ספקי הכוח החיצוניים מהרמה האחרונה VI משפרים את יעילות המבואות של אינטרנט של הדברים המוזן על-ידי הקו
עשרות מיליארדים של “דברים” עתידיים להיות מחוברים לאינטרנט במהלך השנים הקרובות, אך לא כולם יהיו חיישנים אישיים בעלי מיעון ב-IP. רבים יהיו שערים המרכזים נתונים הנקלטים ממערכי התקנים דרך קשרים דוגמת Bluetooth® או רדיו קנייני בעל הספק נמוך, או קשרים נקודה-לנקודה מחווטים או fieldbus. עם התקנים אלה כלולים, האינטרנט של דברים יוכל לאסוף נתונים מיותר מטריליון חיישנים שיעובדו ויאוכסנו ב”ענן”.
חלק גדול מהניתוח של תכנון האינטרנט של הדברים ממוקד בתכנון בהספק מאוד נמוך, המאפשר לנקודות סיום דוגמת חיישנים חכמים לפעול במשך תקופות ארוכות תוך הזנה מסוללה או מאנרגיה הנאספת מהסביבה הקרובה. התקני מבואה (gateway) דורשים הרבה יותר הספק מאשר סוללה קטנה או מערכת איסוף אנרגיה יכולות לספק.
שלא כמו חיישנים, אותם יש למקם באתרים ספציפיים, מבואות מאפשרים גמישות יתר לשם מיקום התקן קרוב למקור כוח מתאים כגון חיבור קיר AC. אם משתמשים במתאם של הספק חיצוני כדי לספק את הספקת המתח ה-DC הנמוך עבור המבואה, מתכננים יכולים לפשט את המעגל הפנימי של המבואה ולהעביר לאחרים את האחריות למלא אחר תקני הבטיחות ההספק והיעילות עבור ספק המתאם.
לעשות את המתאמים יעילים יותר
מתכננים של כל סוגי מערכות OEM בחרו להזין את התכנונים שלהם בעזרת מתאם חיצוני מזה מספר עשורים. למעשה, מתאמים היו כה מוצלחים שחוקרים החל משנות ה-1990s חזו עתיד המוזן על-ידי ביליונים של התקנים אלה. מחקר מ-1998 של Alan Meier מ-Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) העריך שכ-5% מכלל צריכת החשמל בארה”ב – בערך של כ-3 ביליון דולר – בוזבזו על-ידי ספקי כוח בשעה שהציוד המחובר נמצא במצב ריקם. האחוז היה צפוי להגיע ל-30% תוך 20 שנה אם לא תינקט כל פעולה.
המפרטים המחייבים הראשונים של יעילות-אנרגיה עבור מתאמים חיצוניים הופעלו בקליפורניה ב-2004. תקנים דומים אומצו בכל העולם, והפכו להרמוניים בתור International Energy Efficiency Marking Protocol for External Power Supplies. התפתחות הפרוטוקול חייבה גבולות מחמירים בהדרגה על צריכת הספק ללא-עומס ויעילות הפעלה ממוצעת מזערית.
ב-2014, משרד האנרגיה של ארה”ב (Department of Energy – DoE) הכריזה שכל ספקי הכוח החיצוניים (external power supplies –EPS) המיוצרים אחרי פברואר 2016 ומשווקים בארה”ב צריכים לענות למפרט היעילות החדש ברמה VI. האיחוד האירופי וסמכויות נוספות, הפועלות באופן שוטף לפי מפרט ברמה VI, צפויות להעלות את הדרישות שלהם לרמה VI בהקדם, אם כי אף אחת מהן עדיין לא הכריזה על כללים רשמיים.
החקיקה החדשה מתייחסת לכל ספקי הכוח החיצוניים, בין אם הם משווקים כמוצרים עצמאיים או במארז עם ציוד OEM דוגמת מחשבי מחברת, טלפונים חכמים, טבלטים, מדפסות, קיני אינטרנט, נתבים ושערי אינטרנט של דברים. בשל הצפייה לצמיחה עצומה במבואות ה-IoT, ניתן לראות את המפרט ברמה VI עבור ספקי כוח חיצוניים כמספק הגנה בעלת ערך עבור הסביבה נגד ההשפעות של מספר רב של מבואות IoT שיתחברו בקרוב לסריג ההספק.
CUI החלה מנהיגה מוצרים ברמה VI לתחום ה-EPS שלה בסוף 2014, כדי לענות להסדרים החדשים. יצרני EPS מתאימים בצורה אופיינית את תיק המוצרים שלהם כדי לענות לתקן המחייב הגבוה ביותר, המאפשר ללקוחות OEM לרבות את היעילות התפעולית ולמנוע שגיאות בשרשרת ההספקה על-ידי שיווק סוג של ספק כוח רגיל עם מוצרים במיועדים לשוקי ייצוא מרובים.
