Laurent Jenck – ON Semiconductor
על-פי ההערכות נמצאים היום 2.5 מיליארד מוצרי חשמל בשימוש בארה”ב לבדה, ומדי שנה נמכרים שם בין 400 ל-500 מיליון ספקי כוח חדשים, מה שאומר ששיפור נצילות הספקים היא ללא ספק מפתח מרכזי לעמידה בתקני היעילות האנרגטית, לצמצום הדרישות ממשאבי האנרגיה הכלל עולמיים, ולצמצום ההשפעות השימוש שלנו בטכנולוגיה על הסביבה. עם זאת, היישום או הבחירה של ספק כוח מגיעים לעתים קרובות בשלב מאוחר בתהליך הפיתוח של המוצר, מה שמותיר זמן מועט מדי למיטוב התכנון עבור יישום היעד ובנוסף מותיר מעט מאוד גמישות במונחים של עלות רכישה. ההתקדמות הטכנולוגית, תקני החובה והתקנים המומלצים – כל אלה מניעים שיפור בנצילות האנרגיה של ספקי כוח.
הצורך
כתוצאה מצמיחה כלכלית, מטכנולוגיה המתפתחת במהירות ומגידול באוכלוסיה, צריכת האנרגיה הכלל עולמית צפויה לגדול בשיעור מדהים של 50% בין השנים 2005 ו-2030. אומדן זה משמעו זינוק מ-462 קוודריליון ית”ב (BTU) ב-2005 ל-695 קוודריליון ית”ב ב-2030
(מקור: הסוכנות האמריקנית למידע על אנרגיה, EIA)
באופן טבעי לא ניתן להתמודד עם רמות גבוהות כאלה של צריכת אנרגיה לאורך זמן ומן הסתם תהיינה להן השלכות ארוכות טווח על הסביבה ועל חייהן של אוכלוסיות כדור הארץ, במיוחד כיוון שהתגובה המסורתית לעלייה בדרישות האנרגיה הייתה עד היום הגדלת ההיצע באמצעות בנייה של יותר ויותר תחנות כוח המוזנות על-ידי פחם, גז טבעי, אנרגיה גרעינית ונפט. המחקר והפיתוח כמו גם היישום של אנרגיה מתחדשת בצורה של אנרגיה הידראולית, דלקים ביולוגיים, רוח ואנרגיה סולרית אמנם גדלו מאוד, אבל התלות שלנו בדלקים פוסיליים (מאובנים) עדיין גבוהה והמשמעות של זה היא שעלינו להפוך להרבה יותר יעילים. היעילות צריכה לבוא לידי ביטוי הן באופן שבו אנו משתמשים במוצרי חשמל והן ביעילות השימוש שלנו באנרגיה.
יוזמות
על-פי ההערכות של אנליסטים במועצה האמריקנית לכלכלה יעילה אנרגטית (ACEEE) יוכלו התוכניות והיוזמות לשיפור היעילות האנרגטית בארה”ב לצמצם את השימוש באנרגיה ב-10.6 קוודריליון ית”ב, כ-10% מהשימוש הצפוי באנרגיה בארה”ב בשנת 2020.
יוזמות כדוגמת ה-Energy Star נוחלות הצלחה ועוזרות היום בזיהוי מוצרים יעילים אנרגטית בכ-60 קטגוריות שונות. בכל רחבי העולם מתקיימים מאמצים שוטפים להסכים על קווים מנחים ליעילות אנרגטית על בסיס אישורים של מיזם ה-Energy Star. עד היום חתמו אירופה, סין ואוסטרליה על הסכמים להכרה ביוזמה זו.
ממשלות מסוימות בעולם אימצו עמדה נחושה באמצעות יישום של תקנים מחייבים (כלומר, תקנים שאינם בגדר המלצה בלבד). לנוכח האתגרים הסביבתיים הצפויים לנו, נראה כי זו תהיה מגמה שתלך ותתפשט.
