Gli ingegneri responsabili dei sottosistemi di alimentazione di un progetto devono garantire che la fonte di alimentazione principale (che, a meno che il dispositivo non sia alimentato esclusivamente da batterie, proverrà probabilmente da una presa di corrente alternata) sia in grado di soddisfare la richiesta. Ciò, a sua volta, richiede un convertitore CA/CC, sollevando la questione: questo convertitore deve essere interno, ovvero parte integrante del progetto stesso, o esterno? 

Ciascuna opzione offre i suoi vantaggi. Un convertitore interno sarà integrato nel design complessivo, riducendo potenzialmente i requisiti di sicurezza e, forse, anche se non necessariamente, i costi complessivi. D'altra parte, un convertitore esterno offre maggiore flessibilità in termini di potenza totale richiesta. Se si sceglie un alimentatore esterno, qualsiasi successivo aumento della potenza erogata dall'alimentatore non influirà sul design del resto del prodotto. Ad esempio, un aumento del 20% della potenza erogata dall'alimentatore potrebbe influire proporzionalmente sulle dimensioni dell'alimentatore interno e richiedere una rivalutazione delle impostazioni di gestione termica. Un alimentatore esterno, invece, può essere sostituito senza influire sulle dimensioni e sulla forma degli altri parametri del design principale del prodotto.

Inoltre, se il prodotto principale utilizza batterie ausiliarie, un adattatore esterno sarà quasi certamente l'opzione preferibile, in quanto consente di progettare il packaging del prodotto indipendentemente dalle dimensioni, dal peso e dal costo dei componenti necessari per la conversione CA/CC. Con l'elettronica moderna, lo spazio richiesto dall'adattatore può essere considerevole rispetto ai componenti altamente integrati utilizzati; ad esempio, non ci aspetteremmo di utilizzare un adattatore CA/CC in un tablet. Anche molti computer portatili ormai utilizzano un adattatore esterno al posto dell'alimentatore CA.

I requisiti di progettazione di un adattatore CA/CC non vanno ignorati, ma non devono nemmeno diventare un limite se si opta per un adattatore esterno. Supponendo che un adattatore esterno sia l'opzione più appropriata per il prossimo prodotto, sarà comunque necessario prendere una serie di decisioni di progettazione in base a diversi fattori, come spiegheremo di seguito.

La sicurezza prima di tutto

Nella maggior parte dei casi, un adattatore esterno fornisce una singola tensione CC al dispositivo, riducendo così la tensione di alimentazione principale e distribuendola ai sottosistemi del prodotto. Questa tensione CC principale deve fornire energia sufficiente su un singolo collegamento per alimentare l'intero prodotto, pertanto è necessario prestare attenzione al tipo di connettore utilizzato.

Gli adattatori esterni utilizzano vari tipi di connettori. Nei dispositivi portatili a basso consumo (come smartphone e tablet), predomina il connettore USB. L'arrivo dell'USB 3.x con connettore Type-C (anche chiamato semplicemente USB-C) ne aumenterà ulteriormente la diffusione, poiché consente l'erogazione di fino a 100 W a 20 V CC se viene implementata la parte corrispondente della specifica. D'altra parte, il collaudato connettore maschio rimane popolare, così come i connettori a D con più pin che vediamo spesso sugli adattatori per dispositivi elettronici che richiedono una maggiore potenza.

Figura 1: Esistono numerose opzioni per la scelta del connettore più adatto all'alimentatore esterno (Fonte: CUI) 

Il cablaggio deve essere adeguato al tipo di connettore utilizzato. Anche in questo caso, i requisiti di alimentazione determineranno in una certa misura la sezione del filo, ma occorre tenere conto anche di considerazioni di sicurezza, come la lunghezza del cavo e altre caratteristiche. Se l'utente intende modificare il connettore, ad esempio cambiandone le dimensioni o il formato con adattatori opzionali, ciò potrebbe influire sulla certificazione di sicurezza.

Poiché la corrente alternata (CA) è potenzialmente pericolosa, gli adattatori devono essere adeguatamente certificati e recare il marchio di conformità, almeno se destinati all'uso nella maggior parte dei paesi. Sebbene si stia cercando di standardizzare questi requisiti, esistono differenze geografiche. Alcune caratteristiche sono comuni a diverse regioni, ma tutte le differenze devono essere rispettate. È importante notare che alcune applicazioni, come le apparecchiature mediche, hanno requisiti specifici. Il produttore probabilmente saprà, prima di iniziare la fase di progettazione, se l'adattatore deve soddisfare tali specifiche in base all'applicazione e al paese o alla regione in cui verrà installato. In caso di dubbi, è consigliabile consultare un esperto come CUI.

Un altro requisito legato alla progettazione riguarda le interferenze elettromagnetiche (EMI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC). La conformità agli standard EMI e EMC varia a seconda della regione e spesso i test rappresentano l'unico modo per averne la certezza. In molti casi, può essere necessario un qualche tipo di filtraggio per ridurre le emissioni a determinate frequenze; ​​le perline di ferrite sono probabilmente la soluzione più comune. Anche in questo caso, esperti come CUI possono aiutare i produttori a soddisfare questi requisiti.

