El diseño de la red de suministro en un sistema integrado suele ser uno de los últimos factores que el equipo de ingenieros tiene en cuenta. Sin embargo, no todas las aplicaciones podrán adaptarse a una variedad y un número indefinidos de carriles de tensión. Conseguir una fuente de alimentación (por líneas de suministro o por baterías) que sea eficiente, que tenga poco ruido y que esté estrechamente regulada es algo complejo, lo que significa que estamos ante una decisión de diseño de hardware de gran importancia.

La colocación de los componentes de conversión de la alimentación en la placa de circuito impreso principal exige una evaluación cuidadosa e introduce factores adicionales, como la disipación de calor, la seguridad eléctrica y la interferencia electromagnética (IEM).
En este artículo, hablaremos sobre algunas de las decisiones que los diseñadores deben tener en cuenta al seleccionar componentes de suministro y conversión de alimentación para las placas en distintos sistemas integrados del contexto industrial.

La fuente de alimentación: un elemento esencial de cualquier diseño
Los sistemas integrados están por todas partes: controlan los electrodomésticos, siguen los pasos de las mascotas, gestionan procesos industriales y toman muestras del terreno en planetas lejanos. Las iniciativas para mejorar el rendimiento industrial, como la Industria 4.0, han impulsado el Internet industrial de las cosas (IIdC), lo que ha acelerado la necesidad de disponer de sensores y accionadores de baja potencia en centros de producción dispersos y lejanos. La supervisión a distancia de los cultivos y otras aplicaciones agrícolas trasladaron el ámbito del IdC a los campos y supuso un reto para los ingenieros, que debían suministrar una conectividad inalámbrica adecuada y métodos de alimentación de larga duración.
Uno de los elementos más importantes al diseñar un nuevo producto integrado es establecer cuál será la alimentación, ya que esto determinará el presupuesto total del suministro. La cantidad de energía disponible también influirá en algunas de las funciones y capacidades del producto. Por ejemplo, las pantallas LCD grandes consumen mucha energía durante su uso, por lo que es difícil emplear baterías para su alimentación. Del mismo modo, los protocolos inalámbricos de banda muy ancha, como el wifi, también consumen mucho en comparación con las aplicaciones diseñadas para casos de uso como el Bluetooth® Low Energy.
Las aplicaciones alimentadas por líneas eléctricas son una buena solución de suministro, pero padecen limitaciones de diseño, como el aislamiento, la conversión de potencia, la disipación del calor o el espacio disponible en las carcasas.

