Table of Contents

مقدمة: الدور الحاسم للتحول من شركة AC إلى شركةDC في محطة إيوت

وتتكون شبكة المعلومات عن المواد (IoT) من مجموعة واسعة من الأجهزة، من أجهزة الترميز الذكية والمجسات الصناعية إلى أجهزة رصد صحية قابلة للارتداء والإضاءة الذكية، ويعمل الكثير من هذه الأجهزة في بيئات لا تتوافر فيها مصادر طاقة مباشرة في العاصمة، مما يتطلب منها سحب الطاقة من خط التركيزات الصناعية الرئيسي، كما أن تصميم جهاز محمول من نوع AC إلى شركة الحفريات لا يُصمَّم إلاَّن على نحو متدني.

Understanding the Unique demands of Low-Power AC-to-DC Conversion for IoT

وترمي المحولات التقليدية من طراز AC-to-DC إلى معالجة عشرات أو مئات من الخاط، حيث تكون نسبة مئوية قليلة من فقدان الكفاءة مقبولة بسبب التبريد النشط والعناصر الأكثر حزماً، وعلى النقيض من ذلك، تعمل محولات الترميز في كثير من الأحيان في نطاق النفايات دون الخامسة حيث يحسب كل مليواط، وتشمل التحديات الرئيسية ما يلي:

  • Standby Power Consumption:] Most IoT devices spend the majority of their time in low-power sleep modes, drawing only microamps. The converter must maintain high efficiency across a wide load range, especially at extremely light loads.
  • Physical Constraint:] IoT devices diminish continuously, demanding that the power supply fit into an ever-smaller footprint, often alongside sensitive analog and RF rcuitry.
  • Electromagnetic Interference (EMI): ] Converters that operate at high shifting frequencies can generate EMI that disrupts wireless communication, a critical concern for Wi-Fi, Bluetooth, and Zigbee modules.
  • Reliability and Lifetime:] Many IoT devices are deployed in hard-to-reach locations, so the converter must have a long operational lifespan, often exceeding ten years, with minimal component degradation.

فهم هذه القيود هو الأساس الذي تقوم عليه جميع القرارات المتعلقة بالتصميم.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميم

وقبل اختيار علم الطبقات أو العنصر، يجب على المصمم أن يقيّم عدة معايير مترابطة، وتحدد هذه الاعتبارات هيكل المحولات وخصائص أدائها النهائية.

الكفاءة عبر الرنجة

وكفاءات الفيك في الحمولة الكاملة غالبا ما تكون أقل أهمية من الكفاءة في نقطة التشغيل النموذجية للجهاز، إذ أن العديد من أجهزة الاستشعار باليوت تقضي 99 في المائة من وقتها في حالة النوم، بحيث تصبح كفاءة المحول الحالية والضوءية أكثر القياسات أهمية، ويمكن أن يؤدي استخدام أجهزة التحكم في عمليات التقلب أو التقلب إلى خفض كبير في الخسائر خلال فترات الحمل غير المستقرة.

المساحة والمجلس

(أ) التقليل إلى أدنى حد من الحجم المادي للمحول يعني اختيار عملية عالية التردد لخفض حجم المكونات المغناطيسية والمكثفات، والترددات العالية التي تبلغ 100 كيلوهرتز أو أكثر شيوعية، غير أن ارتفاع الترددات يزيد من الخسائر في التحويل والإيطالات الناشئة عن عمليات التبادل، ويحتاج إلى مبادلات دقيقة.

Input Voltage Range and Tolerance

ويجب أن تعمل المحولات ذات الطاقة المنخفضة بطائفة واسعة من مدخلات التحلل الذاتي (من 85 إلى 265 من المقياس VAC من أجل التوافق العالمي) ويجب أن يكون المحولة قوية بما يكفي لمعالجة الطفرة والنقاش والتغيرات في الفولط بدون ضرر أو عدم استقرار، وأن التصميم العام للمدخلات هو نموذج، ولكن الضغط على المكون في فولتات العالية يتطلب إجراء دراسة دقيقة، ولا سيما بالنسبة لأكبر عدد من الأسر والشبكة.

متطلبات العزل

والعزلة الجالفة بين أهميات الشركة ونتاج البلدان النامية المنخفضة العضوية مطلوبة دائما تقريبا لسلامة المستعملين (مثلاً لأجهزة ذات أجزاء معدنية مكشوفة) كما أن عزلها يساعد على كسر حلقات أرضية يمكن أن تسبب انقساماً للضوضاء، وبالنسبة لمستويات الطاقة التي تقل عن 5 دبليو، فإن محولات الطيارات تعمل على الصعود إلى الغلاف الجوي (الري)(68).

القيود على التكاليف

إن أجهزة التأشيرة المستهلكة شديدة الحساسية من حيث التكلفة، ويجب تبرير كل عنصر، وباستخدام أجهزة التحكم المتكاملة التي تجمع بين مفتاح الكهرباء، وأجهزة الفرز ذات الترددات الثابتة، وملامح الحماية، يمكن أن تقلل من فاتورة المواد، غير أنه بالنسبة لمنتجات الحجم المرتفع، قد يكون التصميم المتباين أرخص، وينبغي أن يقيِّم المصممون مجموع تكاليف النظام، بما في ذلك أي عناصر خارجية مثل أجهزة التنظيف أو أجهزة التصفية.

