Fuentes de Alimentación

Aumentando la eficiencia de las fuentes de alimentación para alumbrado público LED

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La iluminación exterior de estado sólido necesita de una fuente de alimentación AC a DC para conducir las cargas de LED que pueden variar en tamaño desde 1 W hasta más de 500 W.

Aumentando1Para garantizar un buen retorno de la inversión, estos convertidores de potencia deben ofrecer una eficiencia muy alta (para complementar el aumento de la eficacia de la fuente de luz) y un ciclo de vida largo (debido a los costes, y a su emplazamiento, a menudo, en lugares remotos o inaccesibles). El convertidor LLC, que funciona en conjunto con una etapa amplificadora de conversión PGC de alta eficiencia, ofrece la mejor eficiencia sobre 100 W, pero también presenta algunos desafíos antes de que se pueda conseguir un diseño fiable.


Un LLC es un convertidor de conmutación resonante que emplea un conmutador de medio puente en serie con un circuito resonante. En un convertidor LLC, los conductores de alta y baja están conectados en una configuración de medio puente con un transformador a través de un condensador en serie. La inductancia del transformador y el condensador, comprimen la carga resonante, mientras que los dos transistores de excitación del medio puente conducen alternativamente, dejando tiempo muerto entre cada fase de conducción.


Las variaciones en los parámetros de conducción y componentes parásitos en las puertas de los MOSFET de medio puente, pueden resultar en desfases temporales y, posiblemente, causar disparo y fallo catastrófico de los MOSFETs, como se ilustra en la figura 1. El riesgo de disparo es la principal limitación en la frecuencia de conmutación de los diseños LLC.


Power Integrations (PI) se ha ocupado de estas cuestiones con una nueva familia de productos denominada HiperLCS™. Los circuitos integrados HiperLCS incorporan todas las características esenciales y circuitos de protección que se necesitan para un convertidor LLC en una familia de circuito integrado monolítico capaz de hasta 440 W de salida 1. Los dispositivos incluyen dos MOSFET de potencia de 530 V, conductores de alta y baja, un controlador LLC, apagado UV y OV y protección brown-in/brown-out.

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En circuitos integrados HiperLCS, los MOSFET de salida de alta tensión junto con los conductores, cambio de nivel y el controlador están estrechamente acoplados en un sólo bloque de silicio. Esto permite un control preciso de las variaciones en el sistema de accionamiento, lo que permite una compensación de todos los elementos parásitos. Además, el tiempo muerto y la adecuación del ciclo de trabajo se ajustan dispositivo a dispositivo durante la fabricación, con ciclo de trabajo equilibrado dentro de ± 1 por ciento.


El control preciso del tiempo de conducción permite a los circuitos integrados  HiperLCS mantener el estado estacionario nomial de funcionamiento a una frecuencia de conmutación de 500 kHz y a una frecuencia de funcionamiento máxima de 1 MHz. Esta alta frecuencia de conmutación es importante porque permite el uso de condensadores cerámicos SMD de bajo coste en el circuito de salida en lugar de voluminosos condensadores electrolíticos. Los condensadores cerámicos también se prefieren en aplicaciones de larga vida tales como la iluminación de zonas, debido a que no sufren de la deriva del parámetro o fallo prematuro - a diferencia de los condensadores electrolíticos que a menudo fallan a temperaturas elevadas.
Una ventaja adicional del uso de una alta frecuencia de conmutación es que se necesitan transformadores significativamente más pequeños e inductores de salida, permitiendo la producción de diseños de perfil bajo con sólo 11 mm de altura.


El ajuste preciso de ciclos de funcionamiento, permite asegurar un intercambio preciso del ciclo de trabajo entre los dos diodos de salida y entre cada mitad del bobinado secundario del transformador. Por lo tanto, no es necesario sobredimensionar los diodos de salida para dar cabida a los desequilibrios de corriente.
Si el ciclo de trabajo se desequilibra, será necesario especificar los diodos de salida para dar cabida al peor caso de pico de corriente. El transformador también tendría que ser diseñado para suministrar la corriente más alta. Claramente, la eficiencia podría sufrir a causa de las pérdidas I2R resultantes de los picos de corriente más altos.

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La figura 6 incluye los elementos esenciales de una fuente de alimentación completa con el dispositivo de salida HiperLCS. En la entrada de alimentación AC, un circuito integrado condensador de descarga X CAPZero™ ahorra energía mediante la prevención de fuga de corriente continua a través de resistencias de protección de descarga. Un circuito integrado HiperPFS™, un corrector del factor de potencia de alta eficiencia, suministra 380 VDC a la etapa de salida del dispositivo HiperLCS. Los dispositivos en la familia TOPSwitch™-JX proporcionan un suministro stand-by de muy bajo consumo que cumple dos funciones: en primer lugar, permite funciones tales como apagado y encendido remoto del suministro principal, y segundo, suministra 12 VDC a los dispositivos HiperPFS y HiperLCS, mientras que la fuente principal está en modo de espera.


