Daya Rendah, Keandalan Tinggi, Kerapatan Daya, dan Keamanan – Tekno

Pahami.id – Ilmu mikrochip menyampaikan pentingnya karakteristik semikonduktor untuk desain sistem yang berkelanjutan. Cara semikonduktor dirancang untuk daya rendah, keandalan tinggi, kepadatan daya, dan keamanan terus berkembang.

Keberlanjutan global berfokus pada inisiatif lingkungan, ekonomi dan sosial yang bertujuan untuk melindungi dan memperbaiki keadaan lingkungan alam.

Inisiatif ini mencakup dukungan terhadap kualitas hidup yang memenuhi kebutuhan dasar manusia dan penggunaan teknologi yang berdampak positif terhadap lingkungan. Salah satu fenomena paling jelas yang ingin diatasi oleh inisiatif keberlanjutan adalah dampak perubahan iklim.

“Secara umum, perubahan iklim adalah tantangan terbesar di zaman kita. Sumber daya finansial dan manusia dalam jumlah besar telah dimobilisasi untuk mengatasi penyebab dan dampak perubahan iklim, dan untuk mewujudkan transisi energi dari bahan bakar fosil ke sumber terbarukan..”

Pertumbuhan populasi manusia, peningkatan mobilitas elektronik, kebutuhan akan otomasi industri, peningkatan kebutuhan komputasi untuk pemrosesan data skala besar, dan pengembangan perangkat IoT pintar bertenaga baterai meningkatkan permintaan akan pembangkit listrik.

Jika bahan bakar fosil menjadi satu-satunya sumber energi yang digunakan untuk memenuhi lonjakan permintaan ini, maka peningkatan volume emisi gas rumah kaca akan memperburuk dampak perubahan iklim yang sudah terlihat.

Oleh karena itu, sumber energi terbarukan harus memberikan kontribusi yang lebih besar terhadap peningkatan permintaan listrik dibandingkan bahan bakar fosil. Menurut eia International Energy Outlook 2021, www.eia.gov/ieo, antara tahun 2020 dan 2050, pembangkitan listrik bersih global diperkirakan akan meningkat dari 25 triliun kW-jam menjadi sekitar 40 triliun kW-jam.

Porsi listrik dari sumber energi terbarukan, yang sebagian besar berasal dari tenaga angin dan surya, akan meningkat dari sekitar 30% menjadi 65% pada periode yang sama.

Efektivitas sumber listrik terbarukan bergantung pada maksimalisasi transfer daya dari sumber ke jaringan listrik atau beban listrik. Beban listrik ini dapat berupa perangkat konsumen dan peralatan rumah tangga yang sering digunakan, atau sistem penyimpanan energi baterai berskala besar.

Selain itu, beban listrik itu sendiri perlu menggunakan daya dalam jumlah minimum selama pengoperasiannya untuk mendorong efisiensi penggunaan energi yang dihasilkan dari sumber terbarukan dan tidak terbarukan.

Untuk mencapai hal ini, IC (Integrated Circuits) dan ASIC (Application Spesifik Integrated Circuits) yang merupakan konversi daya terbarukan dan sistem tertanam harus menunjukkan disipasi daya yang rendah, keandalan yang tinggi, kepadatan daya yang tinggi, dan keamanan.

Desain untuk Daya Rendah

Fitur semikonduktor yang sangat diinginkan dalam desain berkelanjutan adalah konsumsi daya yang rendah. Untuk perangkat pintar bertenaga baterai yang merupakan fitur ekosistem berkelanjutan, konsumsi daya yang rendah akan memperpanjang masa pakai baterai yang berarti waktu pengoperasian lebih lama antara pengisian ulang sehingga menghemat energi.

Untuk sistem konversi DC/DC dan AC/DC berdaya tinggi dalam aplikasi energi terbarukan, konsumsi daya yang lebih rendah berarti efisiensi sistem yang lebih tinggi, yang menunjukkan stabilitas yang lebih tinggi antara daya yang dihasilkan dan disuplai ke beban elektronik.

Dua sumber utama hilangnya daya semikonduktor dalam sistem kendali tertanam adalah disipasi daya statis dan dinamis. Daya statis ditandai dengan konsumsi daya pada saat rangkaian dalam keadaan “siaga” atau tidak beroperasi, yang biasa disebut dengan “kebocoran”.

Disipasi daya dinamis ditandai dengan konsumsi daya saat rangkaian dalam kondisi beroperasi. Secara umum, semakin rendah teknologi node proses dan berkurangnya geometri perangkat, semakin tinggi “kebocoran” atau disipasi daya statis dan semakin rendah disipasi daya dinamis karena kapasitansi perangkat yang lebih kecil.

Sebaliknya, geometri semikonduktor yang lebih besar menunjukkan tren sebaliknya. Pertukaran ini harus dipertimbangkan ketika merancang semikonduktor untuk aplikasi tertentu tergantung pada apakah sistem tersebut bertenaga baterai dimana disipasi daya statis harus diminimalkan atau sistem konversi daya terbarukan dimana disipasi daya dinamis harus dibatasi.

