Se qualcuno fosse in grado di sviluppare una batteria inesauribile, molto probabilmente l’efficienza energetica perderebbe molte posizioni nella scala delle priorità dei progettisti elettronici, rispetto alla posizione che occupa attualmente. Nonostante le ingenti risorse destinate alle attività di ricerca e sviluppo in questo campo, nessuna batteria di questo tipo appare delinearsi all’orizzonte. Ciò è vero in particolare per l’Internet of Things, ha sottolineato Andrea Vinci, Business Development Manager di Tektronix, che ritiene che questo settore sia destinato a stimolare un’ondata di innovazioni sia nel campo del design sia in quello della misura e del collaudo. Per questo motivo abbiamo parlato con Vinci dei cambiamenti che stanno avvenendo nel mondo industriale dal punto di vista sia della progettazione sia del collaudo e delle modalità con cui Tektronix intende affrontare il mercato dell’efficienza energetica.
- Perchè Tektronix sta concentrando l’attenzione sulle necessità dei progettisti di potenza?
La richiesta di una maggiore efficienza energetica è cresciuta in maniera esponenziale nell’ultimo decennio a causa dell’esigenza di essere connessi in ogni momento. Con l’avvento di Internet of Things, un numero sempre maggiore di oggetti fisici sono collegati tra loro in modalità wireless. Ciò comporta il ricorso a un gran numero di sensori e dispositivi che devono essere sempre attivi e in grado di effettuare trasmissioni su base giornaliera. È evidente che tutto ciò richiede molta potenza. Poiché i dispositivi IoT devono essere sempre attivi e la maggior parte di essi è alimentata a batteria, è necessario sviluppare nuove soluzioni per la gestione della potenza. I progettisti che operano in questo settore si trovano quindi ad affrontare problemi di non facile soluzione per ottenere elevati valori di efficienza energetica e consumi ridotti. Livelli di efficienza molto superiori al 90%, consumi di potenza e assorbimenti di corrente nelle modalità di sleep dell’ordine dei nano e dei pico Ampere sono ora requisiti abbastanza comuni. Le problematiche relative al collaudo dei dispositivi per la gestione della potenza destinati alle applicazioni IoT rientrano nell’ambito delle competenze di Tektronix, per cui è naturale per la società proporre soluzioni innovative che permettano ai progettisti di risolvere tali problematiche. - Quali sono le problematiche che i progettisti devono affrontare nell’era IoT?
Non c’è dubbio che le problematiche di progettazione e di collaudo imputabili alla massiccia diffusione di IoT sono di notevole entità. I progettisti devono individuare non solo le modalità da seguire per ottenere più potenza, ma anche quelle da adottare per verificare che i circuiti siano in grado di funzionare nel mondo reale. In modo del tutto analogo, la necessità di ottenere la massima efficienza possibile riducendo le dimensioni dei dispositivi di potenza ha indotto i progettisti a utilizzare frequenze di commutazione sempre più elevate e package via via più compatti. Questo ha contribuito allo sviluppo e all’utilizzo di nuove tecnologie di commutazione che prevedono il ricorso a dispositivi ad ampio bandgap, come quelli in nitruro di gallio e carburo di silicio, capaci di commutare a una velocità superiore rispetto ai tradizionali dispositivi in silicio. Queste tendenze aprono interessanti prospettive per il futuro dei progetti dei dispositivi di potenza e rappresentano uno degli elementi di innovazione. Personalmente ritengo che questi cambiamenti saranno alla base di numerosi progressi. Ma ciò richiederà molto lavoro da parte dei progettisti. Il nostro obiettivo è aiutarli a rendere la fase di collaudo più semplice e più efficiente. - Quali sono le altre tendenze in questo settore?
Oltre alle problematiche legate all’efficienza, alla miniaturizzazione e alla riduzione dei consumi, bisogna tener presente il gran numero di normative, in continua evoluzione. Il Dipartimento dell’Energia statunitense, ad esempio, ha imposto lo standard di efficienza di Livello VI per gli alimentatori esterni destinati ai prodotti consumer, che prevede l’adozione di un gran numero di nuovi requisiti. L’Unione Europea ha rilasciato il Codice di Condotta Tier 2, che impone limiti ancora più severi rispetto al Livello VI del DoE. L’obiettivo degli Enti normatori è garantire livelli di efficienza più elevati, il che comporta un maggior numero di collaudi. Poiché questi requisiti sono validi per ogni altro settore industriale, il loro impatto è sicuramente pervasivo. Senza dimenticare che questo impatto non è limitato agli alimentatori o ai caricabatteria: di recente è stato introdotto uno standard per i circuiti di pilotaggio per Led finalizzato a migliorare l’efficienza sia della conversione dell’energia elettrica sia della conversione elettro/ottica. Sotto molti aspetti gli standard rappresentano uno dei peggiori incubi per il progettista, in quanto sono documenti soggetti a modifiche; in media ogni quattro anni gli standard subiscono revisioni finalizzate a ottenere ulteriori incrementi di efficienza energetica e una contemporanea riduzione del consumo di potenza in stand-by. - Qual è il ruolo della strumentazione nel promuovere l’innovazione in questo comparto?
