تتطلب الصناعات اليوم إلكترونيات أسرع وأكثر كفاءة يمكنها معالجة كمية هائلة من البيانات في ثوانٍ. لكن هذا المطلب يأتي على حساب زيادة استهلاك الطاقة ، مما أدى إلى ارتفاع كبير في النفقات المتكبدة على تشغيل هذه الأنظمة الإلكترونية. تشكل رسوم الكهرباء حوالي 45 بالمائة من تكلفة تشغيل مركز بيانات بالحجم الكامل. يمكن أن يتطلب مركز البيانات متوسط الحجم حوالي 50 ميغاواط من الطاقة ، وهو ما يكفي لتشغيل 4000 أسرة. هذا الحجم من الطاقة المستهلكة يضع الكثير من الضغط على البيئة بسبب المصادر غير المتجددة الكبيرة المستخدمة لتوليد هذه الطاقة. هناك حاجة إلى حلول إدارة الطاقة الفعالة لمواجهة هذه التحديات.
تبحث صناعة السيارات الكهربائية والهواتف الذكية في تقنيات لزيادة عمر بطارية منتجاتها. يطالب المستهلكون اليوم بخدمات غير منقطعة ، وهي أرخص وأكثر أمانًا وفعالية. أصبحت إدارة الطاقة مجالًا مهمًا اليوم مع تركيز الباحثين على زيادة كثافة الطاقة في الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات ، عن طريق زيادة تردد التشغيل وفي نفس الوقت تقليل الخسائر. يتم تطوير ICs الأحدث القائمة على GaN و SiC من أجل تسهيل التشغيل عالي التردد. بصرف النظر عن المركبات الأحدث ، تستخدم الشركات المصنعة للأجهزة الإلكترونية الرائدة مثل Texas Instruments (TI) عمليات محسنة وتقنيات تغليف وتصميم الدوائر لتلبية الاحتياجات الصناعية لإدارة الطاقة. تتضمن إدارة الطاقة تحسين كثافة الطاقة وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي والحفاظ على القدرة وسلامة الإشارة في وجود خطوط الجهد العالي.
تتضمن إدارة الطاقة الفعالة كلاً من زيادة قدرة نقل الطاقة للإلكترونيات مع تقليل الخسائر في نفس الوقت والحفاظ على سلامة الإشارة. هناك خمسة اتجاهات رئيسية يتطلع المصنعون للاستفادة منها من أجل توفير أحدث الأجهزة الإلكترونية للمستهلكين لتلبية احتياجاتهم. هذه الاتجاهات الخمسة هي:
- زيادة كثافة الطاقة.
- خفض التيار الهادئ.
- خفض التداخل الكهرومغناطيسي.
- خفض الضوضاء لتعزيز الدقة.
- عزل لزيادة الامان اثناء العمل بالجهد العالى (HV).
زيادة كثافة الطاقة
تتطلب زيادة الطاقة المنقولة عمومًا زيادة في حجم الإلكترونيات المستخدمة من أجل منع ارتفاع درجة الحرارة وتفسير الخسائر. لكن زيادة الحجم غير ممكن بسبب المساحة المحدودة المتاحة لاستيعاب الإلكترونيات في تطبيقات مختلفة مثل المركبات الكهربائية والهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والتجارية. وبالتالي ، فإن المصممين مطالبون بالضغط على المزيد من الإلكترونيات مع زيادة الكفاءة وتحسين الأداء الحراري في نفس الوقت. يمكن أن تساعد زيادة تردد التشغيل في زيادة كثافة الطاقة وتقليل حجم المكونات السلبية مثل المحاثات والمكثفات والمحولات ، لكن تردد التشغيل المتزايد مقيد بعوامل مثل خسائر التبديل العالية ، وخسائر الاسترداد العكسي ، وخسائر التشغيل وإيقاف التشغيل العالية ، والأداء الحراري.
ومن ثم لتحقيق حدود كثافة الطاقة غير القابلة للتحقيق سابقًا ، يجب معالجة كل من العوامل المحددة المذكورة أعلاه بشكل فردي – تقليل خسائر التبديل ، وتحسين الأداء الحراري للحزمة ، واعتماد الهياكل والدوائر المبتكرة ، وإنهاء دمجها لتشكيل حزمة.
لتقليل خسائر التبديل ، يتم استخدام مركبات أحدث مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) للتطبيقات عالية الجهد وعالية التردد. يُظهر GaN استردادًا عكسيًا صفريًا ، وشحنًا منخفضًا للإخراج ، ومعدل دوران أعلى ، مما يتيح طوبولوجيا أحدث توفر كفاءات أعلى ، وهو أمر غير ممكن من خلال دوائر MOSFET القائمة على Si.
استفادت TI من خاصية GaN هذه لتقديم خسائر أقل بشكل كبير وتحقيق تردد تبديل أعلى. بصرف النظر عن المركبات الأحدث ، فإن القدرة على إخراج الحرارة من حزمة الدوائر المتكاملة (ICs) تؤثر بشكل مباشر على كثافة الطاقة. طورت TI تقنية حزمة HotRod ، والتي تحل محل الحزم المسطحة بدون الرصاص (QFNs) من نوع السلك السندات المستخدمة عادةً مع حزمة نمط الرقاقة ، والتي تتيح تقليلًا كبيرًا في محاثة الحلقة الطفيلية مما يساعد على تقليل الحرارة المنتجة.