Requisiti regionali

Molti aspetti relativi all'alimentazione elettrica sono regolamentati, inclusi gli adattatori sia interni che esterni. Naturalmente, se si tratta di un adattatore esterno, le specifiche si applicheranno solo all'adattatore stesso, mentre se si tratta di un adattatore interno, si applicheranno probabilmente all'intero prodotto. Sebbene possa sembrare controintuitivo, questo è importante perché un adattatore che offre elevati livelli di efficienza non dovrebbe risentire delle inefficienze presenti in altre parti del prodotto.

Ad esempio, il consumo energetico di molti prodotti in assenza di carico deve rispettare gli standard di efficienza adottati da diversi paesi. Negli Stati Uniti, la conformità allo standard di Livello VI del Dipartimento dell'Energia (storicamente basato sullo standard della California Energy Commission introdotto nel 2004) è obbligatoria. Questo standard, attualmente in vigore in tutti gli Stati Uniti, stabilisce l'efficienza degli alimentatori esterni e il loro consumo energetico in standby. Ad esempio, un alimentatore che fornisce una singola tensione CC per una potenza superiore a 250 W deve offrire un'efficienza minima dell'87% e consumare meno di 0,5 W in assenza di carico. CUI fornisce informazioni su molti degli standard in vigore in tutto il mondo e su come si applicano agli alimentatori esterni. Basti dire che se l'alimentatore non soddisfa lo standard, non può essere messo in servizio. Se l'alimentatore stesso soddisfa lo standard ma è integrato in un prodotto che non lo soddisfa, la riprogettazione dell'alimentatore sarà probabilmente inefficace. D'altro canto, la progettazione di un alimentatore esterno conforme agli standard consentirebbe a un produttore di utilizzare tale design in molti dei suoi prodotti o persino di commercializzarlo nel mercato dei ricambi.

Figura 2: Standard di efficienza e loro evoluzione nel tempo (Fonte: CUI)

Altri aspetti progettuali da considerare includono il tipo di spina utilizzata per il collegamento alla presa di corrente. Sebbene esistano diverse versioni a seconda dell'area geografica, sta diventando sempre più comune progettare dispositivi con adattatori esterni certificati, compatibili con diverse regioni. Infatti, uno dei principali vantaggi della scelta di un adattatore esterno è che rende il prodotto principale praticamente universale.

A questo proposito, è importante considerare se l'adattatore si collegherà direttamente a una presa a muro o utilizzerà un cavo di alimentazione CA. Questa decisione dipenderà probabilmente da due fattori: l'estetica del prodotto e la potenza richiesta. Gli adattatori che devono erogare circa i 100 W disponibili con USB-C possono optare per la versione con cavo di alimentazione CA, che offre anche la possibilità di avere una sezione rimovibile per adattarsi a diverse regioni.

È necessario considerare anche le dimensioni complessive dell'adattatore. Se questo è un fattore determinante, potrebbe essere opportuno utilizzare tecnologie a semiconduttore avanzate, come il nitruro di gallio (GaN), che offre una maggiore efficienza di commutazione. Ciò, a sua volta, migliora l'efficienza termica e consente una maggiore frequenza di commutazione e, di conseguenza, una maggiore densità di potenza. In parole semplici, maggiore efficienza significa dimensioni complessive più ridotte. Questo può essere importante per un alimentatore esterno destinato a un dispositivo portatile o per offrire un miglioramento all'utente finale che deve gestire un adattatore grande e ingombrante sotto la scrivania, dietro un dispositivo o in un altro luogo nelle vicinanze.

Soluzioni su misura

Come accennato in precedenza, è perfettamente fattibile commercializzare alimentatori esterni come alternativa agli alimentatori interni del produttore. È inoltre ideale che un fornitore specializzato come CUI progetti e produca direttamente l'alimentatore esterno. Questa azienda offre numerose opzioni per personalizzare un alimentatore esterno in modo che si adatti al design del vostro prodotto. In questo caso, avere un alimentatore che mostri con orgoglio il vostro marchio come se fosse prodotto internamente rappresenta un vantaggio significativo ed è solo uno dei servizi aggiuntivi offerti da CUI.

Figura 3: La personalizzazione con il marchio di un adattatore esterno fa parte della loro proposta di valore (Fonte: CUI)

È importante ricordare che, in definitiva, l'adattatore deve essere in grado di fornire i livelli di tensione e corrente corretti al dispositivo che alimenta, il che ci riporta al principio che l'alimentatore è sempre l'ultimo elemento a essere progettato. È frequente che il team di progettazione non sappia con assoluta certezza quanta energia richiederà un prodotto. Se l'adattatore CA/CC deve essere interno, ciò rappresenta una sfida progettuale, ma se la decisione di realizzare un adattatore esterno viene presa il prima possibile, libera gli ingegneri e consente loro di concentrarsi sulle caratteristiche e funzionalità del prodotto. È qui che CUI può rivelarsi preziosa, occupandosi della progettazione e della produzione dell'adattatore di alimentazione esterno, progettato per fornire i livelli di tensione e corrente richiesti, rispettare tutti gli standard internazionali di sicurezza ed efficienza, integrare il marchio del cliente secondo il suo stile e includere i connettori da lui scelti.

Autore: Ron Stull, ingegnere di sistemi energetici, CUIInc.