Un interesante conjunto de aspectos a tener en cuenta complica el rompecabezas de la selección, según explica Don Knowles, Vicepresidente de Ingeniería de N2Power.

Cuando usted especifica una fuente CA/CC para su proyecto, tiene ante sí una tarea al mismo tiempo sencilla y compleja. Naturalmente, ha de seleccionar una que tenga los valores adecuados de tensión y corriente de salida, así como del rango de tensiones de entrada. Ésa es de hecho la parte más sencilla.
Pero hay que afrontar otras cuestiones. ¿Qué topología de alimentación distribuida utilizará? ¿Cuáles son las opciones de tipo térmico y de ubicación/montaje de la fuente

No vamos a hablar sobre las topologías internas de los convertidores CA/CC. Hay métodos de diseño bien conocidos, pero para el usuario la fuente se ha de considerar una “caja negra” con sus características de entrada, salida y prestaciones.

Topología de distribución
Si lo único que necesita es una fuente de un solo carril CC que alimente una sola placa de circuito impreso a partir de la fuente de CA, la situación es relativamente sencilla. Por ejemplo, es posible que tenga que suministrar 12VCC a 20 A (240 W nominales) a una placa de tamaño medio, y los requisitos adicionales de alimentación se manejan a nivel local en la placa. Consíderese afortunado y pase a los  “aspectos térmicos”.
No obstante, muchas aplicaciones necesitan esa tensión única en dos o más placas, o bien diferentes tensiones (y corrientes, como es natural). Llegados a este punto, puede escoger entre una fuente de gran tamaño o varias fuentes más pequeñas, Figura 1.

Muchas aplicaciones utilizan la técnica de alimentación distribuida multietapa, en la cual la fuente CA/CC alimenta uno o más convertidores de bus intermedio (intermediate bus converters, IBC), que a su vez transforman la tensión CC de la fuente CA/CC en carriles CC de menor tensión. Por ejemplo, cada IBC puede tomar 48 VCC y suministrar 12 VCC, 5 VCC, 3 VCC y otras tensiones que necesite la circuitería, Figura 2.

Si el sistema utiliza IBC, la decisión sobre el tipo de convertidor CA/CC necesario se ve una vez más simplificada. En la mayoría de diseños hay una sola tensión de bus intermedio, como 48 VCC o 12 VCC (algunos sistemas más complejos utilizan varios carriles de alimentación con IBC). Por tanto, puede centrar sus esfuerzos en hallar una fuente (o varias fuentes) CA/CC para suministrar la tensión o tensiones intermedias deseadas con la suficiente corriente.

La eficiencia está en boga, y por buenas razones
La eficiencia se encuentra “en pleno auge” y no porque suene a políticamente correcto y virtuoso. La eficiencia y la disipación de calor en la carga tienen un gran efecto sobre el diseño y la ubicación, así como sobre los costes operativos y del ciclo de vida.

Varios estándares regulatorios exigen unos valores mínimos de eficiencia de la fuente, cuyo valor específico depende de la potencia nominal de la fuente. La buena noticia es que casi todas las fuentes de los suministradores acreditados cumplen tales estándares. Pero es preciso asegurarse de que la fuente esté certificada para los países en los cuales se vaya a utilizar su producto ya que los estándares no están completamente armonizados.

Dado que casi todas las fuentes CA/CC tienen una eficiencia del orden del 85 al 95%, ¿por qué debería prestar atención a la cifra exacta? Después de todo, las fuentes conmutadas actualmente disponibles representan una gran mejora respecto a la eficiencia del 50-60% de las antiguas fuentes lineales (no conmutadas).

He aquí el motivo: incluso unos pocos puntos porcentuales pueden marcar una gran diferencia de tres maneras. Si recurrimos al ejemplo de un casino con centenares de máquinas recreativas:

•    En primer lugar, hay que suministrar la energía añadida, que se suma y supone también un mayor coste.
•    En segundo lugar, hay que deshacerse del calor que generan las fuentes; de nuevo aumenta el coste.
•    Finalmente, el calor es el asesino de la electrónica, e incluso unos pocos grados de temperatura pueden acortar notablemente la vida operativa de una fuente, lo cual implica su sustitución, costes laborales y un producto que no genera ingresos durante algunas horas o mucho más tiempo.

Obsérvese que una fuente correctamente diseñada y construida, y que funcione dentro de las especificaciones previstas, tiene un tiempo medio hasta el fallo (mean time to failure, MTTF) de varios centenares de miles de horas. Pero un incremento de 10?C puede reducir el MTTF a la mitad.

