Autor: Jay Nagle – Ingeniero de Marketing de Producto – Controladores de señal digital dsPIC®
«La sostenibilidad de la tecnología es imprescindible para reducir los riesgos ecológicos y medioambientales. La generación de fuentes de energía renovables y su uso eficiente contribuyen a atenuar estos riesgos. La introducción de topologías avanzadas en sistemas de alto nivel computacional destinados a aplicaciones sostenibles aumentará el consumo de energía porque funcionan con mayores niveles de potencia y ancho de banda para obtener el rendimiento previsto. La innovación en la construcción y la eficiencia de los semiconductores son imprescindibles para abordar los retos inherentes a la creación de diseños sostenibles».
La sostenibilidad global se centra en iniciativas medioambientales, económicas y sociales destinadas a proteger y mejorar el entorno natural. Estas iniciativas consisten en ofrecer una calidad de vida que cubra las necesidades básicas de las personas utilizando tecnologías cuyo impacto medioambiental sea positivo. Entre los fenómenos más visibles que tratan de atenuar las iniciativas de sostenibilidad se encuentran los efectos del cambio climático. “El cambio climático es ampliamente reconocido como el mayor desafío de nuestro tiempo. Se están movilizando enormes recursos financieros y humanos para abordar las causas y los efectos del cambio climático, así como para desarrollar una transición energética de los combustibles fósiles a los recursos renovables” (Prysmian Group, 2023). El crecimiento de la población humana, el auge de la electromovilidad, las necesidades de la automatización industrial y los mayores requisitos informáticos para el procesamiento de datos hiperescalares, junto con la proliferación de dispositivos IoT inteligentes alimentados por baterías, están incrementando la demanda de la generación de electricidad. Si los combustibles fósiles son la única fuente de energía utilizada para cubrir este aumento de la demanda, el mayor volumen resultante de emisiones de gases invernadero acentuaría los efectos ya visibles del cambio climático. Por tanto, es imprescindible que las fuentes de energía renovables generen una mayor cuota de la demanda adicional de electricidad frente a los combustibles fósiles. Según la Figura 1 (eia International Energy Outlook 2021, www.eia.gov/ieo), se prevé que entre 2020 y 2050 la generación neta de electricidad en el mundo se incremente desde 25 billones de kW-h hasta aproximadamente
40 billones de kW-h. La cuota de electricidad procedente de fuentes de energía renovables, en su mayoría eólica y solar, aumentará aproximadamente del 30% al 65% durante ese período.
Figura 1: Generación neta de electricidad en el mundo por fuente y generación
La eficacia de una fuente de energía renovable se basa en maximizar la transferencia entre la fuente y la red o las cargas eléctricas, que se emplean a menudo en dispositivos de consumo, electrodomésticos o grandes sistemas de almacenamiento de energía en baterías. Las propias cargas eléctricas deben consumir una mínima cantidad de electricidad durante su funcionamiento con el fin de fomentar un uso eficiente de la energía procedente tanto de fuentes renovables como no renovables. Para cumplir estos objetivos es necesario que los circuitos integrados y los circuitos integrados de aplicación específica o ASIC (Application Specific Integrated Circuits) que participan en la conversión renovable de energía y los sistemas embebidos disipen poca potencia y alcancen elevados niveles de fiabilidad, densidad de potencia y seguridad.
Figura 2: Requisitos de los semiconductores dentro de los pilares del desarrollo sostenible
Diseño de bajo consumo
Una característica muy preciada en los semiconductores destinados a diseños sostenibles es su bajo consumo. En los dispositivos inteligentes alimentados por baterías instalados en ecosistemas sostenibles, el bajo consumo prolonga la autonomía de la batería y ello se traduce en tiempos más largos de funcionamiento entre recargas, y por tanto en la conservación de energía. Para sistemas de conversión CC/CC y CA/CC de alta potencia en aplicaciones de energía renovable, el menor consumo se traduce en sistemas más eficientes que destacan por una mayor paridad entre la electricidad generada y la suministrada una carga electrónica. Las dos fuentes principales de pérdidas de potencia en los semiconductores dentro de un sistema de control embebido son la disipación estática y dinámica. La potencia estática es el consumo eléctrico cuando un circuito está en espera (“standby”), es decir, cuando no está en funcionamiento, también llamado modo de “fuga”. La disipación dinámica es el consumo eléctrico cuando el circuito está en funcionamiento. En general, cuando más pequeño es el nodo tecnológico del proceso y más reducida es la geometría del dispositivo, mayor es la “fuga” o disipación estática y menor es la disipación dinámica debido a las capacidades más pequeñas del dispositivo. A su vez, las geometrías más grandes de los semiconductores muestran la tendencia opuesta. Hay que tener en cuenta estos aspectos al diseñar con semiconductores en determinadas aplicaciones dependiendo de que el sistema se alimente con una batería cuya disipación estática deba ser minimizada o en un sistema de conversión de electricidad renovable en el que sea aconsejable limitar la disipación dinámica. Para disminuir tanto la disipación dinámica como la estática, los semiconductores están diseñados para minimizar la capacidad a través del diseño de su trazado interno, funcionar con unos niveles más bajos de tensión que activen y desactiven de manera flexible sus respectivos bloques funcionales si el dispositivo esté en modo espera en “reposo profundo” (“deep sleep”) o en modo funcional.
