Hva gjør et apparat energieffektivt?

Energieffektivitet i elektronisk utstyr har blitt en viktig prioritet, takket være økende miljøhensyn og bærekraftige løsninger. Vitenskapen bak disse energieffektive enhetene omfatter intrikate design og avansert teknologi som tar sikte på å redusere strømforbruket uten at det går utover ytelsen. I denne artikkelen går vi i dybden på kjerneteknologiene og komponentene i moderne elektronisk utstyr, som strømstyringskretser og halvledere. 

Nøkkelkomponenter

Nedenfor finner du en omfattende liste over integrerte komponenter i energieffektive enheter:

• Halvledere – fungerer som grunnlaget for elektroniske kretser og gir kontroll over elektriske signaler. De siste årene har utviklingen innen halvledere blant annet ført til et skifte fra materialer som silisium til galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC) for å oppnå bedre energieffektivitet. 
• Strømstyringskretser – regulerer og optimaliserer strømfordelingen i en enhet. Typene omfatter LDO-spenningsregulatorer og switch-regulatorer dynamisk spennings- og frekvensskalering (DVFS) og power gating. 
• Skjermer – visuelle grensesnitt som bidrar til det totale strømforbruket. Det finnes flere teknologier for å begrense strømforbruket i enheter som tilbyr en rekke ulike nivåer av energieffektivitet, som OLED-, MicroLED- og e-Ink-skjermer. 
• Trådløse kommunikasjonsmoduler – svært vanlig i moderne enheter for å muliggjøre IoT-funksjoner og tilkobling til andre enheter. Eksempler på dette er effektive WiFi-standarder som WiFi 6 og 6E, Bluetooth Low Energy (BLE) og Zigbee. 
• Batteriteknologi – lagrer og leverer strøm til enheter, noe som gjør dem mer bærbare. Blant nyvinningene er litium-ion-batterier og nye faststoffbatterier som skal øke energitettheten og sikkerheten. Litium-ion-batterier bruker for eksempel i elektriske biler.
• Sensorer og aktuatorer – samler inn data og samhandler med det fysiske miljøet, og finnes vanligvis i smarte enheter og kroppsbårne enheter. Strømsparende design sikrer minimalt energiforbruk og bidrar til lang levetid for enheten. 

Hver og en av dem har en tydelig funksjon og spiller sin rolle i det store bildet. Ved hjelp av kontinuerlig forskning og teknisk utvikling må disse komponentene designes og konstrueres med stor omhu.

Halvledere: Elektronikkens kjerne

Halvledere er hjørnesteinen i moderne elektronikk, og fungerer som byggesteiner for en lang rekke enheter, fra smarttelefoner til bærbare datamaskiner og mye mer. Disse materialene, vanligvis silisium, har unike egenskaper som gjør at de kan lede elektrisitet under visse forhold, noe som gjør dem ideelle for styring av elektriske signaler.

Fremskritt innen halvlederteknologi

Disse materialene gir bedre elektriske egenskaper, som økt varmeledningsevne og elektronmobilitet, noe som resulterer i redusert strømforbruk og forbedret ytelse. Se hvordan disse to materialene øker energieffektiviteten nedenfor:

• Galliumnitrid – GaN-halvledere er i stand til å håndtere høyere spenninger enn sine motstykker av silisium og er kjent for sin høye effektivitet. Derfor er de perfekte for strømkonverteringsapplikasjoner, for eksempel strømforsyninger og ladere, der effektivitetsforbedringer kan redusere det totale energiforbruket drastisk.
• Silisiumkarbid – Sammenlignet med silisium kan SiC-halvledere fungere ved høyere temperaturer og har en høy varmeledningsevne. Dette muliggjør mindre og mer effektiv kraftelektronikk, noe som er avgjørende i alt fra elektriske kjøretøy til industrielt utstyr.

En annen viktig utvikling er at størrelsen på halvlederkomponentene har blitt redusert. Moores lov sier at antallet transistorer på en brikke vil fordobles omtrent annethvert år og dette er en observasjon som har bidratt til å akselerere krympingen av elektroniske komponenter opp gjennom årene. Fordi mindre transistorer krever mindre strøm for å fungere, gir denne størrelsesreduksjonen ikke bare økt datakraft, men også lavere energiforbruk.

En viktig milepæl innen halvlederskalering har vært fremveksten av FinFETs transistorer, eller Fin Field-Effect. FinFET-transistorer bruker mindre strøm enn konvensjonelle transistorer på grunn av den tredimensjonale strukturen, som gir bedre kanalkontroll og lavere lekkasjestrøm.