خفض التيار الهادئ
التيار الهادئ (Iq) هو مقدار التيار الذي تستخدمه الدائرة عند تمكينها ولكنها لا تدعم الحمل أو تشغله. يعد تقليل معدل الذكاء أمرًا مهمًا لتقليل استهلاك الطاقة وتحسين عمر البطارية. تستخدم أنظمة إنترنت الأشياء التي لا تعمل بشكل مستمر كمية كبيرة من التيار الهادئ لتشغيل وحدات مختلفة على متنها ، وبالتالي لتحسين عمر البطارية ، يلزم تحسين دقيق لـ Iq. لكن تقليل معدل الذكاء له عيوبه – انخفاض معدل الذكاء يعني زيادة وقت الاستجابة العابر للأجهزة. وذلك لأن المكثفات الطفيلية الداخلية تستغرق وقتًا أطول نسبيًا للشحن بسبب انخفاض حجم Iq.
تتمثل إحدى الطرق الممكنة لتقليل معدل الذكاء في برمجة أوضاع مختلفة لتوفير الطاقة ، اعتمادًا على تيار الحمل. على الرغم من أن التبديل بين هذه الأوضاع يتم تلقائيًا ، عند التشغيل عند معدل Iq منخفض ، فإن وقت الانتقال المستغرق للتبديل بين هذه الأوضاع يزيد بشكل كبير مما يتسبب في حدوث أخطاء في جهد الخرج. باستخدام مكونات تسرب منخفضة للغاية وطبولوجيا جديدة ، يمكن أن تحقق Texas Instruments استخدامًا منخفضًا للطاقة الاحتياطية. لتحقيق وقت استجابة أسرع ، يتم استخدام دوائر الاستيقاظ والتحيز التكيفي بواسطة TI مع الحفاظ على تيار هادئ أقل.
خفض التداخل الكهرومغناطيسي
التداخل الكهرومغناطيسي هو الضوضاء غير المرغوب فيها والتداخل في مسار كهربائي بسبب الأجهزة الكهرومغناطيسية الأخرى التي تعمل في المنطقة المجاورة. عندما يقوم مصنعون مختلفون بصنع مكونات مختلفة لاستخدامها في عبوة ما ، فإنهم يحاولون الحفاظ عليها ضمن حدود معينة. تستخدم Texas Instruments تقنيات الطيف المنتشر المتقدمة للتخفيف من تأثير التداخل الكهرومغناطيسي المتولد. لزيادة مقاومة EMI في طيف التردد المنخفض ، تستخدم TI نهج ترشيح EMI نشط في العديد من أجهزتها. يستخدم نهج انتشار الطيف مبدأ الحفاظ على الطاقة لنشر قمم التداخل الكهرومغناطيسي ونشرها حول ترددات متعددة.
خفض الضوضاء لتعزيز الدقة
تتطلب الأنظمة عالية الدقة مراقبة دقيقة لمعلمات النظام ، والتي تتطلب بدورها تشوهات منخفضة الضوضاء في الإشارات المرجعية. من أجل تعظيم موثوقية وأداء النظام ، فإن إشارات المراقبة والتكييف والمعالجة في سلسلة الطاقة أمر بالغ الأهمية. لتحسين الدقة وتقليل التشوه ، يستخدم TI مكونات عملية متخصصة بالإضافة إلى دائرة متطورة وإجراءات اختبار. بالنسبة للتطبيقات مثل مراقبة بطارية السيارات الكهربائية والاختبار والقياس والطبية وغير ذلك ، تستخدم شركة Texas Instruments أحدث تقنيات معالجة الطاقة من أجل زيادة الدقة وتقليل التشويه وتقليل الضوضاء عبر محولات الطاقة الخطية والتبديل. .
عزل لزيادة الامان اثناء العمل بجهد عالي
العزل الكهربائي هو الفصل بين دائرتين إما AC و DC أو الجهد العالي AC / DC والجهد المنخفض AC / DC. يتم القيام به من أجل حماية الجهد المنخفض أو جانب التيار المستمر من الزيادات والأعطال التي قد تحدث في جانب الجهد العالي. العزل الجلفاني هو العزل الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات ، والذي يفصل بين مجالين بينما يسمح في نفس الوقت بنقل الطاقة والإشارة عبر الحاجز ويوفر مناعة ضد الضوضاء. تقنيات العزل المتقدمة TI مثل حواجز العزل SiO2 بالسعة والمحولات المتكاملة تتجاوز جميع المعايير العالمية وتوفر أداءً ممتازًا في نفس الوقت.
استنتاج
يعطي المصنعون في جميع أنحاء العالم الأولوية لإدارة الطاقة من أجل توفير حلول مستدامة مع تلبية الحاجة المتزايدة للإلكترونيات الأسرع والأكثر كفاءة في نفس الوقت. تتطرق المقالة إلى أفضل 5 اتجاهات تبنتها كبرى الشركات مثل Texas Instruments لتصنيع إلكترونيات منخفضة الطاقة وعالية الأداء.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