Opciones de alimentación
La fuente de alimentación de un sistema integrado tiene distintas características y cada una de ellas cuenta con un conjunto específico de atributos técnicos. Las fuentes de la energía, los métodos de conversión, la administración y la red de suministro son las funciones discretas esenciales de una arquitectura de alimentación. Aunque los requisitos de alimentación de cada diseño pueden ser muy distintos entre sí, estos son los elementos más importantes que los ingenieros deben revisar.
Las fuentes de la energía: hay distintos métodos populares para alimentar un sistema integrado, como las líneas eléctricas, las baterías recargables o no recargables y la recolección de energía (con una fuente o varias). ¿Necesitamos una segunda fuente para cuando haya un fallo de alimentación en las aplicaciones con líneas eléctricas? En ese caso, ¿durante cuánto tiempo debería estar disponible la alimentación de respaldo? De un modo similar, en las aplicaciones con batería, deberíamos saber cuál es la duración deseada entre las cargas o los reemplazos en las baterías. Las técnicas de recolección de energía son un método popular para prolongar la vida de la batería con cargas de mantenimiento. En el caso de algunas aplicaciones de potencia ultrabaja, quizá sea posible cambiar una batería por un supercondensador y un CI de gestión de potencia con recolector de energía (EH PMIC, por sus siglas en inglés). En los sensores IIdC, los métodos preferidos son la recolección solar, térmica o por vibraciones.
Conversión de la energía: ¿qué tensiones necesitaremos en el sistema integrado? ¿Basta con una sola alimentación de 3,3 VCC o necesitamos carriles adicionales (por ejemplo, de 1,8 o 5 VCC) para dispositivos o periféricos específicos? ¿Cuáles son las especificaciones de consumo de corriente en cada carril de alimentación? ¿Disponemos de datos sobre los perfiles de consumo? Los sistemas alimentados con líneas eléctricas necesitarán, al menos, una etapa de conversión de tensión (por ejemplo, de 240 VCA a 3,3 VCC). Un conversor CC/CC podría aportar carriles CC adicionales para reducir este valor de 3,3 VCC hasta 1,8 VCC o para aumentarlo hasta 5 VCC.
Red de suministro de energía: una aplicación integrada más compleja podría precisar de una red de suministro de energía (PDN, por sus siglas en inglés), como los carriles de tensión múltiples de los que hablábamos antes. Con el fin de distribuir la energía en una placa de circuito impreso, es posible que necesitemos algunos conocimientos especializados, ya que algunos CI son particularmente susceptibles a IEM y a transitorias de un gran nivel de dV/dt. Los diseñadores también tienen que valorar si deben colocar conversores CC/CC cerca del punto de carga. Además, es posible que algunos CI sofisticados necesiten carriles de alimentación secuenciados.
Limitaciones en el diseño de la alimentación: algunos productos integrados, como los dispositivos de seguridad médicos, pueden estar sujetos al cumplimiento de alguna normativa. El aislamiento es un elemento crucial al seleccionar un conversor CA/CC o CC/CC. En el caso de las aplicaciones médicas, este elemento está incluido en el estándar de seguridad IEC 60601, reconocido en el ámbito internacional. La eficacia energética también es una característica regulada; por ejemplo, la normativa Nivel VI establece el consumo de potencia sin carga de una alimentación por línea eléctrica en un valor inferior a 0,3 W. Los conversores y las fuentes de alimentación también deben cumplir con normativas de compatibilidad (CEM) e interferencias (IEM) electromagnéticas.
Gestión de energía y especificaciones técnicas: si el producto incluye una batería recargable, un CI de gestión (PMIC, por sus siglas en inglés) supervisa el estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) de esta y establece la corriente de carga según sea necesario. El PMIC también gestiona el rendimiento de descarga de la batería y decide cuándo se debe aislar la carga para evitar daños y un funcionamiento errático del sistema. La comunicación del PMIC y el conversor con el microcontrolador principal suele emplear el protocolo PMBus, SPI o interfaces I²C.
Implementación del suministro de energía: el equipo de ingeniería debe escoger un módulo o componente integrado para la mayoría de las aplicaciones (hablaremos de algunas de ellas en la siguiente sección). Sin embargo, quizá sea viable un método discreto si el equipo no logra acomodar las tensiones de suministro necesarias con componentes disponibles en el mercado. Siga leyendo si desea obtener más información sobre cómo solucionar problemas en el diseño del suministro.

Componentes comunes en el suministro de energía
Un ejemplo de fuente de alimentación CA/CC es la serie PBO-15C de una sola salida de CUI Inc. (Imagen 1). La serie PBO-15C de 15 W está encapsulada en un paquete en línea simple (SIP, por sus siglas en inglés) de estructura abierta para el montaje vertical u horizontal en placas de circuito impreso. Esta gama acepta el rango frecuente de 85 a 305 VCA y está disponible para tensiones nominales populares (desde 3,3 hasta 24 VCC). La salida esta aislada galvánicamente de la entrada con un valor de hasta 3000 VCA por minuto. La serie PBO se puede emplear en aplicaciones industriales y para casas inteligentes; además, cumple con los requisitos de IEC 62368 y es un diseño de Clase II (no precisa de toma de tierra).

Imagen 1: la serie PBO-15C de fuentes de alimentación CA/CC de una sola salida y 15 W de CUI Inc se puede emplear en aplicaciones industriales y para hogares inteligentes. (Fuente: CUI Inc)

La gama también cumple con la normativa EN55032 relativa a las IEM y CEM para la inmunidad por radiación y conducción. La regulación de línea —que indica cómo varía la tensión de salida cuando cambia la entrada— es superior al +/-0,5 % a plena carga. La regulación de carga —que indica el efecto de los cambios en la carga sobre la tensión de salida— es de +/-1,0 % para una carga de 0 to 100 % en el modelo de 5 VCC. El consumo energético sin carga a 230 VCA es de 0,25 W y la eficacia energética suele ser superior al 82 % para los modelos con salida de 9 y 24 VCC.
En el caso de las aplicaciones alimentadas con batería, o de las que ya tienen un conversor CA/CC, el uso de un regulador lineal podría ofrecer un método compacto, práctico y de bajo coste para disponer de un carril CC regulado. El L78L12ACZ-TR de STMicroelectronics es un ejemplo de regulador lineal de tres terminales. El L78L12 está construido en un encapsulado TO-92-3 para el montaje con orificios pasantes y ofrece una salida regulada de 12 VCC y hasta 100 mA a partir de una tensión de entrada de entre 14 y 35 VCC. La gama de reguladores L78L ofrece todos los valores nominales frecuentes, desde 3,3 hasta 24 VCC. El regulador consume una corriente inactiva (sin carga) de 6,5 mA. El diseño simple de los reguladores lineales aporta características de poco ruido, así que son elementos adecuados para aplicaciones en las que el ruido por conducción puede influir en el rendimiento del sistema (por ejemplo, una conversión exacta de señal analógica a digital).
Otro tipo de regulador lineal de poco ruido es un regulador de bajo «dropout» (LDO, por sus siglas en inglés), como el ADP151 de Analog Devices, un regulador lineal de 200 mA y ruido ultrabajo. Un LDO tiene una diferencia muy pequeña entre la tensión de salida y la de entrada.
El ADP151 tiene una tensión de «dropout» de 140 mV, en comparación con los 2 V del L78L12, del que hemos hablado ya. El ADP151 puede suministrar hasta 200 mA con una tensión de entrada de 2,2 a 5,5 VCC y es una buena opción para aplicaciones de conversión analógica por batería y de bajo ruido, así como para aplicaciones de RF sensibles al ruido. La corriente inactiva (sin carga) es de solo 10 μA. La Imagen 2 muestra la arquitectura interna del ADP151, con un amplificador operacional, una referencia de tensión interna y un transistor de paso PMOS.

