Gli amplificatori di potenza sono dotati di una gamma di funzioni avanzate per la protezione dei circuiti, tra cui protezione da sovratensione, sovracorrente e transienti di tensione. Ora che interi sistemi informatici dotati di intelligenza artificiale possono essere integrati in System-on-Chip (SoC) a basso costo, è possibile che gli amplificatori di potenza finiscano per includere anche capacità predittive per la protezione non solo dalle minacce immediate, ma anche da potenziali problemi che potrebbero verificarsi.
Il ruolo degli amplificatori di potenza
Per capire il ruolo che svolgono gli amplificatori di potenza e perché sono dispositivi elettronici critici, dobbiamo prima comprendere cosa sono gli amplificatori di potenza. Un amplificatore di potenza è un dispositivo che amplifica un segnale elettrico per azionare carichi molto maggiori di quelli che il segnale che viene amplificato potrebbe altrimenti produrre.
Ad esempio, l'uscita GPIO di un microcontroller non potrebbe mai essere utilizzata per azionare un motore CC di grandi dimensioni, poiché tale motore può richiedere decine di ampere per iniziare a girare, mentre l'uscita GPIO dei microcontroller generalmente non fornisce più di 20 mA. Invece, si potrebbe utilizzare un amplificatore di potenza in grado di fornire decine di ampere per alimentare il motore CC, con l'amplificatore controllato dall'uscita GPIO (ovvero, 20 mA vengono amplificati a decine di ampere).
Allora, dove si trovano esattamente gli amplificatori di potenza? Un esempio comune di amplificatori di potenza lo troviamo nell'esempio citato. I microcontroller dovranno spesso controllare carichi significativi e questa operazione è più facile da eseguire con un amplificatore di potenza.
Gli amplificatori di potenza si trovano comunemente anche nei dispositivi di gestione della potenza come i caricabatterie. Un circuito integrato (IC) di gestione della batteria è responsabile del rilevamento della tensione in una batteria, mentre un amplificatore di potenza esterno può essere controllato dall'IC di gestione della potenza per caricare la batteria con una corrente specifica.
I sistemi industriali sono un'altra applicazione comune per gli amplificatori di potenza. Qualsiasi motore CC utilizzato in un ambiente industriale richiederà un driver motore dedicato, poiché l'alimentazione è quasi sempre CA trifase, e questi driver necessiteranno di amplificatori di potenza in grado di rettificare e modulare la potenza inviata ai motori (attraverso la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM)).
Anche i sistemi a radiofrequenza (RF) dipendono dagli amplificatori di potenza. La generazione di segnali radio complessi da utilizzare in array cellulari, RADAR e di fase richiede processori di segnale digitale di fascia alta, ma questi sono simili ai GPIO in quanto non sono in grado di procurarsi molta corrente. Al contrario, gli speciali amplificatori RF possono amplificare l'uscita di questi processori e convertirla in energia RF su un'antenna per la trasmissione a lungo raggio.
Quali metodi comuni di protezione dei circuiti esistono per gli amplificatori di potenza?
Le notevoli variazioni di corrente e tensione presenti nei circuiti ad alta potenza possono essere dannose per i dispositivi a semiconduttore, inclusi amplificatori e processori. Pertanto, è comune vedere amplificatori di potenza integrati con vari metodi di protezione non solo per proteggerli da comportamenti imprevisti dei circuiti, ma anche per proteggere i circuiti esterni (come microcontroller e processori di segnali digitali).
Negli amplificatori di potenza esistono dei rating di corrente massima per evitare danni termici causati da correnti elevate (le correnti elevate possono danneggiare il semiconduttore anche su scala atomica, ma generalmente è l'aumento della temperatura che risulta più dannoso). Di conseguenza, gli amplificatori di potenza spesso includono dei circuiti di protezione da sovracorrente per evitare l'assorbimento di picchi di corrente elevati.
I circuiti di protezione da sovratensione (noti anche come protezione da transienti) impediscono danni ai componenti sensibili di un amplificatore di potenza, oltre a prevenire la rottura totale di una giunzione a semiconduttore. Ad esempio, gli amplificatori di potenza basati su MOSFET hanno un gate sottile che può essere facilmente danneggiato dalle tensioni elevate, quindi queste tensioni vengono generalmente controllate con uno Zener.
I sistemi di protezione con spegnimento termico impediscono il surriscaldamento degli amplificatori di potenza e questa caratteristica è estremamente importante nelle applicazioni a corrente elevata. Alcuni semiconduttori possono subire un effetto di fuga termica in cui l'aumento della temperatura provoca un aumento della conduzione che, a sua volta, provoca un ulteriore aumento della temperatura. I semiconduttori che si surriscaldano possono deteriorarsi rapidamente e presentare una riduzione delle prestazioni.
