Alimentation IoT : comment la nouvelle génération d'alimentations externes contribue à réduire la consommation d'énergie

Avec des milliards d'objets bientôt connectés à Internet, la conservation de la puissance est critique, non seulement dans les capteurs auto-alimentés ou alimentés par batteries, mais également dans les dispositifs comme les passerelles, typiquement alimentés depuis une ligne CA.Cet article aborde les prochaines spécifications de niveau VI pour les adaptateurs secteur CA/CC, et les changements de conception requis pour se conformer aux nouvelles normes et contribuer à réduire la consommation d'énergie globale dans les applications IoT.

Introduction : la puissance derrière les capteurs

L'expression Internet des objets (IoT) évoque des images de réseaux omniprésents incluant des capteurs miniatures, pouvant tout surveiller, de la qualité de l'air ou de l'eau, la circulation ou les processus industriels à nos domiciles ou notre santé. Les capteurs sont généralement considérés comme des dispositifs ultrabasse consommation capables de fonctionner pendant leur durée de vie entière depuis une pile bouton ou un panneau solaire ou un autre sous-système à récupération d'énergie miniaturisé. En tant que tel, ces dispositifs peuvent être conçus pour fournir des avantages opérationnels étendus tout en imposant un impact environnemental minimal en termes de leurs propres exigences énergétiques.

Dans quelques années, on estime qu'il y aura plus d'un billion de capteurs connectés agissant comme les yeux, les oreilles ou les doigts de l'IoT. Toutefois, il est peu probable qu'ils soient directement connectés à Internet. Une connexion Wi-Fi ou Ethernet est simplement trop chère et trop énergivore pour une intégration dans des points d'extrémité IoT compacts alimentés par batteries ou auto-alimentés.

Dans de nombreuses applications de réseaux de capteurs domestiques ou industriels, la connexion à Internet se fait typiquement via une concentrateur ou une passerelle IoT fournissant le pont entre les capteurs et Internet. De cette manière, la passerelle implémente des interfaces non-IP sur les capteurs en utilisant des normes telles que Bluetooth Smart ou une connexion à deux fils, et elle héberge un port Ethernet ou une interface Wi-Fi pour la connexion à Internet. La passerelle est capable de transférer des données des capteurs vers un gestionnaire centralisé comme un service Cloud, et vice versa, via Internet. Le traitement de base des données de capteurs est également effectué localement dans la passerelle avant le transfert des résultats vers le Cloud. La Figure 1 détaille les fonctions de base d'une passerelle IoT.

Figure 1 : Une passerelle IoT est requise pour connecter des capteurs non-IP basse consommation à Internet.

Selon les prévisions, au moins 50 milliards de dispositifs comme des passerelles IoT pourraient être connectés à Internet au cours des quatre ou cinq prochaines années. La puissance requise pour gérer les diverses fonctionnalités de la passerelle, y compris les multiples interfaces de capteurs, la connexion Internet et le traitement embarqué, implique que le dispositif doit être branché sur le secteur, ou sinon fréquemment rechargé. Avec l'ajout attendu de si nombreux dispositifs à Internet dans un futur proche, on pourrait constater une hausse significative de la demande d'énergie, pour la charge ou l'alimentation autonome.

Normes de rendement pour les alimentations

L'augmentation massive du nombre de dispositifs électriques connectés au réseau n'est pas chose nouvelle. Les effets sont une préoccupation majeure pour les scientifiques depuis le début de l'ère électronique grand public. Depuis les années 1970, où un ménage typique possédait un téléviseur et éventuellement un lave-linge, le nombre moyen de produits électroniques par foyer a augmenté à 24 aux États-Unis, selon l'association Consumer Electronics Association. Cela inclut plusieurs téléviseurs, des ordinateurs, des tablettes, des smartphones, des imprimantes, des consoles de jeu et d'autres appareils, pouvant contenir une alimentation ou fonctionner depuis un adaptateur ou une alimentation externe (EPS). Dans les années 1990, on estime à plus d'un milliard le nombre d'alimentations externes utilisées rien qu'aux États-Unis.