Imagen 2: arquitectura interna de regulador lineal de ruido ultrabajo ADP151 de Analog Devices. (Fuente: Analog Devices)

Los reguladores lineales son tremendamente populares, pero no pueden ofrecer una tensión de salida superior a la de entrada. En función de la topología (es decir, cómo ocurre la conversión), los conversores CC/CC de conmutación pueden lograr esto y aportar una salida inferior a la tensión de entrada. Los conversores CC/CC son un método práctico y eficiente desde el punto de vista del coste y el espacio a la hora de obtener carriles de alimentación para un diseño integrado. Hay distintas topologías de conversores CC/CC. Algunas ofrecen aislamiento galvánico entre la entrada y la salida y otras no están aisladas. La mayoría se basan en dos tipos, o son iteraciones de estos: los reductores o los elevadores.
Un ejemplo de conversor CC/CC compacto y de una sola salida es la serie IZB de XP Power (Imagen 3). Se trata de conversores de 3 W aislados y regulados que están encapsulados en un formato SIP8 estándar para la industria, están disponibles en distintas combinaciones de tensión de entrada (2:1) y salida, con los valores nominales típicos (desde 3,3 hasta 24 VCC). La eficiencia suele estar entre el 68 y el 84 % y esta depende del dispositivo. La regulación de línea es superior al 0,5 % para un cambio de un 1 % en la tensión de entrada y la regulación de carga está por debajo del 1 % hasta carga completa. La frecuencia de conmutación es de 250 kHz en todas las condiciones de carga.

Imagen 3: la serie XP Power IZB de conversores CC/CC aislados en encapsulado SIP8. (Fuente: XP Power)

Otro conversor CC/CC de conmutación es la serie TSR 1.5E sin aislamiento de Traco (Imagen 4). Puede suministrar hasta 1,5 A a partir de una entrada de entre 7 y 36 VCC (15 a 36 VCC para el modelo con salida de 12 V) y hay modelos disponibles para 3,3, 5 y 12 VCC. La eficiencia suele ser del 95 % en toda la gama.

Imagen 4: los TSR 1.5 E de Traco son conversores CC/CC compactos y de gran eficiencia para aplicaciones de punto de carga. (Fuente: Traco)
Como ya hemos dicho, los diseños de algunos dispositivos portátiles por batería necesitan circuitos para cargar esta batería y ofrecer una tensión de suministro regulada. Para este tipo de circuitos, una posible solución sería el MAX77654 de Maxim Integrated, un PMIC de gran integración y potencia ultrabaja. El MAX77654 es un reductor-elevador de tres salidas, un solo inductor y múltiples salidas (SIMO) capaz de aportar salidas programables, desde 0,8 hasta 5,5 VCC. También hay disponibles salidas LDO independientes y dobles de 100 mA.
El PMIC MAX77654 está optimizado para baterías de ion-litio pequeñas con corrientes de carga programables y funciones avanzadas de supervisión de la batería, como la medición de la temperatura con los métodos de regulación térmica JEITA estándar en la industria.

La elección del suministro para placas en sistemas integrados
En este breve artículo, hemos hablado sobre algunos de los factores más importantes que debemos tener en cuenta al decidir cómo vamos a ofrecer alimentación incorporada en los sistemas integrados. El tipo de aplicación y los casos de uso previstos determinarán los requisitos de alimentación de tensión e intensidad. Como ya hemos visto, hay otros elementos técnicos que deben valorarse, como la eficiencia, el espacio disponible en la placa o la comunicación con el procesador principal. En el sitio web de Mouser, aquí, encontrará más recursos técnicos para la gestión del suministro.

AUTOR:  Mark Patrick, Mouser Electronics