Eficiencia
Los circuitos integrados HiperLCS tienen dos modos de uso. Para diseño de alto rendimiento, su circuito de control resonante proporciona una baja pérdida de energía, permitiendo diseños que son mayores al 97% de eficiencia a una frecuencia de conmutación nominal de 66 kHz. Si el coste y el tamaño son los criterios de diseño determinantes, entonces, necesitamos una frecuencia de conmutación más alta. En este caso, la eficiencia todavía permanece alta - por ejemplo, 96%, a 250 kHz, la frecuencia en la que se consigue la máxima potencia.
Cuando se acopla al punto de entrada de un corrector de factor de potencia HiperPFS, como en la Figura 6, el diseño alcanza los niveles generales de rendimiento de más del 89% a plena carga.


Modelado
Los circuitos integrados HiperLCS permiten al diseñador optimizar el diseño estableciendo parámetros tales como las frecuencias máximas y mínimas de conmutación y el tiempo muerto para que coincida con los requisitos de potencia del tren.

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La frecuencia a la que el suministro entra en el modo de ráfaga también se puede ajustar. Esto permite que el tren de potencia pueda ser optimizado para una máxima eficiencia mientras que se mantiene la regulación en carga cero durante el aumento de la tensión de entrada.


Con todas estas opciones disponibles para el diseñador, es esencial utilizar una herramienta de modelado exacto para simular el comportamiento del circuito y automatizar el diseño del transformador y los inductores. El software Power Integrations’Xls Expert Suite Versión 8, una herramienta de diseño y modelado en tiempo real, es totalmente compatible con los diseños HiperLCS. El software proporciona plena campacidad de diseño para el primer paso, tanto para el transformador y como para el tren de potencia de resonancia. El modelo de conmutación único dentro del Xls está dentro de una precisión del 3%. Esta es una gran mejora en la mayoría de los modelos simplificados de AC que sólo tienen una precisión dentrol del 15%. La precisión mejorada acorta, significativamente, el ciclo de diseño mediante la eliminación de la creación de prototipos de múltiples iteraciones. La nota de aplicación AN-55, publicada por Power Integrations, contiene un procedimiento paso a paso para utilizar Xls en el diseño diseñar una aplicación(2) HiperPFS.


Diseño ajustado
Con la conmutación de altas corrientes en frecuencias de 500 kHz, debe entenderse que la colocación de los componentes y del cableado requiere una especial atención a fin de lograr el máximo rendimiento. Ciertos pins del CI HiperLCS, como el pin FEEDBACK o el pin DEAD-TIME/BURST FREQUENCY son sensibles al ruido y por lo tanto necesitan desacoplamiento. El transformador es una fuente tanto de altas señales di / dt como de ruido dv / dt. Las señales di / dt se pueden acoplar magnéticamente a circuitos sensibles, mientras que las señales dv / dt pueden incorporar ruido a través de acoplamiento electrostático. El acoplamiento de ruido electrostático puede ser reducido conectando a tierra el núcleo del transformador, pero no es económicamente viable para reducir el campo de dispersión magnética alrededor del transformador sin reducir drásticamente su eficacia. Las trazas y los componentes sensibles (como el acoplador óptico) debe ser colocado lejos del transformador para evitar la captación de ruido.

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La hoja de datos HiperLCS contiene información más detallada de cómo abordar la colocación de componentes y rastrear problemas de diseño. La figura 7 muestra un ejemplo.


El Informe “Power Integrations’ Reference Design Report RDR-239” describe un completo diseño HiperLCS apropiado para aplicaciones de iluminación exterior. El convertidor genera una salida de 6,25 A a 24 V con una eficiencia > 95% a plena carga(3) . El kit de diseño de referencia RDK-239 incluye una fuente de alimentación, dispositivos de muestreo, PCB despejada, hoja de datos, informe de ingeniería integral, software de diseño PI Exper y otra documentación relacionada.


Con HiperLCS, Power Integrations ha realizado el diseño de convertidores de alta eficiencia LLC de una forma más simple y más rápida. El dispositivo integrado por si mismo trata de la sincronización y el control de parásitos, y los ejemplos de evaluación hechos dan al diseñador una ventaja de inicio. La tecnología HiperLCS es un nuevo recurso para la puesta en marcha de iluminación LED pública y de zonas, utilizando convertidores de mayor eficiencia para proporcionar ahorros aún mayores en el consumo de energía.

 

Referencias
1.    LCS700-708 HiperLCS™ Family Integrated LLC Controller, High-Voltage Power MOSFETs and Drivers. June 2011. www.powerint.com
2.    Application Note AN-55 HiperLCS Family Design Guide. June 2011. www.powerint.com
3.    Reference Design Report for a 150 W LLC High-Voltage DC-DC Resonant Converter Using HiperLCSTM LCS702HG. September 13, 2011. www.powerint.com

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