La protezione dalla tensione inversa è un sistema di protezione che impedisce alle elevate tensioni negative di danneggiare i componenti sensibili dei semiconduttori. Tali circuiti di protezione spesso comportano l'utilizzo di un diodo in modalità di polarizzazione inversa che risulta conduttivo in presenza di tensioni negative, permettendo così il controllo del valore. Queste soluzioni vengono spesso adottate nei MOSFET come body diode e sono fondamentali negli amplificatori di potenza che azionano carichi induttivi (come i motori) che possono generare notevoli forze controelettromotrici (EMF).
Quali sfide devono affrontare questi metodi di protezione?
Sebbene i suddetti metodi di protezione funzionino, non sono privi di sfide. Il problema di gran lunga più serio con tali circuiti di protezione è che sono reattivi, quindi rispondono se qualcosa non funziona come dovrebbe. Ad esempio, i circuiti di arresto termico si attiveranno quando la temperatura dell'amplificatore raggiunge una determinata soglia, mentre i circuiti di sovratensione lo faranno se la tensione all'interno dell'amplificatore è eccessiva.
Questo è un problema perché, anche se i sistemi di protezione sono progettati per prevenire i danni, sono fallibili. Di conseguenza, un dispositivo corre il rischio di essere danneggiato se si verifica un qualche tipo di scenario di protezione. Ad esempio, arresti termici frequenti rischiano di degradare il dispositivo nel tempo, introducendo anche potenziali rischi di incendio.
È possibile ottenere protezione aggiuntiva grazie al monitoraggio attivo di un microcontroller tramite pin di avviso. Ad esempio, un amplificatore di potenza potrebbe avere un pin di avviso di uscita che cambia stato in caso di sovratensione e questa funzione potrebbe essere utilizzata dal microcontroller per scollegare l'alimentazione e prevenire ulteriori danni. Tuttavia, questa situazione richiede comunque l'attivazione dei circuiti di protezione e ciò mette a rischio l'amplificatore di potenza.
Come si potrebbe utilizzare l'intelligenza artificiale per creare amplificatori di potenza intelligenti?
Invece di creare sistemi di protezione reattivi, ipotizziamo di mettere a punto un sistema di protezione in grado di prevedere i problemi prima che si verifichino. Un tale amplificatore non solo sarebbe in grado di proteggersi dalle condizioni avverse con largo anticipo, ma potrebbe anche segnalare ai processori collegati che sta per verificarsi un problema, consentendo così anche a quei dispositivi di prendere decisioni. In condizioni di guasto, questo amplificatore di potenza avrebbe evitato di entrare in zone operative pericolose, riducendo così la quantità di degrado da affrontare. Ma come si potrebbe costruire un amplificatore del genere?
Sin dai loro esordi, gli algoritmi di intelligenza artificiale si sono rapidamente trasformati da interessanti esperimenti scientifici a sistemi completamente funzionali in grado di eseguire attività estremamente complesse. Gli algoritmi di intelligenza artificiale (IA) non solo sono in grado di prevedere in modo affidabile il comportamento di sistemi complessi, ma possono anche imparare a riconoscere i comportamenti anormali.
Ad esempio, un'IA collegata a un dispositivo di misurazione della potenza sarebbe in grado di riconoscere il funzionamento nominale dopo aver appreso come dovrebbe essere il comportamento nominale. Tuttavia, anche variazioni graduali di corrente o tensione potrebbero essere rilevate come comportamenti insoliti, anche se i valori rientrano in intervalli previsti, e questi elementi potrebbero quindi essere utilizzati per determinare se qualcosa è cambiato (magari il surriscaldamento di un componente, il collegamento imprevisto di un dispositivo, un errore software, ecc.).
Questa capacità predittiva vede l'IA integrata in molti sensori e macchinari industriali, poiché può informare gli operatori degli impianti nel caso in cui le apparecchiature inizino a comportarsi in modo anomalo. Tale comportamento potrebbe includere un aumento delle vibrazioni, un maggiore assorbimento di corrente o temperature d'esercizio più elevate e tutti questi elementi potrebbero indicare la necessità di una revisione. Tuttavia, l'uso della manutenzione predittiva consente agli operatori degli impianti anche di pianificare le revisioni future in modo che coincidano con altri lavori di manutenzione, così da ridurre i tempi di fermo degli impianti (ad esempio, si possono riparare più macchine contemporaneamente, invece di effettuare le riparazioni singolarmente dopo che si sono verificati i guasti).
