Este artículo analiza la mejora de la eficiencia de los microcontroladores y el desarrollo de sistemas de dispositivos analógicos y de potencia. Se analizan nuevos productos que ofrecen capacidades de procesamiento digital, analógico y de energía, lo que permite a los clientes ahorrar costos y producir productos finales con menos energía. Describe la implementación de técnicas mejoradas para ahorrar energía y las soluciones de control de energía proporcionadas por Renesas.
Este artículo analiza la mejora de la eficiencia de los microcontroladores y el desarrollo de sistemas de dispositivos analógicos y de potencia. Se analizan nuevos productos que ofrecen capacidades de procesamiento digital, analógico y de energía, lo que permite a los clientes ahorrar costos y producir productos finales con menos energía. Describe la implementación de técnicas mejoradas para ahorrar energía y las soluciones de control de energía proporcionadas por Renesas.
Un resultado clave de nuestros recientes esfuerzos de investigación y desarrollo es el desarrollo de una serie de “módulos de funciones” para aplicaciones de control de potencia. Se pueden utilizar en un enfoque de bloques de construcción para lograr ahorros de energía en varios mercados y productos finales. Para obtener una visión de alto nivel de las capacidades y los planes de Renesas en el área de los módulos funcionales, el personal de EDGE habló con Yusuke Yamada, vicepresidente sénior de Renesas Solutions Corporation. Le pedimos que explicara el concepto de esta tecnología y describiera sus implicaciones actuales y futuras. Este artículo se basa en información valiosa proporcionada por el Sr. Yamada.
Implementación de técnicas avanzadas para ahorrar energía
Los productos electrónicos ecológicos utilizan la menor cantidad de electricidad posible. La implementación exitosa de tecnologías mejoradas de ahorro de energía debe satisfacer las necesidades de los diferentes segmentos del mercado electrónico mundial. El mercado se clasifica ampliamente en tres categorías: “Sociedad”, “Sistemas” y “Piezas”, cada una con necesidades únicas.
Los esfuerzos de Renesas para reducir el consumo de energía en el dominio del sistema se centran naturalmente en la tecnología de bajo consumo de energía para componentes individuales como microcomputadoras, circuitos integrados analógicos y dispositivos de energía. Pero más que eso, trabajamos arduamente para encontrar formas nuevas y mejoradas de lograr un control mejor y más eficiente de los diversos componentes utilizados en todo tipo de productos de sistemas integrados.
Con el fin de implementar técnicas de control que aumenten la eficiencia de la conversión de energía, nuestros esfuerzos de I+D se centran especialmente en el desarrollo de soluciones que utilicen la funcionalidad de modo mixto. En otras palabras, una solución que aplica las mejores características de la tecnología tanto digital como analógica. Debido a la gran demanda de productos de ahorro de energía por parte de los usuarios finales, nos esforzamos por acortar los tiempos de desarrollo de nuestra nueva gama de soluciones mejoradas.
Divida los problemas y resuélvalos más rápido
Sin embargo, existen dos grandes desafíos para avanzar rápidamente en este campo: la falta de ingenieros analógicos con mucha experiencia y la necesidad de crear algoritmos sofisticados para el software que controla las microcomputadoras. Afortunadamente, los programas clave y las iniciativas de recursos humanos establecidas por nuestro equipo de gestión abordan con éxito estos desafíos dentro de nuestros vastos recursos técnicos globales. El progreso fue impulsado por una decisión relacionada por parte de la gerencia para dividir de manera inteligente los problemas de ahorro de energía para una resolución más rápida.
Específicamente, el método de ataque técnico consiste en subdividir el “sistema” anterior en capas y hardware de “sistema de aplicación” y “módulo de función”. Como resultado, Renesas ahora ofrece soluciones que incluyen experiencia en software y sistemas en forma de unidades de “módulos funcionales” optimizadas para diversas aplicaciones (consulte la Figura 1).
Estas nuevas soluciones combinan microcomputadoras (MCU), tecnologías analógicas y digitales y dispositivos de potencia. Alcanzan excelentes niveles de rendimiento y funcionalidad al mismo tiempo que brindan valiosos beneficios ecológicos al reducir el consumo de energía. Además, al incorporar ingeniería y tecnología avanzadas en el diseño y la fabricación, nuestros módulos funcionales ayudan a los clientes a llegar al mercado más rápido al acortar el ciclo de desarrollo de sus productos finales. También reduce los costos al reducir la cantidad de componentes necesarios para el diseño del sistema.
Saltar a un nivel de tarea más alto que el diseño de circuito detallado
Los sistemas integrados suelen contener circuitos que son combinaciones complejas de componentes electrónicos, como microcomputadoras, circuitos integrados analógicos y dispositivos de potencia. La unificación de los elementos básicos del sistema, como funciones y aplicaciones individuales, permite designarlos como módulos funcionales y delinearlos de acuerdo con las tareas o trabajos específicos que realizan. Un módulo funcional es una abstracción de ingeniería eléctrica en el sentido de que diferentes productos con diferentes implementaciones internas pertenecen a la misma categoría cuando realizan tareas iguales o similares. Al ser el ensamblaje de componentes básicos, lleva el desarrollo del sistema a un nivel más alto que el diseño del circuito.
