Penulis: Jay Nagle (Microchip Technology Inc.)
Keberlanjutan global terpusat pada inisiatif lingkungan, ekonomi, dan sosial yang bertujuan untuk melindungi dan meningkatkan kondisi lingkungan alam. Inisiatif ini melibatkan dukungan terhadap kualitas hidup yang memenuhi kebutuhan dasar manusia dan memanfaatkan teknologi yang berdampak positif terhadap lingkungan. 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, dan untuk mewujudkan transisi energi dari bahan bakar fosil ke sumber daya terbarukan.” (Prysmian Group, 2023).
Pertumbuhan populasi manusia, peningkatan mobilitas elektronik, kebutuhan automasi industri, peningkatan kebutuhan komputasi untuk pemrosesan data skala besar, serta berkembangnya perangkat IoT cerdas bertenaga baterai meningkatkan permintaan untuk pembangkit listrik. Jika bahan bakar fosil menjadi satu-satunya sumber energi yang digunakan untuk memenuhi lonjakan permintaan ini, volume emisi gas rumah kaca yang lebih tinggi akan memperburuk dampak perubahan iklim yang sudah terlihat. Oleh karena itu, sangat penting bahwa sumber energi terbarukan harus menghasilkan porsi yang lebih besar dalam memenuhi peningkatan permintaan listrik dibandingkan bahan bakar fosil.
Gambar 1. Pembangkit listrik dunia berdasarkan sumber bahan bakar.
Menurut Gambar 1 (EIA International Energy Outlook 2021, www.eia.gov/ieo), antara tahun 2020 dan 2050, pembangkit listrik dunia diperkirakan akan menghasilkan energi (neto) yang meningkat dari 25 triliun kWh menjadi sekitar 40 triliun kWh. Porsi listrik dari sumber energi terbarukan, yang sebagian besar berasal dari tenaga angin dan surya, akan meningkat dari sekitar 20% menjadi 55% dalam jangka waktu yang sama.
Efektivitas sumber listrik terbarukan bergantung pada pemaksimalan pengalihan daya dari sumbernya ke jaringan listrik atau beban listrik. Beban listrik ini dapat berupa perangkat konsumen dan peralatan rumah tangga yang sering digunakan, atau sistem penyimpanan energi baterai skala besar. Selain itu, beban listrik itu sendiri perlu mengonsumsi daya dalam jumlah minimal selama pengoperasian untuk mendorong efisiensi penggunaan energi yang dihasilkan oleh sumber terbarukan maupun tidak terbarukan. Untuk mencapai tujuan tersebut, sangat penting bahwa semikonduktor, seperti IC (integrated circuit) dan ASIC (application specific integrated circuit), bagi konversi daya terbarukan dan sistem tertanam memiliki disipasi daya yang rendah, keandalan yang tinggi, kerapatan daya yang tinggi, dan keamanan.
Gambar 2. Karakteristik semikonduktor dalam pilar pembangunan berkelanjutan.
Desain untuk Daya Rendah
Karakteristik semikonduktor yang sangat didambakan dalam desain berkelanjutan adalah konsumsi daya yang rendah. Untuk perangkat pintar bertenaga baterai yang menjadi ciri khas ekosistem berkelanjutan, konsumsi daya yang rendah akan memperpanjang masa pakai baterai yang berarti waktu pengoperasian yang lebih lama antara pengisian ulang sehingga dapat menghemat energi. Untuk sistem konversi DC/DC (direct current/direct current) dan AC/DC (alternating current/direct current) berdaya tinggi dalam aplikasi energi terbarukan, konsumsi daya yang lebih rendah berarti efisiensi sistem yang lebih tinggi, yang menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi antara daya yang dihasilkan dan dipasok ke beban elektronik.
Dua sumber utama kehilangan daya semikonduktor dalam sistem kendali tertanam adalah disipasi daya statis dan dinamis. Daya statis ditandai dengan konsumsi daya ketika suatu sirkuit berada dalam keadaan “siaga” atau nonoperasional, yang biasa disebut “kebocoran”. Disipasi daya dinamis ditandai dengan konsumsi daya saat sirkuit dalam kondisi operasional. Secara umum, makin rendah technology node dan pengurangan geometri perangkat, makin tinggi “kebocoran” atau disipasi daya statis dan makin rendah disipasi daya dinamis. Sebaliknya, geometri semikonduktor yang lebih besar menunjukkan tren yang berlawanan.
Pertukaran ini harus dipertimbangkan ketika merancang semikonduktor untuk aplikasi tertentu, tergantung pada apakah sistemnya bertenaga baterai sehingga disipasi daya statis harus diminimalkan maupun sistem konversi daya terbarukan yang sebaiknya membatasi disipasi daya dinamis. Untuk membatasi disipasi daya dinamis dan statis, semikonduktor dirancang untuk meminimalkan kapasitansi melalui desain tata letak internalnya, beroperasi pada tingkat tegangan yang lebih rendah, serta fleksibel dalam mengaktifkan dan menonaktifkan blok fungsionalnya jika perangkat dalam keadaan siaga atau mode fungsional “tidur pulas”.