Untuk membatasi disipasi daya dinamis dan statis, semikonduktor dirancang untuk meminimalkan kapasitansi melalui desain tata letak internalnya, beroperasi pada level tegangan yang lebih rendah dan fleksibel untuk mengaktifkan dan menonaktifkan blok fungsionalnya masing-masing jika perangkat dalam mode siaga atau fungsional” tidur nyenyak”.

Keandalan dalam Pengemasan Perangkat

Kinerja dalam sistem berkelanjutan dapat diukur melalui keandalan komponen dan ketahanan sistem. Keduanya dapat ditembus dengan mengoperasikan perangkat semikonduktor yang beroperasi pada tingkat suhu lebih tinggi. Berdasarkan lingkungan aplikasinya, paket semikonduktor juga terkena tekanan mekanis dan torsi sehingga keandalan tingkat papan sangat penting untuk kelangsungan sistem.

Microchip ology Inc., bersama dengan banyak produsen semikonduktor lainnya, menggunakan paket VQFN dan TQPF untuk mengemas sirkuit terintegrasi yang kompleks, seperti pengontrol sinyal digital dalam paket faktor bentuk kecil.

Paket VQFN menggunakan bantalan terbuka di permukaan bawah kemasan untuk menghilangkan jumlah panas yang tepat secara efektif guna mempertahankan sambungan yang cukup rendah terhadap ketahanan termal sekitar (°C/W) saat perangkat beroperasi pada kapasitas maksimumnya.

Paket TQFP menggunakan kabel tipe Gull-Wing dalam paket tinggi profil rendah untuk menahan gaya getaran dan tekanan mekanis lainnya di lingkungan pengoperasian yang keras untuk menciptakan keandalan tingkat papan yang tinggi.

Selain itu, paket ringkas ini memungkinkan perancang sistem berkelanjutan untuk menggunakan volume penutup yang lebih kecil, yang tidak hanya mengurangi biaya sistem namun juga menggunakan lebih sedikit material. Hal ini menghasilkan jumlah limbah yang lebih sedikit pada akhir siklus hidup produk yang dapat digunakan.

Daya Tinggi dengan Minimisasi Sistem

Semikonduktor yang menunjukkan kepadatan daya tinggi dianggap mampu beroperasi pada tingkat daya tinggi namun tetap dalam ukuran kecil. Ini adalah fitur khas Silicon Carbide (SiC) dan Gallium Nitride (GaN) serta modul daya yang digunakan dalam aplikasi konversi tenaga surya, angin, dan kendaraan listrik.

SiC dan GaN mendukung miniaturisasi sistem konversi daya yang memungkinkan pengoperasian sistem pada frekuensi yang lebih tinggi. Pengoperasian frekuensi yang lebih tinggi memungkinkan pengurangan ukuran dan berat pasif listrik yang diperlukan untuk mentransfer jumlah daya maksimum yang dihasilkan oleh sumber terbarukan serta menjaga efisiensi sistem konversi daya yang tinggi.

Keamanan Meningkatkan Ketahanan

Fitur keselamatan semikonduktor penting untuk pengembangan sistem yang berkelanjutan. Fitur keamanan pada mikrokontroler, seperti boot yang aman dan tidak dapat diubah, dapat memungkinkan penggunaan kembali sistem yang ada secara berkelanjutan dengan memastikan integritas pembaruan perangkat lunak apa pun yang diperlukan untuk meningkatkan kinerja sistem atau menerapkan perbaikan bug dalam kode.

Akibatnya suatu desain berpotensi untuk digunakan dalam jangka waktu yang lebih lama tanpa diganti dan kemudian dibuang karena sudah ketinggalan zaman.

Penyimpanan kunci yang aman dan otentikasi node adalah fitur keamanan yang diterapkan pada perangkat semikonduktor yang dapat melindungi dari serangan eksternal dan memastikan bahwa hanya kode asli yang dieksekusi pada desain yang disematkan.

Fitur ini memungkinkan dua atau lebih sirkuit terintegrasi mengenali penerimaan dan transmisi data kriptografi antara sumber “tepercaya” tanpa mempengaruhi kinerja sistem.

Desain berkelanjutan adalah bagian dari ekosistem produsen dan konsumen energi dengan tantangan tidak hanya menghasilkan dan menyimpan listrik dalam jumlah terbesar dari sumber terbarukan, namun juga menggunakan sistem kontrol yang efisien untuk menggunakan energi tersebut.

Semikonduktor yang dikembangkan untuk sistem produsen dan konsumen mempertimbangkan faktor desain yang berkelanjutan. Banyak vendor semikonduktor, seperti Microchip ology, melakukan inovasi produk dengan mode konsumsi daya yang lebih rendah, peningkatan kepadatan daya, serta fitur keselamatan dan keamanan tingkat lanjut untuk memenuhi permintaan pasar akan faktor desain yang diperlukan dalam sistem berkelanjutan.

Beberapa aplikasinya berkisar dari pompa dan kipas yang sederhana namun sangat efisien hingga pembangkitan dan penyimpanan energi ramah lingkungan yang kompleks.