Pentingnya Karakteristik Semikonduktor untuk Desain Berkelanjutan
Microchip ology menyampaikan bahwa karakteristik semikonduktor sangat penting untuk desain sistem berkelanjutan. Semikonduktor dirancang untuk memiliki daya rendah, keandalan tinggi, kerapatan daya, serta keamanan yang terus berkembang.
Keberlanjutan global terfokus pada inisiatif lingkungan, ekonomi, dan sosial yang ditujukan untuk melindungi serta meningkatkan kondisi lingkungan alami. Inisiatif ini juga mendukung kualitas hidup yang memenuhi kebutuhan dasar manusia dan memanfaatkan teknologi yang memberikan dampak positif bagi lingkungan. Salah satu fenomena paling nyata yang ingin diatasi oleh inisiatif keberlanjutan adalah dampak perubahan iklim.
“Secara luas, perubahan iklim dipandang sebagai tantangan terbesar di zaman kita. Sumber daya keuangan dan manusia yang sangat besar telah dikerahkan untuk mengatasi penyebab dan dampak perubahan iklim, serta untuk mewujudkan transisi energi dari bahan bakar fosil ke sumber daya terbarukan.”
Pertumbuhan populasi manusia, peningkatan mobilitas elektronik, kebutuhan otomasi industri, peningkatan permintaan komputasi untuk pemrosesan data skala besar, serta berkembangnya perangkat IoT cerdas bertenaga baterai, telah meningkatkan permintaan untuk pembangkit listrik. Jika bahan bakar fosil menjadi satu-satunya sumber energi yang digunakan untuk memenuhi lonjakan permintaan ini, maka volume emisi gas rumah kaca yang lebih tinggi akan memperburuk dampak perubahan iklim yang telah terlihat.
Oleh karena itu, sangat penting bagi sumber energi terbarukan untuk menghasilkan porsi yang lebih besar dalam peningkatan permintaan listrik dibandingkan dengan bahan bakar fosil. Menurut eia International Energy Outlook 2021, antara tahun 2020 dan 2050, pembangkit listrik bersih dunia diperkirakan akan meningkat dari 25 triliun kW-jam menjadi sekitar 40 triliun kW-jam.
Porsi listrik dari sumber energi terbarukan, yang sebagian besar berasal dari tenaga angin dan surya, akan meningkat dari sekitar 30% menjadi 65% dalam jangka waktu yang sama.
Efektivitas sumber listrik terbarukan bergantung pada pemaksimalan pengalihan daya dari sumber tersebut ke jaringan listrik atau beban listrik, yang dapat berupa perangkat konsumen dan peralatan rumah tangga, atau sistem penyimpanan energi baterai skala besar. Selain itu, beban listrik perlu mengonsumsi daya dalam jumlah minimal selama pengoperasian untuk mendorong efisiensi penggunaan energi, baik dari sumber terbarukan maupun tidak terbarukan.
Untuk mencapai tujuan tersebut, sangat penting bahwa IC (Integrated Circuits) dan ASIC (Application Specific Integrated Circuits) yang merupakan konversi daya terbarukan dan sistem tertanam menunjukkan disipasi daya yang rendah, keandalan yang tinggi, kerapatan daya yang tinggi, dan keamanan.
Desain untuk Daya Rendah
Karakteristik semikonduktor yang sangat didambakan adalah konsumsi daya yang rendah. Untuk perangkat pintar bertenaga baterai dalam ekosistem berkelanjutan, konsumsi daya yang minim memperpanjang masa pakai baterai dan menghemat energi. Untuk sistem konversi DC/DC dan AC/DC berdaya tinggi dalam aplikasi energi terbarukan, konsumsi daya yang lebih rendah menandakan efisiensi sistem yang lebih tinggi.
Dua sumber utama kehilangan daya semikonduktor dalam sistem kendali tertanam adalah disipasi daya statis dan dinamis. Daya statis ditandai dengan konsumsi daya ketika sirkuit dalam keadaan “siaga” atau non-operasional, sedangkan disipasi daya dinamis ditandai dengan konsumsi daya saat sirkuit dalam kondisi operasional.
