Tác giả: Jay Nagle, Microchip Technology Inc.
Hoạt động phát triển bền vững trên toàn cầu xoay quanh các sáng kiến môi trường, kinh tế và xã hội nhằm bảo vệ và cải thiện môi trường tự nhiên. Những sáng kiến này bao gồm việc đảm bảo chất lượng cuộc sống trong đó các nhu cầu cơ bản của con người được đáp ứng trong khi hoạt động ứng dụng các công nghệ có tác động tích cực đến môi trường. Một trong những vấn đề nổi cộm nhất mà các sáng kiến phát triển bền vững mong muốn giải quyết là tác động của biến đổi khí hậu. “Biến đổi khí hậu được coi là thách thức lớn nhất trong thời đại của chúng ta. Những nguồn lực tài chính và nhân lực khổng lồ đang được huy động để hóa giải các nguyên nhân và tác động của biến đổi khí hậu, đồng thời thực hiện quá trình chuyển dịch năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo” (Prysmian Group, 2023). Sự gia tăng dân số loài người, số lượng xe điện, yêu cầu về tự động hóa công nghiệp, nhu cầu cao hơn về sức mạnh tính toán để xử lý dữ liệu siêu lớn cùng với sự phổ biến của các thiết bị IoT thông minh hoạt động bằng nguồn pin đang làm tăng nhu cầu về sản lượng phát điện. Nếu nhiên liệu hóa thạch được sử dụng như là nguồn năng lượng duy nhất để đáp ứng nhu cầu cao hơn này, thì lượng phát thải khí nhà kính lớn hơn kèm theo sẽ làm trầm trọng thêm những ảnh hưởng vốn đã rất rõ ràng của biến đổi khí hậu. Do đó, đòi hỏi cấp thiết là các nguồn năng lượng tái tạo phải chiếm một tỷ trọng cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch trong cơ cấu phát điện để đáp ứng nhu cầu. Theo Hình 1 (Triển vọng Năng lượng Quốc tế 2021, EIA, www.eia.gov/ieo), từ năm 2020 đến năm 2050, sản lượng điện ròng của thế giới dự kiến sẽ tăng từ 25 nghìn tỷ kW giờ lên khoảng 40 nghìn tỷ kW giờ. Tỷ trọng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, phần lớn là điện gió và điện mặt trời, sẽ tăng từ khoảng 30% lên 65% trong cùng khoảng thời gian đó.
Hiệu quả của nguồn năng lượng tái tạo được xác định dựa trên khả năng tối đa hóa mức độ truyền tải điện từ nguồn đến lưới điện hoặc phụ tải điện. Những phụ tải điện này có thể được sử dụng thường xuyên như các thiết bị tiêu dùng, thiết bị gia dụng hoặc hệ thống pin lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Ngoài ra, chính các phụ tải điện cũng phải đảm bảo rằng, chúng chỉ tiêu thụ một lượng điện năng tối thiểu trong quá trình hoạt động để đảm bảo việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng được sản sinh ra từ cả nguồn năng lượng tái tạo và không tái tạo. Để đáp ứng các yêu cầu này, điều bắt buộc là các IC (Mạch tích hợp) và ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng) cấu thành các hệ thống chuyển đổi năng lượng tái tạo và các hệ thống nhúng phải có mức tiêu thụ điện năng thấp, trong khi có độ tin cậy, mật độ năng lượng và mức độ bảo mật cao.
Thiết kế để đảm bảo mức tiêu thụ điện năng thấp
Một thuộc tính rất được kỳ vọng của linh kiện bán dẫn trong các thiết kế bền vững là mức tiêu thụ điện năng thấp. Đối với các thiết bị thông minh chạy bằng nguồn pin đặc trưng của hệ sinh thái bền vững, mức tiêu thụ điện năng thấp sẽ giúp kéo dài tuổi thọ pin, và qua đó kéo dài thời gian hoạt động giữa các lần sạc lại, từ đó tiết kiệm năng lượng. Đối với các hệ thống chuyển đổi DC/DC và AC/DC công suất cao trong các ứng dụng năng lượng tái tạo, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn đồng nghĩa với hiệu suất hệ thống cao hơn và mức độ cân bằng cao hơn giữa công suất được sản sinh ra và công suất cấp cho phụ tải điện tử. Hai yếu tố tổn hao điện năng bán dẫn chính trong hệ thống điều khiển nhúng là tổn hao điện năng tĩnh và động. Tổn hao điện năng tĩnh chính là mức tiêu thụ điện năng khi mạch ở đang trạng thái “chờ” hoặc không hoạt động, thường được gọi là “dòng rò”. Tổn hao điện năng động chính là mức tổn hao điện năng khi mạch ở trạng thái hoạt động. Nói chung, công nghệ tiến trình càng thấp và mức độ thu nhỏ hình học của các linh kiện càng thấp thì ”dòng rò” hay mức tổn hao điện năng tĩnh càng lớn và mức tổn hao điện năng động càng thấp do điện dung của thiết bị nhỏ hơn. Kích thước hình học của linh kiện bán dẫn lớn hơn sẽ có đặc tính ngược lại. Những đánh đổi này phải được xem xét khi thiết kế các sản phẩm bán dẫn phù hợp với các ứng dụng cụ thể, ví dụ như trong trường hợp hệ thống hoạt động bằng nguồn pin và cần phải giảm thiểu mức tổn hao năng lượng tĩnh hay trong hệ thống chuyển đổi năng lượng tái tạo cần phải hạn chế mức tổn hao năng lượng động. Để hạn chế cả tổn hao năng lượng động và tĩnh, linh kiện bán dẫn được thiết kế để giảm thiểu điện dung thông qua thiết kế và bố trí bên trong để chúng hoạt động ở mức điện áp thấp hơn và bật tắt một cách linh hoạt các khối chức năng tương ứng khi thiết bị ở chế độ chờ hoặc chế độ “ngủ sâu”.