Fiabilidad en el encapsulado de dispositivos
El rendimiento de los sistemas sostenibles se puede medir por medio de la fiabilidad de los dispositivos y la longevidad del sistema. Ambos se pueden ver comprometidos por el funcionamiento de un dispositivo semiconductor que funciona a temperaturas más elevadas. Dependiendo del entorno de la aplicación, los encapsulados de los semiconductores también se ven sometidos a esfuerzos y torsiones de tipo mecánico en los que la fiabilidad de la placa es primordial para la supervivencia del sistema. Microchip Technology Inc. y otros fabricantes de semiconductores utilizan los encapsulados VQFN y TQPF en circuitos integrados complejos, como los controladores de señal digital, en encapsulados de pequeño formato. El encapsulado VQFN utiliza terminales expuestos en la superficie inferior para disipar de manera efectiva una gran cantidad de calor con el fin de mantener una resistencia térmica suficientemente baja entre la unión y el ambiente (°C/W) cuando el dispositivo funciona a su máxima capacidad. Los encapsulados TQFP utilizan terminales del tipo “ala de gaviota” en un encapsulado de bajo perfil para resistir las fuerzas de vibración y otros esfuerzos mecánicos en entornos adversos para alcanzar una alta fiabilidad en la placa. Los encapsulados de bajo perfil también permiten que los diseñadores de sistemas sostenibles utilicen carcasas más pequeñas que no solo reducen el coste del sistema sino que también emplean menos materiales. Esto a su vez permite reducir el volumen de residuos al finalizar la vida útil de un producto.
Figura 3: Características de los encapsulados TQFP y VQFN
Alta potencia y miniaturización del sistema
Los semiconductores que alcanzan altas densidades de potencia se han diseñado para funcionar con altos niveles de potencia y en espacios pequeños. Estas son las características típicas de los dispositivos discretos y los módulos de potencia de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) con una amplia banda prohibida (bandgap) que se utilizan en aplicaciones solares, eólicas y de conversión eléctrica en vehículos eléctricos. El SiC y el GaN miniaturizan los sistemas de conversión porque permiten que el sistema funcione a frecuencias más altas, las cuales facilitan la reducción del tamaño y el peso de los componentes pasivos eléctricos necesarios para transferir la máxima cantidad de electricidad generada por una fuente renovable y mantener una elevada eficiencia del sistema de conversión.
Seguridad es igual a longevidad
Las funciones de seguridad de los semiconductores son vitales para desarrollar sistemas sostenibles. Las funciones de seguridad en los microcontroladores, como el arranque seguro e inmutable, pueden facilitar la continua reutilización de un sistema existente verificando la integridad de las actualizaciones de software necesarias para mejorar el rendimiento del sistema o reparar fallos en el código. Como resultado de ello es posible utilizar un diseño durante más tiempo sin sustituirlo o desecharlo más tarde debido a su obsolescencia. El almacenamiento seguro de claves y la autentificación de nodos son funciones de seguridad implementadas en los dispositivos semiconductores que protegen frente a ataques externos y garantizan que solo se ejecute código genuino en un diseño embebido. Estas funciones permiten que dos o más circuitos integrados reciban y transmitan datos criptográficos entre fuentes “de confianza” sin comprometer el rendimiento del sistema.
Figura 4: Factores para el diseño de sistemas sostenibles
Los diseños sostenibles forman parte de un ecosistema de productores y consumidores de energía en el que no solo hay que generar y almacenar la mayor cantidad de electricidad procedente de una fuente renovable, sino también recurrir a sistemas eficientes de control para emplear esta energía. Los semiconductores desarrollados por los fabricantes y los sistemas de los consumidores tienen en cuenta factores de diseño sostenible. Muchos proveedores de semiconductores, como Microchip Technology, ofrecen productos innovadores con modos de menor consumo, mayores densidades de potencia y funciones avanzadas de seguridad y protección que se ajustan a las exigencias, por parte del mercado, de factores de diseño necesarios en sistemas sostenibles como los mostrados en la Figura 4. Algunas de estas aplicaciones van desde bombas y ventiladores que se caracterizan por su sencillez y alta eficiencia hasta sistemas complejos de generación y almacenamiento de energía verde.
Referencias:
- What are the biggest sustainability threats? | Prysmian Group. (n.d.). https://www.prysmiangroup.com/en/insight/sustainability/what-are-the-biggest-sustainability-threats
- 2022 Sustainability Report Microchip(n.d.).https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/corporate-responsibilty/sustainability/2022-Microchip-Sustainability-Report.pdf https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/corporate-responsibilty/sustainability/2022-Microchip-Sustainability-Report.pdf
- Ivey, Brant. (2011). Low-Power Design Guide (Application note: 1416). Retrieved from Microchip Technology Corporation Website: https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/90001416a.pdf
- Microchip Packaging Specification, 2015 (n.d.). https://ww1.microchip.com/downloads/en/PackagingSpec/00000049BZ.pdf