Secara umum, semakin rendah node teknologi proses dan pengurangan geometri perangkat, semakin tinggi “kebocoran” atau disipasi daya statis. Desain semikonduktor harus mempertimbangkan asumsi ini tergantung pada apakah sistemnya bertenaga baterai atau sistem konversi daya terbarukan.
Untuk meminimalkan disipasi daya dinamis dan statis, semikonduktor dirancang untuk mengurangi kapasitansi melalui desain tata letak internalnya, beroperasi pada tingkat tegangan yang lebih rendah dan fleksibel untuk mengaktifkan serta menonaktifkan blok fungsional jika perangkat dalam keadaan siaga.
Keandalan dalam Pengemasan Perangkat
Kinerja dalam sistem berkelanjutan dapat diukur melalui keandalan komponen dan daya tahan sistem. Keduanya dapat ditembus dengan pengoperasian perangkat semikonduktor pada suhu tinggi. Berdasarkan lingkungan aplikasinya, paket semikonduktor juga dapat terpengaruh oleh tekanan dan torsi mekanis, sehingga keandalan board level sangat penting.
Paket VQFN dan TQFP digunakan untuk mengemas sirkuit terintegrasi yang kompleks. Paket VQFN bekerja dengan bantalan terbuka di bagian bawah untuk menghilangkan panas dengan baik, sedangkan paket TQFP dirancang dengan kabel Gull-Wing untuk menahan getaran dan tekanan mekanis di lingkungan yang keras.
Desain paket yang sederhana memungkinkan perancang sistem berkelanjutan untuk menggunakan penutup dengan volume lebih kecil, mengurangi biaya sistem dan limbah di akhir siklus hidup produk.
Daya Tinggi dengan Miniaturisasi Sistem
Semikonduktor dengan kerapatan daya tinggi dapat bekerja pada tingkat daya tinggi dalam ukuran kecil. Ini karakteristik khas dari Silicon Carbide (SiC) dan Gallium Nitride (GaN), serta modul daya dalam aplikasi konversi daya untuk kendaraan bertenaga surya, angin, dan listrik.
SiC dan GaN memperbolehkan miniaturisasi sistem konversi daya, memungkinkan operasi pada frekuensi yang lebih tinggi sehingga dapat mengurangi ukuran dan berat pasif listrik yang diperlukan untuk mentransfer daya maksimum dari sumber terbarukan.
Keamanan yang Meningkatkan Daya Tahan
Fitur keamanan semikonduktor penting untuk pengembangan sistem berkelanjutan. Keamanan pada mikrokontroler, seperti boot yang aman, memungkinkan penggunaan kembali sistem yang ada secara berkelanjutan sambil memastikan integritas pembaruan perangkat lunak. Desain semikonduktor yang aman dapat memperpanjang masa pakai perangkat tanpa perlu penggantian.
Penyimpanan kunci yang aman dan otentikasi node merupakan fitur keamanan yang melindungi dari serangan eksternal dan memastikan hanya kode asli yang dijalankan. Fitur ini mendukung pengenalan penerimaan dan transmisi data kriptografi untuk menjaga kinerja sistem.
Desain berkelanjutan merupakan bagian dari ekosistem produsen dan konsumen energi dengan tantangan untuk menghasilkan dan menyimpan listrik secara efisien dari sumber terbarukan serta menggunakan sistem kontrol yang tepat. Semikonduktor untuk sistem produsen dan konsumen mempertimbangkan faktor desain yang berkelanjutan dalam inovasi produk, mode konsumsi daya rendah, peningkatan kerapatan daya, serta fitur canggih untuk keamanan dan keselamatan.
Aplikasi ini mencakup dari pompa dan kipas yang efisien hingga pembangkit dan penyimpanan energi yang ramah lingkungan.