التطوّرات المشتركة للمترجمين من أقل البلدان نمواً

وهناك العديد من التلويثات التي تبثها الدوائر مناسبة لتحويلات منخفضة القوة من AC- إلى-DC في تطبيقات التوحيد القياسي للتقنيات، ولكل منها مزايا ومبادلات متميزة.

متعهد للطيران (مجموعة العمل من عزل منخفضي الطاقة)

(أ) إنَّ أفضل خيارٍ يمكن أن يُتخذ في إطاره من خلال نظام " أوكسيد الكربون " (الإنترنت) هو الخيار الأكثر شعبية للمحولين الخارجيين المعزولين دون 10 دبليو.

متعهد باك (معزل، كفاءة عالية)

وبالنسبة للتطبيقات غير المعزولة التي يشار فيها إلى الناتج إلى خط AC (مثلا في بعض أجهزة الترميز الآلي المنزلية)، يمكن أن يوفر محول باك كفاءة عالية جدا (أكثر من 90 في المائة) ويمكن أن يخفض محول باك إلى فولتاغ مصحوب مباشرة إلى فولت أقل من DC، وبما أنه لا توجد عزلة، فإن الناتج يظل في الإمكانات الخطرة بالنسبة للأرض الأرضية، وبالتالي فإنه لا يناسب سوى أجهزة البناء المصغرة.

المترجمون الشفويون

وتُحدث التلويثات الخفية، مثل محول LLC أو محول سلسلة من المتغيرات الصوتية، تحويلاً صفرياً أو تحويلاً صفرياً، ويُلغي فعلياً الخسائر في التحويل، مما يجعلها فعالة للغاية حتى في ترددات عالية، غير أن المحولات الصوتية تكون معقدة إلى التصميم، وتتطلب تسامحاً دقيقاً في العناصر، وتستخدم عادة في مستويات أعلى من الطاقة (50 و5+ت).

القلادة الكبائية (غير منظمة، منخفضة التكلفة)

ويستخدم المهبط الأسري كبسولة عالية الحركة لإسقاط فولتاج AC مع الحد الأدنى من تفكك الطاقة، وهو رخيص جداً وملتصق، ولكنه لا يوفر عزلة ولا تنظيماً ويعاني من سوء معامل الطاقة، ويتفاوت حجم الناتج مع حجم المدخلات وحجم التحميل الحالي، ويقتصر هذا التضاريس على تطبيقات منخفضة جداً (مثلاً، البقايا الصغيرة أو مؤشرات الارتداد) غير الموصى بها.

اختيار أقصى قدر من الموثوقية والكفاءة

إن اختيار العناصر المناسبة هو أمر حاسم مثل اختيار الطبقات الطبوغرافية، ففي المحولات ذات الطاقة المنخفضة، يمكن أن تهيمن الخسائر الطفيلية التي لا تذكر في السلطات العليا على الكفاءة العامة.

محول الطاقة

Infance primary shift (typically an N-channel MOSFET) must have a low R]DS(on) to minimize conduction losses, but also low gate charge (Q

الديود المُصَدِّرة

وبالنسبة للتصحيح الثانوي، يفضل أن تكون الأغبياء الشوتيكيين منخفضة الفولط الأمامي والتحول السريع، وبالنسبة لفولط الإنتاج دون الخامسة الخامسة، فإن انخفاض درجة الحرارة في الدرجة الخامسة يمكن أن يمثل عقوبة كبيرة على الكفاءة، وفي هذه الحالات، يمكن أن يؤدي التصحيح المتزامن باستخدام نظام " مورفيت " ذي فولت منخفض إلى تعزيز الكفاءة بنسبة ٣-٥ في المائة، بل إلى زيادة تعقيد وتكلفته.

Electrolytic vs. Ceramic Capacitors

(أ) تستخدم أجهزة الاستطلاع على خط التصحيح (بعد إصلاح الجسر) استخداماً تقليدياً أجهزة التصفح الكهروليكية للألومنيوم بسبب ارتفاع مستوى كفاءتها وتصفيتها بالفولط، غير أن الكهرباء لديهم قدرة عالية على التعافي من الاضطرابات، وحياة محدودة، وضعف الأداء في حالات التقلبات العالية، أما بالنسبة لأجهزة التحلل الضوئي التي يجب أن تعمل لسنوات عديدة، فإن أجهزة التصفر الضوئية أو أغطية المثبتة المتحركية.

تصميم المتحولين (للاسترجاع)

وكثيرا ما يكون المحول الذي يُعاد استعماله تصميماً عرفياً، وتشمل البارامترات الرئيسية المولدات الرئيسية، ونسبة التناوب، والمواد الأساسية، ويسمح الموصل الأصغر بنقل الطاقة بدرجة أعلى، ولكنه يزيد من الخسائر الحالية والجوهرية، وبالنسبة لتطبيقات التوحيد القياسي للأوراق، فإن الركيزة الأساسية ذات القدرة العالية على التحلل (مثل المادة 3C90 أو المواد N97) هي نموذجية، ويجب أن يكون للمحول مسافة كافية من الاختراق والتخليص للوفاء بمعايير الأمان.