במדינות מסוימות מחמירים בתקנות כדי לעודד שיפור מתמיד ועקבי. תוכנית תקני ה-Top Runner שהונהגה ביפן, לדוגמה, מזהה את המכשירים בעלי היעילות האנרגטית הטובה ביותר בשוק בקטגוריות שונות ולאחר הזיהוי דורשת מכל המותגים המתחרים “ליישר קו” עם המכשירים היעילים תוך 4 עד 6 שנים. על המותגים והחברות שלא יעמדו בדרישה יושתו קנסות כספיים. כל התקנות ברחבי העולם, המחייבות או המומלצות, מתמקדות גם בבזבוז האנרגיה של ספקי כוח במצב המתנה ובמצב פעיל.
אופציות וסוגים של ספקים
ספקי כוח של התקנים אלקטרוניים מתחלקים, באופן כללי, לספקים ליניאריים וספקים ממותגים (SMPS):
לספקי כוח ליניאריים תכנון פשוט ביותר, בעוד שה-SMPSs נוטים להיות מורכבים יותר. לספקי כוח ליניאריים יש טווח נצילות של 40% עד 55% לערך, ואילו ה-SMPSs יכולים להשיג נצילויות גבוהות בהרבה הנעות בין 60% ל-95%.
במונחים של השוואת נצילויות ישירה קל לראות שה-SMPSs מציעים את האופציה הטובה ביותר עבור מתכננים המעוניינים לעמוד בתקני החובה או בתקנים המומלצים עבור המוצרים החדשים שלהם. עם זאת, קיימים שני גורמים נוספים העשויים להשפיע על אימוץ של ספקי כוח כאלה או אחרים.
עלות. המורכבות הגדולה יותר של ה-SMPSs משמעה בדרך כלל BOM גדול יותר בהשוואה לזה של ספקי כוח ליניאריים. בנוסף, רכיבים מתקדמים יותר, יעילים יותר, בעלי סבילות גבוהה יותר המשמשים בחלק מהטופולוגיות נוטים להיות יקרים יותר מהרכיבים המרכיבים את המוצרים בעלי הביצועים הבסיסיים. לספקי כוח ליניאריים יש תכנון פשוט, אבל הם משתמשים ברכיבים כמו שנאים עם ליבת ברזל המצריכים כמויות גדולות של נחושת עבור הליפופים שלהם – ולכך יש השפעה על העלות. באופן כללי, העלויות האינקרמנטליות של SMPSs צנועות יחסית ולעתים אף נמוכות מאלו של ספקי כוח ליניאריים בלתי יעילים.
כדי לעודד את האימוץ רחב ההיקף של גישת ה-SMPS בעלת היעילות האנרגטית המשופרת, חשוב שהעלויות תהיינה דומות לאלו של ספקי כוח ליניאריים, או נמוכות מהן. הסיבה לכך היא שכאשר מציגים בפני לקוחות שני מוצרים בעלי רמת ביצועים דומה הם נוטים לבחור במוצר שתג המחיר שלו נמוך יותר. הצרכנים בימינו הם אמנם בעלי מודעות סביבתית גבוהה יותר ומתחילים לקחת בחשבון גם שיקולים של עלות בעלות כוללת – כלומר, עלות הרכישה הראשונית בתוספת עלויות האנרגיה שידרוש המוצר לכל אורך תוחלת החיים שלו – אך הרעיון הזה עדיין מתפתח באיטיות.
גודל. ספקי כוח ליניאריים הם לרוב גדולים וכבדים יותר מ-SMPSs. כשמדובר בספקי כוח חיצוניים זה פחות חשוב מאשר בתכנונים המשלבים את הפונקציונליות של ספק הכוח בתוך מארז המוצר עצמו. בתרחיש כזה ספקי הכוח הליניאריים לא רק משתמשים בשטח יקר ערך, בנוסף, כתוצאה מהנצילות הנמוכה שלהם הם גם מחוללים כמויות גדולות יותר של חום עודף המצריך ניהול תרמי שיבטיח תוחלת חיים ואמינות של הציוד. בנוסף, ספקי כוח גדולים יותר מהווים בעיה כשמדובר בציוד המתוכנן לניידות.