Figure 2 : Au début des années 1990, des études estimaient que l'absorption de puissance à vide depuis des alimentations externes représenterait 30 % de l'énergie totale consommée aux États-Unis dans 20 ans si aucune mesure n'était prise.

Sachant que les utilisateurs ont tendance à laisser leurs appareils branchés même s'ils sont éteints ou déconnectés, la menace de "puissance fantôme" ou puissance à vide gaspillée par les ménages a commencé à apparaître. Une étude de 1998 réalisée par Alan Meier du LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) en Californie a estimé qu'environ 5 % de la consommation d'électricité résidentielle totale aux États-Unis – soit environ 3 milliards USD – étaient gaspillés par les alimentations alors que les équipements connectés étaient en mode de veille. En conséquence, les tarifs de l'énergie ont bien sûr augmenté, et la préoccupation en matière de dommages causés par une consommation d'énergie excessive s'est intensifiée.

Pour combattre ces problèmes, la commission California Energy Commission a introduit la première législation écoénergétique du monde pour les alimentations externes en 2004. Graduellement, la majorité des marchés mondiaux, y compris les États-Unis, le Canada, l'Europe et l'Australie, a suivi. Ces diverses lois ont été progressivement harmonisées dans le cadre du protocole international d'étiquetage énergétique pour les alimentations externes. L'évolution a continué avec plusieurs générations, chacune imposant successivement des limites toujours plus strictes pour la consommation énergétique à vide et le rendement de fonctionnement moyen minimum. Aujourd'hui, toutes les alimentations externes commercialisées aux États-Unis et au Canada doivent être conformes aux spécifications de niveau IV de ce protocole, et doivent être étiquetées avec le chiffre romain IV sur la plaque. L'Union européenne impose la spécification de niveau V plus stricte.

Le département américain de l'énergie (DoE) a annoncé en 2014 que toutes les alimentations externes fabriquées après le 10 février 2016 et commercialisées aux États-Unis devaient être conformes à la spécification de rendement de niveau VI. Le schéma historique laisse à penser que l'UE et d'autres autorités élèveront également leurs propres exigences au niveau VI dans la foulée, même si aucune annonce concernant les normes finalisées n'a été faite.

Compte tenu de la croissance explosive attendue dans les applications IoT, la spécification de niveau VI pour les alimentations externes peut offrir une protection précieuse pour l'environnement contre les effets du grand nombre de passerelles IoT bientôt connectées au réseau de distribution d'énergie. Il est important pour les fabricants d'équipement d'origine (OEM) du monde entier de se tenir à jour avec les dernières réglementations.

Choix en matière de conception de puissance

Les alimentations internes ne sont pas soumises au protocole international d'étiquetage énergétique. L'intégration d'une alimentation interne plutôt qu'une alimentation externe peut donc éliminer l'obligation de conformité. Toutefois, d'autres réglementations peuvent s'appliquer, notamment le système de classement ENERGY STAR® ou la directive d'écoconception EU 2009/125/EC pour les produits liés à l'énergie (ErP). De plus, la remise aux normes d'une alimentation personnalisée en interne ou l'intégration d'un module tiers peut dépasser les compétences d'un concepteur. Une alimentation interne peut également augmenter le poids et la masse du produit, et exiger un boîtier plus grand.

Une alimentation externe prête à l'emploi peut constituer une solution simple et rapide pour la conformité avec les réglementations applicables. CUI a commencé à ajouter des produits de niveau VI à son offre d'alimentations externes dès la fin 2014, afin de se conformer aux réglementations à venir. Les fabricants d'alimentations externes ajustent leur portefeuille de produits pour répondre aux plus hautes normes obligatoires et permettre aux clients OEM d'optimiser le rendement opérationnel et d'éliminer les erreurs de chaîne d'approvisionnement en expédiant un type d'alimentation courant avec des produits destinés à divers marchés d'exportation.