La figura 2 muestra la configuración de los módulos funcionales típicos utilizados en los sistemas de suministro de energía. Este diagrama muestra el flujo básico de señales eléctricas en una aplicación que utiliza un microcontrolador para el control de potencia. En el lado de entrada, varios sensores convierten cantidades físicas como temperatura, presión, voltaje y corriente en señales eléctricas continuas (analógicas), las amplifican con amplificadores analógicos y las ingresan a la microcomputadora.
El diseño que se muestra en la Figura 2 es más simple y superior a los tipos comúnmente utilizados anteriormente. Esto se debe principalmente a que los MCU actuales tienen mejores características y rendimiento que antes. Los diseños más antiguos requerían ADC (convertidores de analógico a digital o A/D) y DAC (salida PMW) para la conversión requerida para vincular señales analógicas y digitales. También necesitaba un IC con matemática DSP (procesamiento de señal digital) de alta velocidad para implementar el algoritmo de control.
El MCU de Renesas en la Figura 2 es un chip de alto rendimiento que incorpora estos elementos relacionados con la conversión y el cómputo en su interior, como IP analógica y unidades aritméticas de alto rendimiento. Esta microcomputadora altamente integrada y de bajo costo no solo simplifica el diseño de módulos funcionales, sino que también mejora las capacidades del módulo para un control de energía más rápido y preciso.
Formación de equipos de MCU y otros dispositivos semiconductores avanzados
Sin embargo, los puntos fuertes de los productos de módulos funcionales de Renesas van mucho más allá de la funcionalidad de MCU. También fabricamos otros componentes avanzados como MOSFET e IGBT de alta velocidad, alto voltaje y baja resistencia que son esenciales en el diseño de módulos funcionales. Además, estamos trabajando para mejorar los productos que son indispensables para los semiconductores, como los fotoacopladores que realizan el aislamiento de voltaje para dispositivos de potencia de salida y señales de transmisión de alta velocidad.
La figura 2 muestra un módulo funcional para sistemas de control de potencia, pero Renesas puede ofrecer muchos otros tipos de soluciones optimizadas de manera similar a partir de su cartera en expansión de módulos funcionales. Hemos adoptado un método de ingeniería que extrae tecnologías elementales comunes a muchos sistemas y hemos construido y refinado una serie de procesos de desarrollo para cada solución individual.
La diversa gama de productos que es posible gracias a nuestros esfuerzos de investigación y desarrollo queda demostrada por el hecho de que ahora ofrecemos múltiples tipos de módulos funcionales para aplicaciones de sistemas de potencia. Estos productos aprovechan el hecho de ingeniería de que la tecnología de control de potencia se puede dividir en analógica y digital, pero la idea básica detrás de ambos enfoques es la misma. La Figura 3 muestra ambos tipos.
De analógico a digital y de vuelta a analógico
Mirando el sistema de potencia desde una perspectiva macro, la retroalimentación negativa se usa en un sistema de control de circuito cerrado para mantener el valor de salida cerca del valor objetivo. Básicamente, una función de control de potencia tiene una entrada (analógica), una unidad de computación (digital) y una salida (analógica).
El enfoque analógico que dominaba el diseño de los módulos de control de potencia más antiguos utilizaba varios tipos de circuitos integrados lineales. Los chips analógicos se usaban normalmente para realizar funciones de PWM, conversión CC/CC y PFC (corrección del factor de potencia). Renesas predice que los circuitos integrados analógicos de una sola función con rendimiento optimizado se convertirán tanto en dispositivos de gama baja que busquen preocupaciones de costo/rendimiento como en dispositivos de gama alta que busquen un alto rendimiento y una respuesta rápida.
Sin embargo, debe enfatizarse aquí que los notables avances recientes en la tecnología de semiconductores han permitido una digitalización cada vez más sofisticada de las tareas necesarias de procesamiento de señales. Si bien es cierto que los métodos de control de potencia analógicos y digitales son características únicas, la digitalización de unidades computacionales (conversión de señales en datos digitales que pueden ser manipulados por software) tiene ventajas significativas.
La tecnología digital es estable en el tiempo y la temperatura. Como se mencionó anteriormente, le brinda más flexibilidad de diseño. Una ventaja particular es la capacidad de la MCU para implementar técnicas de control de retroalimentación innovadoras y mejoradas que ahorran energía. Sin embargo, en un futuro cercano, la fusión de tecnologías analógicas y digitales optimizadas se está convirtiendo en una característica muy importante en los productos y sistemas electrónicos ecológicos para implementar soluciones de control de ahorro de energía inteligentes y conscientes.