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Alimentación de IoT: de qué manera la próxima generación de fuentes de alimentación ayudarán a minimizar el consumo de energía.

Por CUI Engineering

Con miles de millones de "cosas" que se conectan a Internet, la conversión de energía es crítica, no solo para sensores autoalimentados o alimentados a batería, sino también en dispositivos como puertas de enlace que se alimentan generalmente desde la línea de CA.Este artículo analiza las especificaciones futuras del nivel VI para adaptadores externos de potencia de CA-CC y los cambios de diseño necesarios para cumplir con los nuevos estándares y ayudar a reducir el consumo de energía total en aplicaciones de IoT.

Introducción: la alimentación que subyace a los sensores

El concepto de Internet de las cosas (IoT) evoca la imagen de una red omnipresente que incluye sensores pequeños, que puede controlar todo desde la calidad del aire o del agua, flujo de tráfico o procesos industriales al medio ambiente en nuestros hogares o la salud de los cuerpos. Los sensores, por lo general, se consideran dispositivos de consumo ultrabajo con capacidad de operar durante la vida útil de una batería de celda pequeña o de un panel solar u otro subsistema en miniatura de recolección de energía. De esta manera, estos dispositivos pueden ofrecer grandes beneficios operacionales mientras generan un impacto mínimo en el medio ambiente en términos de demanda de energía.

En alguno años, se calcula que habrá más de un billón de sensores conectados que funcionarán como los ojos, los oídos y las manos de IoT. No obstante, es poco posible que estén conectados directamente a Internet. Una conexión Wi-Fi o Ethernet es demasiado cara y consume gran cantidad de energía para que se pueda integrar a puntos finales pequeños de IoT autoalimentados o alimentados a batería.

En muchas aplicaciones de red de sensores domésticos o industriales, la conexión a Internet se realizará generalmente a través de un hub o una puerta de enlace IoT que tiende un puente entre los sensores e Internet. De esta manera, la puerta de enlace implementa interconexiones que no son IP a los sensores usando estándares como Bluetooth Smart o una conexión bifilar. Además, aloja un puerto Ethernet o interfaz Wi-Fi para conectarse a Internet. La puerta de enlace puede transferir datos desde los sensores a un administrador centralizado, como un servicio en la nube, y viceversa, a través de Internet. El procesamiento básico de los datos de sensor también se realizará generalmente de manera local en la puerta de enlace antes de que los resultados pasen a la nube. La figura 1 delinea las funciones básicas de una puerta de enlace IoT.

Se necesita la imagen de la puerta de enlace de IoT.

Figura 1: Una puerta de enlace de IoT se necesita para conectar los sensores sin IP y de bajo consumo a Internet.

Según las expectativas, se conectarán 50 mil millones de dispositivos aproximadamente, como las puertas de enlace de IoT, a Internet en los próximos cuatro o cinco años. Para obtener la potencia que se necesita para administrar la diversa funcionalidad de la puerta de enlace, entre ellas interfaces de varios sensores, conexión a Internet y procesamiento integrado, el dispositivo deberá conectarse a una fuente de alimentación principal o, de lo contrario, se deberá recargar con frecuencia. Como se espera que muchos de estos dispositivos se conecten a Internet en el futuro cercano, podría haber un incremento significativo en la demanda de energía, ya sea para la alimentación fuera de línea o recarga.

Estándares de eficiencia para fuentes de alimentación

No es novedad el crecimiento masivo en la cantidad de dispositivos eléctricos conectados a la red. Los efectos han sido una gran preocupación para los científicos, por lo menos, desde el comienzo de la era de electrónica de consumo de la actualidad. Desde la década de 1970, cuando un hogar tipo tenía un televisor y quizás un lavarropa, la cantidad promedio de productos electrónicos por hogar ha aumentado a veinticuatro en los EE. UU. conforme a Consumer Electronics Association. Esto incluye a varios televisores, computadoras personales, tabletas, teléfonos inteligentes, impresoras, cónsolas de juego y otros dispositivos, que pueden contener una fuente de alimentación interna o pueden funcionar con un adaptador o fuente de alimentación externa (EPS). En la década de 1990, se estimaba que más de mil millones de EPS se utilizaban en EE. UU. solamente.