טופולוגיות מתקדמות של SMPS
SMPSs בעלי נצילות גבוהה יותר, גודל קומפקטי יותר ומשקל נמוך יותר מייצגים את הדרך קדימה. בעזרת התמיכה של התקני מייצב ובקר ac/dc משולבים ומתקדמים כדוגמת אלו המוצעים על-ידי חברת ON Semiconductor, ניתן ליישם טופולוגיות חדשות התומכות בתכנוני SMPS בעלי נצילות גבוהה וכדאיות כלכלית.
רבים מההפסדים הקשורים ל-SMPSs ניתן לייחס למיתוג. טופולוגיות של מיתוג “רך” (soft-switching) כמו “חצי גשר” (half bridge) וגשר מלא (full-bridge) יכולות לעזור להתגבר על ההפסדים הללו. בנוסף לשיפור הנצילות עוזרות הטופולוגיות הללו גם להגדיל את צפיפותו של ממיר ההספק (הנמדדת ב-Win/in.3) – דרישה מרכזית עבור רבים מתכנוני המוצרים החדשים. טופולוגיות שהיו בשימוש בעבר רק ביישומים עתירי הספק (לדוגמה 500W או 1kW) מוצאות היום את דרכן ליישומים בעלי צריכה בינונית או אפילו ליישומים דלי הספק (לדוגמה 100W) בגלל ההשפעה החיובית שיכולה להיות להם על הנצילות ועל צפיפות ההספק.
תכנוני ייחוס
תכנוני ייחוס כדוגמת ה-GreenPoint של ON Semiconductor (ראו איור 1) מספקים ליצרניות פתרונות כוללים (מסוג turn-key) העומדים בתקני נצילות האנרגיה המינימלית או עולים עליה במספר רחב של יישומים כדוגמת מחשבים שולחניים, קופסאות ממיר, מחשבים ניידים, מתאמי ac/dc, ומכשירי טלוויזיה LCD. בזכות כלים ההופכים את התכנון של מוצרים יעילים אנרגטית לתכנון ברור וחד-משמעי יותר ניתן להאיץ את הדרך לעבר תרחיש שבו רוב מוצרי האלקטרוניקה ישיגו רמות נצילות הקרובות ל-80-90%. על פי ההערכות השימוש בגישות של תכנוני ייחוס כמו זו של ה-GreenPoint יוכל להגדיל את הנצילות של מוצרים ביתיים בשיעור של עד 20% ושל מוצרי ציוד משרדי בשיעור של כ-15%.
SMPSs בעלי נצילות גבוהה יכולים להגדיל באופן דרמטי את יעילותם של מכשירי אלקטרוניקה. היום כשהעלויות של SMPS ושל ספק כוח ליניאריים כמעט זהות ישנן הרבה הזדמנויות להגדיל באופן ניכר את יעילותם של סוגים רבים של מוצרים. אפשרות זו תסייע בידי יצרניות ציוד לעמוד בדרישות של תקנים מומלצים כמו גם של תקני חובה בתחום היעילות האנרגטית. העלייה בשימוש במוצרי אלקטרוניקה, בשילוב עם הקיימות של מקורות אנרגיה, משמעה שהדרישות והמטרות יצטרכו להשתנות, וששיפור משמעותי בנצילותם של ספקי כוח יוכל למלא תפקיד מרכזי בהשגת המטרות והיעדים בתחום היעילות האנרגטית.
המאמר באדיבות חברת Yoav Siman Tov , נציגת On Semiconductor בישראל
