Minimizar la energía en espera del dispositivo

Con IoT, la conectividad se vuelve cada vez más importante ya que permite mantener una comunicación adecuada y, como Como resultado, el consumo en espera se está convirtiendo en un verdadero desafío.

Los teléfonos inteligentes y los electrodomésticos se encuentran entre las aplicaciones que han evolucionado en los últimos años. Uno de los desafíos importantes es optimizar el consumo de energía a medida que ingresan más y más dispositivos al mercado. Con IoT, la conectividad se vuelve cada vez más importante, ya que permite mantener una comunicación adecuada y, como resultado, el consumo de energía en espera del dispositivo se está convirtiendo en un verdadero desafío. Power Integrations ha anunciado LinkSwitch-TNZ, una nueva familia de circuitos integrados de fuente de alimentación conmutada que reduce el consumo en espera en aplicaciones y electrodomésticos inteligentes para el hogar para resolver algunos de estos desafíos.

En una entrevista con Power Electronics News, Adnaan Lokhandwala, gerente senior de marketing de productos en Power Integrations, señaló que hoy en día, muchos dispositivos funcionan en modo de espera y, para cumplir con varios requisitos reglamentarios, nuevas soluciones que combinan conversión de energía fuera de línea y detección de cruce por cero sin pérdidas. y, opcionalmente, se requieren funciones de descarga del capacitor X.

“Los productos domésticos inteligentes típicos incluyen interruptores y varios enchufes que permanecen conectados continuamente a la línea. Y, por supuesto, también se comunican constantemente con los teléfonos inteligentes. Por lo tanto, el consumo de energía en modo de espera es uno de los desafíos clave de estos productos. Los estudios muestran que varios dispositivos están constantemente esperando energía, lo que representa el 10% del uso de energía del hogar y del 80 al 90% del tiempo que están en modo de espera durante el día sin realizar ninguna función. Por ejemplo, los detectores de humo deben estar conectados a la línea de CA por regulación, pero el ciclo de trabajo para ese detector de humo es poco profundo. Los electrodomésticos inteligentes también deben cumplir con ciertas regulaciones regionales en términos de consumo de energía, incluido el consumo en espera. Entonces, por ejemplo, Europa tiene el EC 1275, que limita el consumo máximo de los electrodomésticos vendidos en Europa a 500 milivatios cuando están apagados o en modo de espera ”, dice Lokhandwala.

Figura 1:Familia LinkSwitch-TNZ:Conversión de energía agrega detección de cruce por cero y descarga de capacitor X (Fuente:Integraciones de energía)

Soluciones de conmutación

Debemos ser conscientes de las limitaciones del modo de espera, y la reducción de las pérdidas para aumentar la eficiencia debería ser el mantra para cualquier proceso de diseño nuevo. Dos funciones clave que se utilizan con mucha frecuencia en estas aplicaciones de electrodomésticos y hogares inteligentes son el circuito de paso por cero de CA discreto yx -descarga del condensador. “El cruce por cero de CA se utiliza en varias aplicaciones para controlar de manera eficiente la energía que llega a las cargas, como las lámparas LED. Desafortunadamente, el enfoque que se utiliza hoy en día tiene muchas pérdidas; es un circuito discreto muy estándar. La otra función es cumplir con los requisitos de seguridad con muchos de estos aparatos. Y hoy, esa función se realiza principalmente mediante el uso de resistencias en esos condensadores (resistencias de purga). Ahora, cuando se habla de carga completa, estas dos funciones pueden no ser muy significativas en términos de pérdidas. Pero cuando se habla de espera, esto puede convertirse en un factor importante para el presupuesto de energía de reserva que tienen los ingenieros cuando diseñan estos productos ”, dijo Lokhandwala.

LinkSwitch-TNZ tiene como objetivo agregar la capacidad de combinar una señal de cruce por cero sin pérdidas y la descarga del capacitor x con el mismo conmutador. “La implementación es un convertidor trasero no aislado muy simple. La belleza de este enfoque es que puede derivar los voltajes de salida principales necesarios, con un enfoque no aislado. Muchas de las aplicaciones actuales, incluso en hogares inteligentes, no requieren una fuente de alimentación aislada, porque no hay contacto humano directo y el aislamiento proviene de la carcasa. Entonces, si piensa en interruptores de pared inteligentes, no requieren que la fuente de alimentación esté aislada. Por supuesto, esto también le permite evitar el uso de transformadores personalizados ”, dice Lokhandwala.

Dispositivos como interruptores, atenuadores, sensores y enchufes conectan y desconectan la línea de CA periódicamente mediante un relé o TRIAC. “Uno de los desafíos al conectar un relé es la sincronización correcta en el encendido y apagado; la transición en todo esto es muy importante. Y luego, por supuesto, tener el controlador de relé para proporcionar la potencia correcta ”, dice Lokhandwala.

