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EMBEDDED 87 • FEBBRAIO • 2023 44 Dissipazione del Calore (Efficienza Energetica) Dopo aver compreso i componenti tipici, possiamo esa- minare il modo in cui vengono ripartiti i consumi di un ipotetico sensore (Fig. 3). Tutti i valori riportati sono stimati. Dalla figura si può osservare che, nel valuta- re il consumo di energia complessivo del sistema di un sensore, quello del transceiver (stadio di uscita) è im- portante. Nella parte più a sinistra di figura 3 vengono riportati i consumi di un sensore IO-Link di generazione pre- cedente. In questo modo risulta più chiaro come i pro- gressi tecnologici del microcontrollore (MCU) e dello stadio di uscita (cioè il transceiver) abbiano contribuito a ridurre i consumi totali del sistema nel corso degli anni. I transceiver IO-Link originali o di prima generazione consumavano 400mW (o più), mentre i più recenti tran- sceiver IO-Link di Analog Devices consumano meno di 100mW. Anche i microcontrollori hanno fornito un vali- do contributo. Mentre una MCU tradizionale consuma fino a 180 mW, i dispositivi delle generazioni più recenti possono consumare anche meno di 50 mW. Un transceiver IO-Link all’avanguardia, abbinato a una MCU a basso consumo, possono mantenere i con- sumi complessivi del sensore in un intervallo compreso tra 400 e 500 mW. La dissipazione di potenza è direttamente correlata a quella del calore. Più piccolo è il sensore, più rigorose saranno le specifiche di dissipazione di potenza. Secon- do alcune stime, un sensore IO-Link cilindrico chiuso da 8 mm di diametro (M8) specifica una dissipazione di potenza massima di 400 mW, mentre per un sensore IO- Link cilindrico chiuso da 12 mm di diametro (M12) la dissipazione di potenza massima stimata è di 600 mW. La tecnologia, dal canto suo, continua a migliorare. Uno dei nuovi transceiver IO-Link di Analog Devices, MAX14827A, dissipa la potenza considerevolmente bassa di 70 mW con un carico di 100 mA. Questo ri- sultato è stato ottenuto ottimizzando la tecnologia per ottenere una RON (resistenza di on) molto bassa, pari a 2,3 Ω (valore tipico). Per i sensori che utilizzano una corrente operativa mol- to bassa, ad esempio da 3 a 5 mA, e richiedono un’ali- mentazione a 3,3 V e/o a 5 V, l’alimentazione regolata può essere fornita da un LDO. I transceiver IO-Link di Analog Devices dispongono di un LDO integrato. Ma quando la richiesta di corrente aumenta, ad esempio a 30 mA, l’LDO diventa ben presto la fonte dominante di potenza e calore dissipati nel sistema. Per fare un con- fronto, a 30mA il consumo di potenza di un LDO può raggiungere i 600 mW. Consumo di potenza di un LDO a 30 mA = (24-3,3) x 30 mA = 621 mW In confronto, un convertitore DC-DC di tipo buck che alimenta un sensore da 30mA con una tensione di usci- ta di 3 V dissiperà solo 90 mW. Supponendo che il con- vertitore abbia un’efficienza del 90% (solo 9 mW di per- dita di potenza), il consumo complessivo sarà di soli 90 + 9 = 99 mW. I più recenti transceiver IO-Link di Analog Devices dispongono di un regolatore DC-DC ad alta efficienza integrato, come illustrato nella figura 4. Dimensioni di un sensore IO-Link Dopo la dissipazione del calore, l’altro aspetto fon- damentale da prendere in considerazione per tutti i sensori industriali è rappresentato dalle dimensioni, e questo vale anche per i nuovi sensori IO-Link. Man mano che si passa a un fattore di forma più piccolo, lo spazio su scheda diventa sempre più prezioso. La figura 5 mostra che per un contenitore di 12 mm di diametro, il transceiver (in un package wafer le- vel - WLP) e il DC-DC possono stare fianco a fianco su un normale PCB di 10,5 mm di larghezza. Sulla stessa faccia c’è ancora spazio per i passaggi e i col- legamenti. Se l’alloggiamento del sensore è di 6 mm, la larghezza del PCB scende a 4,5 mm. I chip devono quindi essere montati su entrambe le facce del PCB, anche con i package WLP più piccoli. Per consentire queste dimensioni, il transceiver deve Fig. 4 – I più recenti transceiver IO-Link di Analog Devices integrano un regolatore DC-DC ad alta efficienza HARDWARE | IO-LINK