Imagen del consumo de energía sin carga desde fuentes de alimentación externas

Figura 2: a principios de la década de 1990, los estudios calcularon que el consumo de energía sin carga desde fuentes de alimentación externas representaría el 30% de la energía total que se consume en EE. UU en un periodo de 20 años si no se toman medidas.

Al saber que los usuarios tienden a dejar los dispositivos enchufados incluso cuando están apagados o desconectados, ha crecido la preocupación por la "energía fantasma" o energía "sin carga" que se derrocha en los hogares. Un estudio de 1998 realizado por Alan Meier de Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en California calculó que alrededor del 5% del consumo total de electricidad residencial en EE. UU., valuada en $3 mil millones, es derrochado por fuentes de alimentación mientras el equipo conectado están en modo de espera. Por consiguiente, los precios de la energía ha aumentado y cada vez hay mayor preocupación sobre el daño ecológico por el consumo excesivo de energía.

Para combatir estos problemas, la California Energy Commission presentó la primera legislación sobre eficiencia energética para las fuentes de alimentación externas en 2004. De a poco, la mayoría de los mercados mundiales, incluso todo EE. UU., Canadá, Europa y Australia, siguieron su ejemplo. Por último, estas diferentes leyes se fusionaron en el Protocolo internacional de marcado de eficiencia energética para las fuentes de alimentación externas. Esto ha evolucionado a través de distintas generaciones, ya que cada una ha impuesto de manera sucesiva más límites exigentes sobre el consumo de energía sin carga y la eficiencia operativa promedio mínima. Actualmente, todas las fuentes de alimentación externas que se comercializan en EE. UU. y Canadá deben cumplir con la especificación de nivel IV de este protocolo y se debe etiquetar con el número romano IV en la placa. La UE exige actualmente la especificación de nivel V más estricta.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DoE) anunció en 2014 que todas las fuentes de alimentación externas que se fabricaron después del 10 de febrero de 2016 y se comercializaron en EE. UU. deben cumplir con la especificación de eficiencia de nivel VI o superior. Los patrones históricos sugieren que la UE y otras autoridades elevarán los requisitos al nivel VI a la brevedad a pesar de que ninguno haya anunciado todavía sus estándares finales.

Dada la expectativa por el crecimiento explosivo de las aplicaciones de IoT, la especificación de nivel VI para fuentes de alimentación externas pueden ofrecer una protección valiosa para el medio ambiente contra los efectos de la gran cantidad de puertas de enlace de IoT que se conectarán a la brevedad en la red de alimentación. Es importante para los fabricantes de equipos originales (OEM) a nivel mundial mantenerse al corriente con las últimas regulaciones.

Opciones de diseño de alimentación

Las fuentes de alimentación internas no están sujetas al Protocolo internacional de marcado de eficiencia energética. Si se diseña una fuente interna dando prioridad a una EPS, se eliminará por lo tanto toda necesidad de cumplir. No obstante, también pueden aplicar otras regulaciones, como los sistemas de calificación ENERGY STAR® o la directiva de diseño ecológico 2009/125/EC de la UE para los productos relacionados con la energía (ErP). Además, incorporar una fuente de alimentación personalizada o integrar un módulo de terceros puede quedar fuera del rango de la experiencia del diseñador. Una fuente interna puede añadir también peso y carga al producto, por lo tanto, se requiere un gabinete más grande.

Una EPS lista para usar puede ofrecer una solución fácil y rápida que se puede mostrar para cumplir con las regulaciones aplicables.CUI comenzó a incorporar a los productos de nivel VI a su rango EPS a fines de 2014 para cumplir con la próxima regulación. Los fabricantes de EPS generalmente ajustan sus carteras de productos para cumplir con el máximo estándar obligatorio, que permite a los clientes de OEM aprovechar al máximo la eficiencia operativa y eliminar los errores de la cadena de suministro al enviar un tipo común de fuentes de alimentación con los productos destinados para los diferentes mercados de exportación.