Dato che è possibile integrare interi sistemi informatici in minuscoli dispositivi SoC dotati di intelligenza artificiale, gli amplificatori di potenza potrebbero essere muniti di sistemi di protezione predittiva dei circuiti. Una tale intelligenza artificiale monitorerebbe tutti gli aspetti dell'amplificatore di potenza, inclusi il consumo di corrente, la tensione su ciascun terminale e la temperatura di giunzione. Da ciò, è possibile determinare il funzionamento nominale con l'apprendimento automatico su chip o tramite un programmatore esterno.
Se l'intelligenza artificiale rileva dell'attività insolita, l'amplificatore di potenza potrebbe eseguire svariate attività per determinare la migliore linea d'azione. La prima azione potrebbe essere segnalare al controller principale la potenziale presenza di un problema. Se il comportamento anomalo dovesse persistere, l'amplificatore potrebbe prendere in mano la situazione e attivare i sistemi di protezione dei circuiti per spegnersi o ridurre il consumo di corrente.
Inoltre, l'IA su chip potrebbe anche utilizzare i dati dei sensori per determinare lo stato del dispositivo. Se viene stabilito che le prestazioni dell'amplificatore di potenza stanno peggiorando, si potrebbe segnalare al controller principale che potrebbe essere necessaria la sostituzione dell'amplificatore.
Tuttavia un amplificatore di potenza dotato di IA potrebbe non integrare solo la protezione dei circuiti, ma essere utilizzato anche per massimizzare l'efficienza del dispositivo. Soprattutto nel caso degli amplificatori a commutazione, l'efficienza del dispositivo è fortemente subordinata alla tensione di commutazione, ai tempi di salita e discesa e alla caduta di tensione determinata dall'amplificatore. Un'intelligenza artificiale su chip potrebbe monitorare l'efficienza del dispositivo e apportare correzioni ai circuiti di azionamento interni per massimizzare l'efficienza dell'amplificatore per tutte le tensioni di ingresso e di uscita.
Infine, l'IA su chip in un amplificatore di potenza ha anche il potenziale per individuare i malware. Come affermato in precedenza, l'intelligenza artificiale è molto efficace nel rilevare comportamenti anomali e si sa che la corrente consumata da un processore dipende spesso dalle attività eseguite. Pertanto, la presenza di malware in un processore determinerà probabilmente un cambiamento nel consumo di corrente e questo potrebbe essere rilevato dall'IA di un amplificatore di potenza, che potrebbe quindi inviare un segnale al controller principale per avvertirlo di una potenziale infezione.
Questi amplificatori esistono già?
Sfortunatamente, attualmente non esiste un amplificatore di questo tipo e ciò potrebbe essere dovuto a numerose ragioni. In primo luogo, l'integrazione di un SoC in un amplificatore sarebbe costosa, poiché i semiconduttori utilizzati per gli amplificatori di potenza potrebbero non essere adatti ai SoC. Di conseguenza, un SoC dovrebbe essere un chip secondario integrato accanto all'amplificatore di potenza con cavi per il collegamento dei due dispositivi.
In secondo luogo, i sistemi IA hanno attualmente ampi margini di miglioramento e tentare di integrare un'intelligenza artificiale in un amplificatore di potenza potrebbe richiedere ancora diversi anni di sviluppo. Infine, gli amplificatori di potenza hanno alle spalle decenni di sviluppo e i circuiti di protezione offerti da tali dispositivi sono più che sufficienti per la maggior parte delle applicazioni.
Ora, questo non vuol dire che non si stia facendo ricerca nel settore. Una semplice ricerca su Google dei termini "intelligenza artificiale" e "amplificatore di potenza" restituisce risultati interessanti sull'uso dell'IA negli amplificatori di potenza. Un risultato che emerge con frequenza sono gli amplificatori di potenza cellulari e come utilizzare l'IA per migliorarne l'efficienza (caratteristiche che saranno fondamentali per aumentare l'ampiezza di banda e ridurre l'alimentazione utilizzata).
Conclusione
L'intelligenza artificiale è uno strumento incredibilmente potente che consente funzionalità di manutenzione predittiva e di rilevamento delle anomalie. Considerando che ora è possibile integrare singoli sensori dotati di capacità predittive, è chiaro che gli amplificatori di potenza sono maturi per l'integrazione dell'IA. Un amplificatore di potenza dotato di intelligenza artificiale sarebbe in grado non solo di prendere decisioni in base al proprio stato corrente, ma potrebbe anche contribuire a delegare le attività di gestione predittiva dell'alimentazione da un controller centrale.
Inoltre, un'IA integrata in un amplificatore di potenza sarebbe in grado di regolare le proprie caratteristiche prestazionali per massimizzare l'efficienza, cosa che sta diventando sempre più importante con l'aumento dei costi dell'energia e il conseguente passaggio alle risorse energetiche rinnovabili.