Por lo general, se emplea un circuito discreto para detectar el punto de cruce por cero de la línea de CA para controlar la transición de encendido del dispositivo de energía principal para reducir las pérdidas de conmutación y la corriente de entrada. La lista de materiales de este enfoque es decididamente antieconómico.

“Lo que pasa es que, en el momento de encender el relé, hay una gran corriente de entrada que puede ser muy alta. Lo mismo ocurre con el proceso de apagado, y ambos casos pueden tener un impacto en términos de la vida útil del relé y, por supuesto, en este caso, también la vida útil del producto ”, dice Lokhandwala.

Power Integrations afirma que al integrar la detección de fugas de CA de cruce por cero en el chip, los circuitos integrados LinkSwitch-TNZ brindan excelentes eficiencias de carga ligera, lo que permite que se alimenten múltiples funciones del sistema sin dejar de cumplir con las estrictas regulaciones de espera, como el estándar de la Comisión Europea (EC) para electrodomésticos (1275) que requieren que el equipo no consuma más de 0,5 W en modo de espera o apagado. Opcionalmente, también se puede incluir una función de descarga de condensador X en el paquete para aplicaciones de alta potencia.

Figura 2:La detección de cruce por cero proporciona una señal lógica cuando VAC pasa a través de 0 V. Señal utilizada para sincronizar el encendido de la fuente de alimentación mediante relé o TRIAC. Al cambiar a VAC =0, la corriente de entrada se reduce drásticamente (Fuente:Integraciones de energía)

Figura 3:La detección de cruce por cero reduce drásticamente la corriente de entrada en las aplicaciones conmutadas por relé (Fuente:Integraciones de energía)

“Normalmente, el condensador x se utiliza para diseños de mayor potencia. Un capacitor x es típicamente un capacitor de filtro que se conecta directamente a través de la línea de CA por razones de EMI y RFI, lo que minimiza ese ruido. Entonces, a medida que aumenta el nivel de potencia, esos x capacitores se hacen más grandes y el impacto de las resistencias de purga es mucho mayor. Normalmente, la función de descarga del condensador es más relevante en los electrodomésticos ”, dice Lokhandwala.

El diagrama de bloques de la figura 3 muestra un interruptor mecánico tradicional en las casas, que ahora está siendo reemplazado por dispositivos más inteligentes. Tiene un cable conectado a la entrada y salida ... básicamente, no hay un cable neutro conectado al sistema.

Figura 4:Compatible con interruptores inteligentes sin neutro (Fuente:Integraciones de energía)

Figura 5:Reducción de la energía de reserva en electrodomésticos con descarga activa del capacitor X (Fuente:Integraciones de energía)

“Históricamente, eso no ha sido un problema con los interruptores mecánicos porque no necesitas un cable neutro, ya que no tienen componentes electrónicos. Pero ahora, cuando fabrica estos productos inteligentes, está incorporando funcionalidad, lo que significa que necesita una fuente constante de energía para alimentar estos dispositivos electrónicos. Por lo tanto, en un dispositivo inteligente típico, tendría un controlador de relé, una fuente de alimentación de CA CC y un circuito discreto de cruce por cero que se usa comúnmente para garantizar que el retardo se active en el momento correcto. Y tendrías conectividad inalámbrica y algunos sensores. Ioff es la corriente de fuga cuando la carga está apagada, ya que los relés usan la otra ruta de corriente con la esperanza de conducir mientras están en espera. Para asegurarse de que esta corriente se mantenga extremadamente baja, debe optimizar el sistema para que esta corriente de apagado permanezca baja; si la corriente es alta, el resultado es que la bombilla LED, por ejemplo, se enciende. Esta corriente puede venir y cargar el condensador de entrada. Y, como resultado, básicamente encenderá y apagará la lámpara, que es algo que no desea. Este efecto se denomina "parpadeo" o efecto fantasma del LED. Entonces, con el nuevo producto, podemos eliminar la necesidad de un cable neutro. Y esto es muy común con los hogares y las aplicaciones de modernización porque, nuevamente, la mayoría de los hogares en América del Norte, Europa y Asia nunca han sido realmente conectados con un cable neutro. Entonces, ahora debe diseñar un sistema inteligente que pueda funcionar con los dos cables o sin un cable neutro. Y lo que hicimos fue crear un diseño de referencia completo, que en este caso es un diseño de referencia para un interruptor de atenuación inteligente basado en el módulo BLE de Nordic ”, dice Lokhandwala.

Los circuitos integrados de fuente de alimentación conmutada LinkSwitch-TNZ permiten una regulación de ± 3% en la línea y la carga, tienen un consumo sin carga de menos de 30 mW con polarización externa y tienen una corriente de espera de menos de 100 µA.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, Power Noticias de electrónica.