Les spécifications de niveau VI

Le protocole de niveau VI est infiniment plus complexe que ses prédécesseurs. Cinq catégories sont définies, comme suit :

• Alimentations CA/CC externes à tension simple (tension de base)
• Alimentations CA/CA externes à tension simple (tension de base)
• Alimentations CA/CC externes à tension simple (basse tension)
• Alimentations CA/CA externes à tension simple (basse tension)
• Alimentations externes à plusieurs tensions jusqu'à 49 W

Remarque : les alimentations basse tension présentent une tension de sortie inférieure à 6 V et un courant de sortie supérieur à 550 mA. La tension de base fait référence à une alimentation qui n'est pas une alimentation à basse tension. De plus, le niveau VI introduit la première législation couvrant les alimentations à tension simple de plus de 250 W.

Par rapport aux spécifications de niveau V pour la puissance en veille, le niveau VI réduit la puissance maximale autorisée de 0,3 W (pour les alimentations externes à tension standard jusqu'à 49 W) à seulement 0,1 W pour les alimentations CA/CC à tension simple caractérisées de 1 W à 49 W. Les nouvelles exigences de rendement moyen sont aussi strictes. La Figure 2 illustre l'augmentation du rendement moyen pour les alimentations CA/CC à tension de base de niveau VI par rapport aux spécifications de niveau III, niveau IV et niveau V.

Figure 3 : La spécification de niveau VI impose des seuils de rendement moyen plus élevés que ceux des niveaux III à V.

Satisfaire aux exigences de niveau VI par conception

La conception d'une alimentation externe répondant aux nouvelles normes plus strictes constitue un véritable défi. Par rapport aux alimentations de niveau V de CUI, les unités de niveau VI intègrent des changements dans presque tous les aspects des circuits côté primaire et côté secondaire. Elles incluent l'intégration des derniers circuits de commande prenant en charge les modes de fonctionnement à faible charge : en fonctionnement normal, les nouveaux contrôleurs fonctionnent à la même fréquence de commutation de 65 kHz que celle utilisée dans les produits de niveau V, mais ils passent à 22 kHz à faible charge et à vide pour réduire la perte de puissance et augmenter le rendement. Les valeurs de résistance et de condensateur ré-optimisées dans le circuit de rétroaction secondaire mitigent les effets de l'augmentation de l'ondulation et du bruit à plus faibles fréquences de commutation. Le circuit intégré de commande tire également parti des nouvelles technologies pour réduire la consommation au repos, contribuant davantage à atteindre les limites maximales plus strictes sur la consommation de puissance à vide.

Les circuits côté secondaire dans les alimentations à fort courant/basse tension de niveau VI ont évolué d'un redressement à diode simple vers un redressement synchrone en utilisant des MOSFET et un circuit intégré de commande supplémentaire. De plus, de plus grandes valeurs de résistance et des modifications d'autres composants, comme des calibres de fil plus élevés, contribuent à réduire la dissipation de puissance interne. Les nouveaux MOSFET avec une résistance à l'état passant plus faible aident à améliorer le rendement à charges plus élevées.

D'autre part, le principal circuit d'alimentation est disposé à peu près de la même manière que dans les unités de niveau V. Les unités caractérisées en dessous de 120 W utilisent la conception indirecte (flyback) établie de CUI, tandis que les adaptateurs de plus de 120 W utilisent la topologie résonnante LLC. Il est important de noter que le rendement moyen accru des alimentations de niveau VI contribue à réduire la température de fonctionnement typique tout en améliorant la fiabilité. Cela peut constituer un avantage particulièrement important dans les applications IoT, où l'équipement doit souvent fonctionner durant de longues périodes sur le terrain avec peu voire pas de maintenance.

Conclusion

L'Internet des objets promet de nombreux avantages étendus pour l'industrie, l'environnement, l'écologie et la qualité de vie. Mais le nombre considérable de déploiements anticipés pourrait introduire une quantité significative de nouveaux concentrateurs et passerelles réseau devant être alimentés depuis la ligne CA. Les nouvelles alimentations externes répondant au dernier protocole d'étiquetage de niveau VI, qui sera obligatoire aux États-Unis à partir de février 2016, peuvent aider à compenser la hausse de la demande en alimentation en augmentant le rendement moyen et en réduisant la consommation énergétique à vide.

Pour plus d'informations sur la gamme d'alimentations de niveau VI de CUI chez Digi-Key, visitez la page relative aux alimentations de niveau VI.