Especificaciones de nivel VI

El protocolo de nivel VI es mucho más complejo que su predecesor. Se definen cinco categorías. Estas son:

  • Fuentes de alimentación CA-CC externas de voltaje único (voltaje básico)
  • Fuentes de alimentación CA-CA externas de voltaje único (voltaje básico)
  • Fuentes de alimentación CA-CC externas de voltaje único (voltaje bajo)
  • Fuentes de alimentación CA-CA externas de voltaje único (voltaje bajo)
  • Fuentes de alimentación externas de voltajes múltiples de hasta 49 W

Nota: las fuentes de alimentación de voltaje bajo tienen un voltaje de salida inferior a 6 V y una corriente de salida superior a 550 mA. El voltaje básico se refiere a una fuente de alimentación que no es una fuente de alimentación de bajo voltaje. Además, el nivel VI presenta a la primera legislación que abarca a las fuentes de alimentación de voltaje único superior a 250 W.

Al comparar el nivel VI con la especificación de nivel V para alimentación en modo de espera, el nivel VI reduce la energía máxima de 0.3 W (para el EPS de voltaje estándar de hasta 49 W) a 0.1 W para las fuentes de CA/CC de voltaje único clasificada de 1 W-49 W. Los nuevos requisitos de eficiencia promedio son igualmente demandantes. La figura 2 ilustra el aumento de la eficiencia promedio para las fuentes de alimentación de CA/CC de voltaje básico de nivel VI en comparación con especificaciones similares de nivel III, nivel IV y nivel V.

El gráfico de la especificación de nivel VI establece un umbral de eficiencia promedio.

Figura 3: la especificación de nivel VI establece un umbral de eficiencia promedio superior a aquellos para los niveles III a V.

Cumplir con el nivel VI por diseño

El diseño de una EPS que cumpla con los nuevos estándares más exigentes es un desafío difícil. En comparación con las fuentes de alimentación de nivel V de CUI, las unidades de nivel VI incorporan cambios a prácticamente cada aspecto del circuito primario y secundario. Esto ha incluido el diseño en los últimos CI de control que admite los modos de operación mejorados con carga ligera: en un funcionamiento normal, los nuevos controladores operan con la misma frecuencia de conmutación de 65 kHz que se utiliza en los productos de nivel V, pero el cambio a 22 kHz con una carga ligera o sin carga para reducir la pérdida de potencia y mejorar la eficiencia. Los valores de la resistencia y el capacitor reoptimizado en el circuito de retroalimentación secundario mitigan los efectos de la ondulación creciente y el ruido a frecuencias de conmutación inferiores. El CI de control también aprovecha las nuevas tecnologías para reducir la energía de reposo, que contribuye aún más a cumplir con los límites máximos más difíciles en el consumo de energía sin carga.

El circuito secundario en fuentes de alimentación de nivel VI de alta corriente/bajo voltaje ha cambiado de una reactificación de diodo simple a una rectificación sincrónica usando los MOSFET y un CI de control adicional. Además, los valores y cambios de resistencia más grandes hacia otros componentes, como los calibres de cables más grandes, ayudan a reducir la disipación de potencia interna. Además, los MOSFET más nuevos con la menor resistencia en estado encendido ayudan a elevar la eficiencia con cargas más pesadas.

Por otro lado, el circuito de alimentación principal está colocado de manera similar a las unidades de nivel V existentes. Las unidades clasificadas por debajo de 120 W utilizan el diseño flyback establecido mientras que los adaptadores que superan los 120 W utilizan la topología resonantes LLC. Vale la pena destacar que la mayor eficiencia promedio de las fuentes de alimentación de nivel VI también ayuda a reducir la temperatura de trabajo típica, por lo tanto se incrementa la confiabilidad. Esto puede ser una ventaja particularmente importante en las aplicaciones IoT donde se requiere generalmente que el equipo opere durante periodos prolongados en el campo con o sin mantenimiento.

Conclusión

El IoT promete distintos y amplios beneficios para la industria, el medio ambiente, la ecología y la calidad de vida. Por otro lado, el número masivo de implementaciones anticipadas pueden incluir grandes cantidades de nuevos hubs de red y puertas de enlace que se deberán alimentar mediante la línea de CA. Las nuevas fuentes de alimentación externas que cumplen con el último protocolo de marcado de nivel VI, que será obligatorio en los EE. UU. a partir de febrero de 2016, pueden ayudar a compensar el incremento en la demanda de energía al elevar la eficiencia promedio y reducir el consumo de energía sin carga.

Para obtener más información sobre la cartera de nivel VI de CUI en Digi-Key, visite la página Alimentación nivel VI.

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Article authored by CUI Engineering and Digi-Key DSS.