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 tingkat temperatur yang lebih tinggi. Berdasarkan lingkungan aplikasinya, paket semikonduktor juga rentan terhadap tekanan dan torsi mekanis dus keandalan board level sangat penting untuk kelangsungan sistem. Microchip Technology, bersama dengan banyak produsen semikonduktor lainnya, menggunakan paket VQFN (very-thin quad flat no-lead) dan TQFP (thin quad flat package) untuk mengemas IC yang kompleks, seperti pengendali sinyal digital dalam paket dengan faktor bentuk kecil.
Paket VQFN menggunakan bantalan terbuka di permukaan bawah kemasan untuk secara efektif menghilangkan panas dalam jumlah yang tepat. Alhasil paket VQFN bisa mempertahankan sambungan yang cukup rendah terhadap resistansi termal sekitarnya (°C/W) saat perangkat beroperasi pada kapasitas maksimumnya. Paket TQFP menggunakan kabel jenis gull wing pada pengemasan tinggi profil rendah untuk menahan gaya getaran dan tekanan mekanis lainnya di lingkungan pengoperasian yang keras. Paket TQFP bisa membantu menghadirkan keandalan board level yang tinggi.
Gambar 3: Paket TQFP dan VQFN.
Selain itu, paket sederhana memungkinkan perancang sistem berkelanjutan untuk menggunakan penutup dengan volume lebih kecil, yang tidak hanya mengurangi biaya sistem tetapi juga menggunakan lebih sedikit material. Hal ini menyebabkan volume limbah yang lebih kecil pada akhir siklus hidup produk yang dapat digunakan.
Daya Tinggi dengan Miniaturisasi Sistem
Semikonduktor yang menunjukkan kerapatan daya tinggi dinilai dapat bekerja pada tingkat daya tinggi sekaligus memiliki footprint kecil. Ini adalah karakteristik khas dari Silicon Carbide (SiC) dan Gallium Nitride (GaN) serta modul daya yang digunakan dalam aplikasi konversi daya kendaraan bertenaga surya, angin, dan listrik. SiC dan GaN mendukung miniaturisasi sistem konversi daya yang memungkinkan pengoperasian sistem pada frekuensi yang lebih tinggi. Operasi frekuensi yang lebih tinggi memungkinkan pengurangan ukuran dan bobot perangkat yang diperlukan dalam mentransfer daya maksimum yang dihasilkan oleh sumber energi terbarukan, sembari mempertahankan efisiensi sistem konversi daya yang tinggi.
Keamanan Meningkatkan Daya Tahan
Fitur keamanan semikonduktor sangat penting untuk pengembangan sistem berkelanjutan. Fitur keamanan pada mikrokontroler, seperti boot yang aman dan tidak dapat diubah, memungkinkan penggunaan kembali sistem yang ada secara berkelanjutan. Pasalnya, hal ini bisa memastikan integritas setiap pembaruan peranti lunak yang diperlukan untuk meningkatkan kinerja sistem atau menerapkan perbaikan bug dalam kode. Dampaknya, sebuah desain berpotensi digunakan untuk jangka waktu yang lebih lama tanpa mengalami penggantian dan selanjutnya dibuang karena telah usang.
Penyimpanan kunci yang aman dan autentikasi node adalah fitur keamanan yang diterapkan pada perangkat semikonduktor, yang dapat melindungi dari serangan eksternal dan memastikan bahwa hanya kode asli yang dijalankan pada desain tertanam. Fitur ini memungkinkan dua atau lebih IC untuk mengenali penerimaan dan transmisi data kriptografi antara sumber “tepercaya” tanpa mengorbankan kinerja sistem.
Gambar 4: Faktor desain untuk sistem berkelanjutan.
Desain berkelanjutan adalah bagian dari ekosistem produsen dan konsumen energi. Desain berkelanjutan memiliki tantangan untuk tidak hanya menghasilkan dan menyimpan listrik dalam jumlah terbesar dari sumber energi terbarukan, tetapi juga menggunakan sistem kontrol yang efisien untuk menggunakan energi tersebut. Semikonduktor yang dikembangkan untuk sistem produsen dan konsumen mempertimbangkan faktor desain yang berkelanjutan.
Banyak vendor semikonduktor, seperti Microchip Technology, berinovasi produk dengan mode konsumsi daya yang lebih rendah, peningkatan kerapatan daya, dan fitur yang canggih untuk keamanan dan keselamatan demi memenuhi permintaan pasar akan faktor desain yang diperlukan dalam sistem berkelanjutan, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4. Beberapa aplikasi ini berkisar dari pompa dan kipas yang sederhana tetapi sangat efisien, hingga pembangkit dan penyimpanan energi ramah lingkungan yang kompleks.