Minimizando a energia em espera do dispositivo

Com a IoT, a conectividade se torna cada vez mais importante, pois permite manter a comunicação adequada e, como um resultado, o consumo em espera está se tornando um verdadeiro desafio.
Smartphones e eletrodomésticos estão entre as aplicações que evoluíram nos últimos anos. Um dos desafios significativos é otimizar o consumo de energia à medida que mais e mais dispositivos entram no mercado. Com a IoT, a conectividade torna-se cada vez mais importante, pois permite manter a comunicação adequada e, como resultado, o consumo de energia em standby do dispositivo está se tornando um verdadeiro desafio. A Power Integrations anunciou o LinkSwitch-TNZ, uma nova família de IC de fonte de alimentação comutada que reduz o consumo em espera em aplicativos e eletrodomésticos inteligentes para resolver alguns desses desafios.

Em uma entrevista ao Power Electronics News, Adnaan Lokhandwala - Gerente de Marketing de Produto Sênior da Power Integrations, destacou que hoje, muitos dispositivos operam em modo de espera e, para atender a vários requisitos regulamentares, novas soluções combinando conversão de energia offline, detecção zero-cross sem perdas e, opcionalmente, funções de descarga do capacitor X são necessárias.

“Os produtos domésticos inteligentes típicos incluem interruptores e vários plugues que permanecem continuamente conectados à linha. E, é claro, eles também se comunicam constantemente com smartphones. Portanto, o consumo de energia em modo de espera é um dos principais desafios desses produtos. Estudos mostram que vários dispositivos estão constantemente esperando pela energia, respondendo por 10% do uso doméstico de energia, e 80 a 90% do tempo eles ficam em modo de espera durante o dia, sem realizar nenhuma função. Por exemplo, os detectores de fumaça devem ser conectados à linha CA por regulamento, mas o ciclo de trabalho para esse detector de fumaça é raso. Os aparelhos inteligentes também devem atender a certas regulamentações regionais em termos de consumo de energia, incluindo consumo em modo de espera. Assim, por exemplo, a Europa tem o EC 1275, que limita o consumo máximo de eletrodomésticos vendidos na Europa a 500 miliwatts quando estão desligados ou em modo de espera ”, diz Lokhandwala.

Figura 1:Família LinkSwitch-TNZ:Conversão de Energia Adiciona Detecção Zero-Cross e Descarga do Capacitor X (Fonte:Integrações de Energia)

Soluções de troca

Precisamos estar cientes das limitações do modo de espera, e a redução nas perdas para aumentar a eficiência deve ser o mantra para qualquer novo processo de design. Duas funções-chave comumente usadas nessas aplicações de casa e eletrodomésticos inteligentes são o circuito cruzado zero AC discreto e x -descarga do condensador. “O cruzamento AC-zero é usado em várias aplicações para controlar com eficiência a energia que vai para as cargas, como lâmpadas LED. Infelizmente, a abordagem que é usada hoje é muito imprevisível; é um circuito discreto muito padrão. A outra função é atender aos requisitos de segurança de muitos desses aparelhos. E hoje, essa função é feita principalmente pelo uso de resistores entre esses capacitores (resistores de purga). Agora, quando você está falando sobre carga total, essas duas funções podem não ser muito significativas em termos de perdas. Mas quando você fala sobre standby, isso pode se tornar um fator significativo para o orçamento de energia em standby que os engenheiros têm quando estão projetando esses produtos ”, disse Lokhandwala.

O LinkSwitch-TNZ visa adicionar a capacidade de combinar um sinal de cruzamento de zero sem perdas e descarga do capacitor x com o mesmo switcher. “A implementação é um conversor traseiro não isolado muito simples. A beleza dessa abordagem é que você pode derivar as tensões de saída principais necessárias, com uma abordagem não isolada. Muitas das aplicações hoje - mesmo em casas inteligentes - não requerem uma fonte de alimentação isolada, porque não há contato humano direto e o isolamento vem, na verdade, do gabinete. Portanto, se você pensar em interruptores de parede inteligentes, eles não exigem que a fonte de alimentação seja isolada. Claro, isso permite que você também evite o uso de transformadores personalizados ”, diz Lokhandwala.

Dispositivos como interruptores, dimmers, sensores e plugues conectam e desconectam a linha CA periodicamente usando um relé ou TRIAC. “Um dos desafios ao conectar um relé é a sincronização correta ao ligar e desligar - a transição em tudo isso é muito importante. E então, é claro, ter o driver do relé para fornecer a alimentação correta ”, diz Lokhandwala.

