’interno dell’auto, l’integrazione di più componenti elettronici offre ai consumatori esperienze migliori, ma questi miglioramenti tecnologici sono legati alle sfide poste dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Le EMI, sia irradiate che condotte, possono creare interferenze in sistemi fondamentali, portando a un’esperienza utente deludente o, peggio, a problemi di sicurezza. La mitigazione delle EMI è quindi diventata una grande sfida e un’enorme opportunità di innovazione. Investire in tecniche che vanno dallo spettro variabile (vedere ad esempio TPS55165) ai driver del gate adattivi per la cancellazione attiva del rumore consente un’accelerazione ancora più rapida dell’elettronica e della tecnologia nei veicoli futuri.

  1. Automazione industriale

L’automazione industriale offre la possibilità di migliorare la produttività e l’efficienza produttiva. A questa opportunità è legata la sfida della sicurezza. Le fabbriche automatizzate hanno spesso attrezzature pesanti che richiedono alte tensioni per funzionare, rendendole un ambiente gravoso e potenzialmente pericoloso. Un fattore chiave per l’automazione industriale diventano quindi le tecnologie di isolamento che consentono a nodi di sensori e operatori di funzionare in modo efficace e sicuro in presenza di tensioni elevate. Immaginate di avere la possibilità di trasferire una potenza inferiore a vari sistemi di sensori proteggendo l’operatore da picchi di tensione 60 volte maggiori rispetto alle tensioni domestiche su una distanza inferiore al diametro di una moneta. Sono esattamente queste le tecnologie che vengono rese possibili quando i progettisti utilizzano dispositivi come l’ISOW7841. La nostra azienda sta rivolgendo la sua attenzione a tali opportunità e mettendo alla prova queste tendenze sviluppando nuove tecnologie. Siamo entusiasti del fatto che le nostre innovazioni aiutino i clienti a risolvere le loro problematiche in termini di energia e gestione dell’energia.

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Source: Attualita
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