Độ tin cậy trong quá trình đóng gói thiết bị
Hiệu suất trong các hệ thống bền vững có thể được đo lường thông qua độ tin cậy của linh kiện và tuổi thọ hệ thống. Cả hai yếu tố đó đều có thể bị ảnh hưởng bởi hoạt động của một thiết bị bán dẫn hoạt động ở nửa cao hơn trong dải nhiệt độ hoạt động của chúng. Tùy thuộc vào môi trường ứng dụng, các sản phẩm bán dẫn cũng có thể dễ nhạy cảm với ứng suất cơ học và lực xoắn và khi đó độ tin cậy ở cấp độ bo mạch là yếu tố quan trọng đối với sự tồn tại của hệ thống. Microchip Technology Inc., cùng với nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn khác, sử dụng các gói (package) VQFN và TQPF để đóng gói các mạch tích hợp phức tạp, chẳng hạn như bộ điều khiển tín hiệu số, trong các sản phẩm có kiểu dáng nhỏ gọn. Gói VQFN sử dụng các miếng đệm tiếp xúc ở mặt dưới cùng để tản nhiệt một cách hiệu quả để duy trì tiếp xúc đủ thấp với điện trở chịu nhiệt xung quanh (°C/W) khi thiết bị hoạt động ở mức công suất tối đa. Các gói TQFP sử dụng loại dây dẫn kiểu Gull-Wing trên gói có cấu hình chiều cao thấp để chịu được rung lắc và các ứng suất cơ học khác trong môi trường hoạt động khắc nghiệt để đảm bảo độ tin cậy cao ở cấp độ bo mạch. Ngoài ra, các gói cấu hình thấp cho phép các nhà thiết kế hệ thống bền vững sử dụng vỏ bọc thể tích nhỏ hơn để không chỉ giảm chi phí hệ thống mà còn giảm bớt mức độ sử dụng vật liệu. Điều đó góp phần làm giảm lượng phế thải ở cuối vòng đời hữu dụng của sản phẩm.
Công suất cao với kích thước hệ thống được thu nhỏ
Các sản phẩm bán dẫn có mật độ năng lượng cao được thiết kế để hoạt động ở mức công suất cao trong khi được đóng gói trong các gói kích thước nhỏ. Đây là những thuộc tính điển hình của các sản phẩm rời rạc bandgap rộng Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN) cũng như các mô-đun nguồn được sử dụng trong các ứng dụng chuyển đổi điện mặt trời, điện gió và xe điện. SiC và GaN cho phép thu nhỏ kích thước các hệ thống chuyển đổi năng lượng bằng cách cho phép hệ thống hoạt động ở tần số cao hơn. Việc hoạt động tần số cao hơn cho phép giảm kích thước và trọng lượng của các linh kiện điện thụ động cần thiết để truyền lượng điện năng tối đa được sản sinh ra bởi nguồn năng lượng tái tạo và duy trì hiệu quả cao của hệ thống chuyển đổi năng lượng.
Bảo mật đồng nghĩa với tuổi thọ lâu dài
Các tính năng bảo mật của linh kiện bán dẫn là cần thiết đối với sự phát triển hệ thống bền vững. Các tính năng bảo mật trong vi điều khiển, như khởi động an toàn và bất biến, có thể cho phép tiếp tục tận dụng hệ thống hiện có bằng cách xác minh tính toàn vẹn của bất kỳ bản cập nhật phần mềm cần thiết nào để nâng cao hiệu suất hệ thống hoặc sửa lỗi trong mã phần mềm. Kết quả là, một thiết kế có khả năng được sử dụng trong thời gian dài hơn mà không cần thay thế hoặc bị loại bỏ do lỗi thời. Lưu trữ khóa an toàn và xác thực node là các tính năng bảo mật được triển khai trong các thiết bị bán dẫn để đối phó với các cuộc tấn công bên ngoài đồng thời đảm bảo rằng chỉ có mã phần mềm chính hãng mới được thực thi trên thiết kế nhúng. Các tính năng này cho phép hai hoặc nhiều mạch tích hợp xác nhận việc nhận và truyền dữ liệu mật mã giữa các nguồn “tin cậy” mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
Thiết kế bền vững là một phần của hệ sinh thái các nhà sản xuất và người tiêu dùng năng lượng với mục tiêu không chỉ tạo ra và lưu trữ lượng điện năng lớn nhất từ nguồn năng lượng tái tạo mà còn sử dụng các hệ thống kiểm soát hiệu quả để khai thác các nguồn năng lượng này. Các sản phẩm bán dẫn được phát triển cho các hệ thống sản xuất và tiêu dùng có tính đến các yếu tố thiết kế bền vững. Nhiều nhà cung cấp sản phẩm bán dẫn, chẳng hạn như Microchip Technology, đã đổi mới sản phẩm với chế độ tiêu thụ điện năng thấp hơn, nâng cao mật độ năng lượng và các tính năng tiên tiến về bảo mật và an toàn để đáp ứng yêu cầu thị trường về các yếu tố thiết kế cần thiết trong các hệ thống bền vững như được thể hiện trong Hình 4. Các ứng dụng này bao gồm từ máy bơm và quạt đơn giản nhưng có hiệu quả cao cho đến sản xuất và lưu trữ năng lượng xanh phức tạp.