Um circuito discreto é normalmente empregado para detectar o ponto de cruzamento zero da linha CA para controlar a transição de ativação do dispositivo de energia principal para reduzir as perdas de comutação e a corrente de inrush. O BOM dessa abordagem é decididamente antieconômico.

“O que acontece é que, no momento de ligar o relé, há uma grande corrente de inrush que pode ser muito alta. O mesmo é verdade no processo de desligamento, e ambos os casos podem ter um impacto em termos de vida útil do relé - e, claro, neste caso, a vida útil do produto também ”, diz Lokhandwala.

A Power Integrations afirma que, ao integrar a detecção de vazamento AC zero-cross no chip, os ICs LinkSwitch-TNZ fornecem excelentes eficiências de carga leve, permitindo que várias funções do sistema sejam alimentadas ao mesmo tempo em que atende aos rígidos regulamentos de espera, como o padrão da Comissão Europeia (CE) para eletrodomésticos (1275) que requerem que o equipamento não consuma mais do que 0,5 W em modo de espera ou desligado. Opcionalmente, uma função de descarga do capacitor X também pode ser incluída no pacote para aplicações de alta potência.

Figura 2:A detecção de zero-cross fornece um sinal lógico quando VAC passa por 0 V. Sinal usado para sincronizar a ligação da fonte de alimentação via relé ou TRIAC. Comutando em VAC =0, a corrente de inrush é drasticamente reduzida (Fonte:Integrações de energia)

Figura 3:Detecção Zero-Cross reduz drasticamente a corrente de pico em aplicações comutadas por relé (Fonte:Integrações de energia)

“Normalmente, o capacitor x é usado para projetos de maior potência. um capacitor x é normalmente um capacitor de filtro que é conectado diretamente através da linha CA por razões EMI e RFI, minimizando esse ruído. Portanto, à medida que o nível de potência aumenta, esses capacitores x ficam maiores e o impacto dos resistores de sangramento é muito maior. Normalmente, a função de descarga do capacitor é mais relevante em aparelhos ”, diz Lokhandwala.

O diagrama de blocos da figura 3 mostra uma chave mecânica tradicional em residências, que agora está sendo substituída por dispositivos mais inteligentes. Ele tem um fio conectado na entrada e na saída ... basicamente, não há nenhum fio neutro conectado ao sistema.

Figura 4:Suporte a switches inteligentes não neutros (Fonte:Integrações de energia)

Figura 5:Reduzindo a energia em espera em eletrodomésticos com descarga do capacitor X ativo (Fonte:Integrações de energia)

“Historicamente, isso não tem sido um problema com interruptores mecânicos porque você não precisa de um fio neutro, pois eles não têm eletrônicos. Mas agora, quando você faz esses produtos inteligentes, está colocando funcionalidade dentro, o que significa que você precisa de uma fonte constante de energia para alimentar esses dispositivos eletrônicos. Portanto, em um dispositivo inteligente típico, você teria um driver de relé, uma fonte de alimentação AC DC e um circuito discreto de cruzamento zero comumente usado para garantir que o atraso seja ativado no momento certo. E você teria conectividade sem fio e alguns sensores. Ioff é a corrente de fuga quando a carga está desligada, pois os relés usam o outro caminho da corrente na esperança de conduzir durante o modo de espera. Para garantir que essa corrente seja mantida extremamente baixa, é necessário otimizar o sistema para que a corrente desligada permaneça baixa; se a corrente for alta, o resultado é que a lâmpada LED, por exemplo, acende. Esta corrente pode vir e carregar o capacitor de entrada. E, como resultado, basicamente ligará e desligará a lâmpada, o que é algo que você não quer. Este efeito é chamado de 'cintilação' ou fantasma do LED. Portanto, com o novo produto, podemos eliminar a necessidade de um fio neutro. E isso é muito comum com residências e aplicações de retrofit porque, novamente, a maioria das residências na América do Norte, Europa e Ásia nunca foi realmente conectada com um fio neutro. Então, agora você tem que projetar um sistema inteligente que funcione com os dois fios ou sem fio neutro. E o que fizemos foi criar um design de referência completo, que neste caso é um design de referência para um interruptor de dimmer inteligente baseado no módulo BLE da Nordic ”, disse Lokhandwala.

Os CIs da fonte de alimentação comutada LinkSwitch-TNZ permitem ± 3% de regulação na linha e na carga, têm um consumo sem carga de menos de 30 mW com polarização externa e têm uma corrente de espera de menos de 100 µA.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Notícias de eletrônicos.