تصميم أجهزة خاصة بالنباتات المتروكة

وبالإضافة إلى التصميم العام للمحولين، تفرض تطبيقات تكنولوجيا المعلومات متطلبات إضافية يجب معالجتها من المراحل الأولى.

Ultra-Low Standby Power

ويجب أن تمتثل أجهزة التوحيد القياسي لمعايير الطاقة مثل توجيهي " نجم الطاقة " أو الاتحاد الأوروبي " ، الذي يتطلب استهلاكاً احتياطياً يقل عن 100 ميغاواط أو حتى 30 ميغاواط. ولتحقيق ذلك، يجب على المحولة أن تدخل طريقة نوم عميقة تعطل معظم النشاط المتغير.() وتظهر بعض أجهزة التحكم حالة " حر " حيث تضغط على نحو متكرر لإبقاء أكبر عدد من المفاعلات " ([40])

التقليل إلى أدنى حد من المظلات

ويمكن أن يؤدي التطعيم والاختلاط الموازيان في مخطط PCB إلى الرنين وزيادة مستوى العمالة الإلكترونية وفقدان الكفاءة، وأن يبقي على الحلقة العالية الجارية بين المكثفات والمحولات الرئيسية وموستارت في أقرب وقت ممكن، وأن يستخدم طائرة مخصصة للجانب المنخفض التطويع، وصب نحاس مستقل للجانب ذي الحركة العالية، مع نقطة اتصال واحدة من خلال قناة يوتوسي.

تكامل إدارة الطاقة

ويمكن، حيثما أمكن، دمج محول شركة AC-to-DC مع جهاز تنظيمي للفولطام في أسفل المجرى أو حتى دائرة للشحن بالبطارية، مثلاً، يمكن أن يغذي النواتج 12 V محولاً للبنك لإنتاج 3.3 خامساً لوحدة الشحن المتعدد الأطراف، بينما يوفر جهازاً لتنظيم الطوابق أو قانون التدوير المشغلات الطويلة الأجل 1.8 V بالنسبة لفرع الترددات الترددية المتفاوتة.

الإدارة الحرارية في الضميمات الصغيرة

وكثيراً ما لا يكون لأجهزة التحلل الحراري تدفق جوي قسري، لذا يعتمد التشت الحراري على التكتل الطبيعي والتصرف من خلال ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وينبغي أن يوضع المحولة بعيداً عن المكونات الحساسة لدرجات الحرارة مثل البوستة الكريستالية وكمبلتر الترددات، كما أن استخدام أغطية نحاسية أكبر على ثنائي الفينيل متعدد الكلور كبواليع حرارية للحركة المغناطيسية والديوديود يمكن أن يقلل درجات الحرارة الطول.

EMI and Wireless Coexistence

أما الوحدات اللاسلكية (Wi-Fi, BLE, Zigbee) فتعمل في إطارات يمكن أن تلوثها بتحول مواد التشيتون من المحولة، وتستخدم جهازاً لاسلكياً متعدداً (مفتاحاً للجهاز الهضمي) على خط المدخلات وخنقاً على الناتج، وينبغي اختيار التردد المبدل لتجنب تعددات الترددات التي تسقط في نطاق الاتصال.

معرض التصميم العملي: 3.3 V منحرف فليبي باك المعزل من أجل جهاز استشعار ذكي

(أ) أن يُظهر هذه المبادئ، وأن يُعتبر مُستشعراً نموذجياً لدرجات الحرارة الذكية يتطلب إنتاجاً من المستوى الخامس من الناتج حتى 500 متر (1.65 و) من مدخل عام من الفئة ألف، وأن نسبة الطاقة الاحتياطية المستهدفة أقل من 50 ميغاواط.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ومع أن أجهزة التحلل الضوئي أصبحت أكثر وعيا بالطاقة، فإن هياكل المحولات الجديدة آخذة في الظهور، إذ أن متحولات غليوم نتريد (GaN) تقدم رسوما أقل بكثير من البوابات وأداءات ناتجة عن مفاتيح النسيج، مما يتيح تحويل الترددات في نطاق الميغاهرتز مع الحفاظ على الكفاءة العالية، مما يتيح للمتحولين المدمجين في نظام الوصلات الكهربائية أو حتى أجهزة التسرب المكلية.

خاتمة

ويقتضي تصميم محولات من طراز AC-to-DC ذات قوة منخفضة لأجهزة الترميز فهماً شاملاً لكيفية تفاعل الخيارات المكوِّنة، واختيار الطبقات، والطرائق التشغيلية مع القيود الفريدة من نوعها المتمثلة في الحجم والكفاءة والتكلفة والتوافق الكهرومغناطيسي، كما أن محولات الطلاء، ولا سيما مع التنظيم الأولي والقدرة على الحركة، ما زالت تمثل الحل العملي للإمدادات المعزولة.