Strømstyringskretser: Optimalisering av energibruk

Strømstyringskretser er avgjørende for å optimalisere energiforbruket i elektroniske enheter. Ved å minimere sløsing og forlenge batteriets levetid sørger disse kretsene for at strømmen fordeles effektivt i hele enheten. En rekke viktige elementer og metoder er nødvendige for å sikre effektiv strømstyring, blant annet:

Spenningsregulatorer

Spenningsregulatorer er avgjørende for å opprettholde et stabilt spenningsnivå i en elektronisk enhet. Ved å sørge for at de ulike komponentene får riktig spenning, forhindrer de energitap som følge av over- eller underspenningssituasjoner. Energieffektive konstruksjoner bruker ofte koblingsregulatorer og regulatorer med lavt fallout.

• LDO-spenningsregulatorer – perfekte for applikasjoner med lavt strømforbruk fordi de gir en jevn utgangsspenning med lite spenningstap. De har en enkel design og rask responstid, men når spenningsforskjellene øker, synker også effektiviteten. Når det er lite spenningsfall mellom batteriet og lasten i en batteridrevet enhet, brukes ofte LDO-regulatorer.
• Switch-regulatoerer – disse regulatorene, ofte kalt switch-mode-strømforsyninger, er mer effektive enn LDO-er, særlig ved høyere spenningsomforming. De fungerer ved å slå seg raskt av og på, lagre energi i kondensatorer og induktorer, og deretter frigjøre den etter behov, noe som gjør øker effektiviteten og reduserer energitapet. 

Dynamisk spennings- og frekvensskalering

DVFS brukes til å endre prosessorens spenning og frekvens dynamisk avhengig av arbeidsmengden. I perioder med lav etterspørsel senker DVFS spenningen og frekvensen, noe som reduserer strømforbruket dramatisk. For å balansere ytelse og energiøkonomi bruker dagens CPU-er og GPU-er ofte denne strategien.

• Implementering i prosessorer – moderne prosessorer, for eksempel fra AMD og Intel, bruker DVFS for å tilpasse seg ulike databehandlingsbelastninger. CPU-en kan kjøre med redusert frekvens og spenning når den utfører enkle oppgaver som nettsurfing, noe som sparer energi. Den kan øke frekvensen og spenningen for å matche etterspørselen når det er behov for ekstra prosessorkraft, for eksempel ved videoredigering eller spilling.
• Fordeler i mobile enheter – DVFS forlenger batterilevetiden til smarttelefoner og nettbrett ved å endre CPU- og GPU-ytelsen i henhold til den aktuelle oppgaven. Fordeler i mobile enheter – DVFS forlenger batterilevetiden til smarttelefoner og nettbrett ved å endre CPU- og GPU-ytelsen i henhold til den aktuelle oppgaven.

Power Gating

Power gating bidrar til å spare energi og redusere lekkasjestrømmer ved å kutte strømmen til ubrukte deler av en krets. Denne teknikken er spesielt nyttig i integrerte kretser der visse funksjoner eller moduler ikke alltid er aktive. Power gating reduserer unødvendig strømforbruk uten at det går ut over enhetens generelle drift ved å skille disse inaktive områdene fra hverandre.

• Anvendelse i SoC – Power Gating er en nyttig teknikk som brukes av System on Chips (SoC-er), som kombinerer flere komponenter, inkludert CPU, GPU og minnekontroller, for å regulere strømforbruket på en effektiv måte. Det kan brukes til å deaktivere komponenter når de ikke er i bruk, for å spare energi.
• Bruk i mikrokontrollere – IoT-mikrokontrollere bruker ofte strømstyring for å øke batterilevetiden. Enhetens totale energiforbruk reduseres ved å slå av perifere moduler som sensorer og kommunikasjonsgrensesnitt når de ikke er i bruk.