פרוטוקול הרמה VI הוא משמעותית מורכב יותר מאשר קודמיו, ומגדיר חמישה סוגים של מתאמים הכוללים לראשונה, יחידות המודרגות מעל 250 ואט. טבלה 1 כוללת את ההספק ללא-עומס והיעילות הממוצעת עבור כל הסוגים הכלולים.
לא סביר שנבואות IoT אופייניים ידרשו מתאם של 250 ואט או מרובה-מוצאים, אך הם יכולים להיות מתוכננים לשימוש עם הספקת מתח-ניחיד AC/DC של מעל 6 וולט או פחות מ-6 וולט בסוג של פחות מ-1 ואט או מהסוג בין 1 ואט ל-79 ואט. איור 1 משווה את מפרטי היעילות הממוצעת המזערית עבור מתאמי הספק ברמה VI בעלי מתח יחיד (מוצא מעל 6 וולט) כנגד מפרטי הרמה III, רמה IV ורמה V. הגבול הוא משמעותית גבוה יותר עבור יחידות בתחום 0.5W-5W אשר יזינו כנראה כמות גדולה של התקני מבואה IoT. בהתאם ליישום יש לתכנן את המבואה כדי לעשות שימוש במצב השינה, תוך נקיטת יתרון של צריכת ההספק ללא-עומס היותר נמוכה של המפרט ברמה VI. יישומים אחרים עשויים לדרוש שהמבואה תהיה אקטיבית פחות או יותר ברציפות.
לענות לרמה VI על-ידי תכנון
מפרטי רמה VI החדשים מהווים אתגרים קשים עבור מתכנני ספקי כוח. בהשוואה לספקי הכוח ברמה V של CUI, היחידות ברמה VI כוללות שינויים בכמעט כל ההיבטים של המעגלים בצד הראשוני והמשני. הם כללו תכנון של ה-ICs לבקרה האחרונים ביותר בסוגי הפעולה בעומס קל משופרים: בפעולה רגילה הבקרים החדשים פועלים באותו תדר מיתוג של 65 קילו-הרץ המשמש במוצרי רמה V, אך הם משתנים בעומס קל וללא עומס כדי להקטין את הפסד ההספק ולשפר את היעילות. ערכי הקבל והנגד במעגל המשוב המשני עברו ייטוב מחדש כדי למתן את ההשפעות של גליות ורעש מוגדלים בתדרי מיתוג נמוכים יותר. ה-IC לבקרה גם נהנה מהיתרון של הטכנולוגיות החדשות כדי להקטין את הספק הסרק, התורם לענות לגבולות המרביים על צריכת ההספק ללא עומס.
שינויים במעגל המתח הנמוך/זרם גבוה בצד המשני של ספקי הכוח כוללים התאמת יישור סינכרוני תוך שימוש ב-MOSFETs ו-IC בקרה מיוחד, במקום יישור בדיודה פשוטה. שינויי רכיבים אחרים כוללים ערכי נגדים בעלי ייטוב מחודש, והשימוש בקטרי מוליכים מוגדלים כדי להקטין את פיזור הספק הפנימי. יתר על כן, ה-MOSFETs החדשים יותר בעלי התנגדות נמוכה במצב on-state מסייעים להעלות את היעילות בעומסים כבדים יותר.
איור 1. דרישת היעילות הממוצעת המזערית היא גבוהה משמעותית מאשר במפרטים קודמים.
מהצד השני, מעגל ההספק הראשי מסודר בצורה מאוד דומה ליחידות הרמה V הקודמים. יחידות מדורגות מתחת ל-120 ואט משתמשות בתכנון החזיר (flyback) המבוסס של CUI, בעוד מתאמים מעל 120 ואט משתמשים בטופולוגיית תהודה LLC. ראוי לציין שהיעילות הממוצעת המוגדלת של ספקי הכוח ברמה VI גם מסייעת להנמיך את טמפרטורת העבודה האופיינית ובכך לשפר את האמינות. זה עשוי להיות יתרון חשוב ביותר ביישומי IoT, בהם ציוד נדרש לעתים לפעול במשך תקופות ארוכות בשדה בעזרת תחזוקה מועטת או אפסית.
שיפורים למען IoT והסביבה
ה-US Environmental Protection Agency (EPA) אמרה שהכללים שנכפו על ספקי כוח חיצוניים במהלך העשור האחרון כבר צמצמו את פליטות ה-CO2 ביותר מ-24 מיליון טונות בשנה וחסכו למשקי הבית 2.5 ביליון דולר בשנה. ה-US Department of Energy סבור כעת שחיוב ה-Level VI יחסוך כ-47 מיליון טונות של CO2. יצרני ציוד דוגמת מבואות IoT חייבים להיות מעודכנים אודות התקנים האחרונים הישימים לספקי כוח ואנרגיה.