Per comprendere il ruolo della strumentazione di misura e collaudo è importante conoscere le principali tendenze e le problematiche di maggior rilievo. Come detto, per ottenere livelli più elevati di efficienza è necessario adottare metodologie innovative di progetto, una delle quali prevede il funzionamento a frequenze di commutazione più alte. Ciò spiega il motivo per cui si sta affermando l’uso di dispositivi di potenza in tecnologia widebandgap. In ogni caso l’uso di questi dispositivi comporta l’insorgere di problematiche in fase di collaudo. Da un lato sono necessarie ampiezze di banda elevate, mentre dall’altro è richiesta una sensibilità elevata poiché i segnali di commutazione e di gating diventano sempre più ridotti. Il funzionamento ad alta frequenza richiede la misura di più segnali contemporaneamente per ottimizzare le temporizzazioni e il duty cycle per sfruttare al meglio le potenzialità del progetto. La necessità di effettuare collaudi e valutazioni a livello di componente sta assumendo un ruolo sempre più importante nel momento in cui si utilizzano nuove tecnologie che prevedono il ricorso a dispositivi GaN e SiC. Questi ultimi devono essere sottoposti a collaudi di breakdown utilizzando tensioni dell’ordine di migliaia di Volt e contemporaneamente è necessario misurare correnti di dispersione che possono avere valori dell’ordine dei femto-ampere. Un collaudo esaustivo di questi dispositivi è diventato un aspetto piuttosto critico, visto la complessità e l’importanza dei progetti in cui vengono utilizzati. A livello di sistema, invece, la necessità di effettuare il collaudo per livelli di efficienza elevati, la verifica accurata del consumo di potenza in tutte le modalità operative sono aspetti che vanno acquisendo una notevole importanza. A questo punto è utile sottolineare che un collaudo accurato su un numero sempre maggiore di punti di test del sistema e in tutte le fasi del design è divenuto molto più importante rispetto al passato. Le tecniche e gli strumenti di test utilizzati in precedenza non sono più sufficienti per risolvere in modo efficace le problematiche che devono affrontare i progettisti che operano nel settore della potenza. - Può darci maggiori informazioni sui nuovi materiali utilizzati?
I dispositivi in tecnologia widebandgap, principalmente basati su GaN e SiC, sono sicuramente un argomento di attualità. L’utilizzo dei dispositivi SiC è dettato dall’esigenza di ottenere una maggiore potenza e un’elevata stabilità termica, mentre l’uso dei dispositivi GaN è dettato dalla necessità di garantire tempi di salita e di discesa più brevi. L’utilizzo di questi dispositivi introduce nuove complessità nei circuiti di conversione di potenza a causa delle velocità di commutazione più elevate e di una maggiore sensibilità per quanto riguarda la tensione di soglia di gate e la temporizzazione. Inoltre, a causa dell’elevata frequenza di funzionamento, è necessario esaminare diversi segnali contemporaneamente. Tutto ciò richiede strumenti di test innovativi e nuove metodologie per ottimizzare le prestazioni di una data applicazione e assicurare l’affidabilità richiesta. - Qual è il ruolo di Tektronix nel supporto dei progettisti che operano nel settore della potenza e come sta evolvendo?
Tektronix mette a disposizione una gamma completa di strumenti e soluzioni software per i progetti che vanno dal collaudo del componente al test di conformità finale del prodotto finito. Tektronix si occupa di tutti gli aspetti legati all’ottimizzazione dell’efficienza energetica, rendendo possibile lo sviluppo dei futuri progetti. Questa è una delle aree applicative su cui stiamo focalizzando la nostra attenzione. A partire dalle Smu e dai tester parametrici utilizzati per la caratterizzazione dei componenti fino ad arrivare agli analizzatori di spettro e di potenza per il collaudo di conformità, Tektronix propone soluzioni per ciascuna fase del collaudo nel campo dell’elettronica di potenza. Un esempio significativo è il DMM7510, un multimetro digitale a campionamento in grado di risolvere correnti di riposo dell’ordine del pA e mostrare correnti impulsive fino a 1 MHz, consentendo quindi ai progettisti di caratterizzare in modo semplice il profilo di potenza in Dc in tutti gli stati di funzionamento di complessi sensori per applicazioni IoT e, di conseguenza, ottimizzare la durata della batteria.