Andre komponenter og teknologier

Energieffektive skjermer

Skjermer er en av de mest strømkrevende komponentene i elektroniske enheter, særlig i smarttelefoner og bærbare datamaskiner. For å løse dette problemet har produsentene utviklet en rekke teknologier for å forbedre effektiviteten:

• OLED-skjermer – OLED-skjermer (Organic Light Emitting Diode) er mer energieffektive enn tradisjonelle LCD-skjermer fordi de ikke behøver bakgrunnsbelysning. En OLED-skjerm bruker mindre strøm siden hver piksel produserer sitt eget lys, noe som gjør det mulig å regulere lysstyrken nøyaktig, spesielt ved visning av mørke bilder. OLED-teknologiens eksepsjonelle fargenøyaktighet og energieffektivitet gjør den til et populært valg for avanserte smarttelefoner, TV-er og wearables.
• E-ink skjermer – bruker svært lite strøm siden de bare trenger strøm for å endre innholdet som vises. E-ink er perfekt for statisk materiale, siden det ikke krever mer strøm for å opprettholde et bilde når det først er etablert. Enheter som lesebrett, elektroniske hylleetiketter og digital skilting som viser statisk grafikk over lengre tid, drar stor nytte av denne teknologien.
• MicroLED -skjermer – Den nyutviklede MicroLED-teknologien gir løfter om enda høyere energieffektivitet. Selv om de bruker uorganiske materialer kan mikroLED-er sammenlignes med OLED-er når det gjelder lysstyrke, levetid og strømforbruk. Det forventes at denne teknologien vil kunne forandre storformatskjermer, kroppsbåren teknologi og smarttelefonskjermer.

Trådløs kommunikasjon

Trådløs kommunikasjon er et annet område der energieffektivitet er avgjørende. Teknologier som Bluetooth Low Energy (BLE) og Zigbee er utviklet for å bruke minimalt med strøm og samtidig opprettholde pålitelig tilkobling. 

• BLE – mye brukt i bærbare enheter og IoT-sensorer på grunn av sin evne til å fungere i lengre perioder på små batterier. BLE sender data i korte puljer, og når den ikke er i bruk, går den inn i en strømbesparende hvilemodus for å oppnå dette. Denne tilnærmingen reduserer det gjennomsnittlige strømforbruket betydelig sammenlignet med tradisjonell Bluetooth.
• Zigbee – en trådløs kommunikasjonsteknologi som bruker lite strøm og brukes i smartgridsystemer, industrielle applikasjoner og hjemmeautomatisering. Det fungerer som et mesh-nettverk, noe som muliggjør effektiv kommunikasjon mellom enheter. Zigbee er perfekt for situasjoner der enheter må gå på batteri i lengre perioder på grunn av den lave datahastigheten og strømsparingsmodusene. 
• WiFi 6 og 6E – de nyeste WiFi-standardene, WiFi 6 og 6E, inneholder funksjoner som er utformet for å forbedre energieffektiviteten. Ved å planlegge nøyaktige perioder for oppvåkning og kommunikasjon kan enhetene spare batterilevetid ved å minimere tiden de tilbringer i aktiv modus, takket være Target Wake Time (TWT).

Batteriteknologi

Det er også gjort store fremskritt innen batteriteknologi for å øke energieffektiviteten. For bærbar elektronikk er litiumbatterier det anbefalte alternativet på grunn av deres lange levetid og høye energitetthet. Nye batteriteknologier som faststoffbatterier erstatter den flytende elektrolytten med et fast stoff. Disse har enda bedre energieffektivitet og sikkerhet.

• Litiumbatterier – har høy energitetthet, lav vekt og lang levetid. Moderne materialer og produksjonsteknikker har gitt batterier med økt energilagringskapasitet og raskere ladetid, noe som har forbedret ytelsen til alt fra elbiler til smarttelefoner.
• Faststoffbatterier – tradisjonelle litiumionebatterier bruker en flytende elektrolytt eller gelelektrolytt, mens faststoffbatterier i stedet bruker en fast elektrolytt. Denne modifikasjonen øker levetiden, sikkerheten og energitettheten. Faststoffbatterier har et stort potensiale i fremtiden, men de befinner seg fortsatt på utviklingsstadiet.
• Hurtigladeteknologi – innovasjoner som Qualcomm Quick Charge og USB Power Delivery (USB PD), gir mulighet for hurtiglading med effektiv varme- og strømstyring.

Oppsummering

Jakten på energieffektivitet er et komplekst prosjekt som omfatter fremskritt innen strømstyringskretser, halvledermaterialer og annen relatert teknologi. Hver eneste komponent spiller en avgjørende rolle, fra utviklingen av avanserte halvledere og effektive strømstyringsstrategier til oppfinnelsen av skjermer og kommunikasjonsprotokoller med lavt strømforbruk. Det er gode muligheter for enda større gjennombrudd i fremtiden, noe som vil sørge for at elektronisk utstyr fortsetter å tilfredstille dagens behov samtidig som de reduserer miljøpåvirkningen sin.