¿Qué hacer entonces? Escoja la fuente con la mayor eficiencia que permita el coste de la lista de materiales, y tenga en cuenta también los costes operativos y del ciclo de vida. Pero preste atención a los niveles de eficiencia ya que no son constantes para todo el rango de cargas. La mayoría de suministradores proporcionan un gráfico de eficiencia respecto a la carga que indica las prestaciones de la fuente desde una pequeña carga —del orden del 10%—hasta la carga máxima. Las fuentes suelen tener un punto más favorable de eficiencia del orden del 85-95% de su máxima corriente nominal, Figura 3.

Averigüe en qué punto de la curva de carga se encuentra, así como el ciclo de trabajo de su producto, para decidir la eficiencia necesaria y las ventajas que supone el coste de una mayor eficiencia. Una fuente que trabaje sobre todo con cargas medianas (50%) y con una eficiencia del 85%, y solo de manera ocasional cerca de la carga máxima (90%) pero con una eficiencia muy superior del 95%, tendría un coste muy diferente al de una algo menos eficiente (como por ejemplo el 93%) con un 90% de carga, pero que trabaje en este punto la mayor parte del tiempo. Puede que no valga la pena el coste inicial o incluso que no tenga sentido, dependiendo de los modos de funcionamiento de su producto.

De forma parecida, no sobredimensione el tamaño de la fuente con el fin de obtener una mayor eficiencia y una vida operativa más larga. Por ejemplo, si necesita una fuente que pueda suministrar 400 W, buscará una fuente con un valor nominal del orden de 500 W. También podría conseguir una fuente de 1000 W, que desde luego tendría más capacidad de la que necesita. No obstante, sería menos eficiente que la fuente de 500 W, tendría que pagar más por la fuente y los costes operativos serían más elevados.

¿Dónde ubicar la fuente?
La ubicación y orientación de la fuente representan importantes factores para el éxito. Algunas fuentes están diseñadas  y especificadas únicamente para refrigeración por convección sin caudal de aire forzado; en otras se aplica refrigeración activa mediante caudal de aire (generalmente a partir de un ventilador, pero también se utilizan unidades de enfriamiento en algunos casos). Otras técnicas de refrigeración pasiva son disipadores de calor, caloductos y placas frías; todas ellas aumentan el coste y la complejidad del diseño.

En general, la refrigeración por aire forzado permite que el diseño de la fuente sea menos costoso, pero también hay que tener en cuenta el coste y la fiabilidad el ventilador. El suministrador de la fuente especificará el caudal de aire en pies cúbicos por minuto (cubic feet per minute, CFM), y a qué temperatura, hay que actuar sobre la fuente.

Tanto si utiliza refrigeración pasiva o activa, debe tener en cuenta asimismo la ubicación y orientación de la fuente. La mayoría de las fuentes tienen una orientación definida y, si se cambia, en los componentes que generen calor el caudal de aire será inadecuado; lo mismo ocurrirá para los componentes adyacentes. Si tiene preguntas sobre el montaje y su influencia sobre las características de la fuente, tendrá de trabajar estrechamente con el suministrador para obtener una información más detallada.

Lo cierto es que a menudo las fuentes se dejan en un lugar donde haya espacio disponible, rodeado de numerosos dispositivos y muchas veces cerca de otros elementos que generan calor, como placas de circuito impreso que incorporen procesadores o motores. La temperatura ambiente puede ser mucho más alta de lo previsto y eso es lo que cuenta, por lo que hay que asegurarse de conocer bien dónde se disipa el calor en el sistema aparte de la fuente de alimentación y cómo llega hasta allí. Pueda que haya de tener esto en cuenta dentro de su estrategia de refrigeración o de la evaluación de los parámetros de la fuente.
Y ahora pasemos a las especificaciones eléctricas

Una vez analizados los otros aspectos, ya puede centrarse en las especificaciones eléctricas. Empiece, como es natural, por la parte de CA del convertidor CA/CC, y por una pregunta inmediata acerca del valor nominal y el de la línea de CA.

¿Su línea de CA será únicamente de 120 VCA, únicamente de 220 VCA, o bien necesita manejar ambos valores nominales de la línea con una sola fuente de alimentación? En general, la fuente es menos costosa cuando funciona con un solo rango de CA, pero la diferencia es bastante pequeña para la mayoría de fuentes. Algunos suministradores ni siquiera ofrecen unidades para un solo rango de línea ya que representa un verdadero quebradero de cabeza de tipo logístico el diseño, homologación y entrega de dos fuentes similares.

La principal pregunta es la tolerancia de línea necesaria. Cuando mayor sea la tolerancia alrededor del valor nominal —5%, 10% o más— más dificultades habrá para la fuente, especialmente cuando se le exija suministrar el valor máximo de salida con el valor mínimo de línea; obsérvese que se puede especificar una fuente en todo el rango para 90 a 264 VCA. Además, las consiguientes fluctuaciones de tensión en la línea dificultan que la fuente mantenga su salida regulada, incluso si la carga no varía.

Como ocurre con la mayoría de diseños en ingeniería, estos “casos extremos “ de funcionamiento son los que exigen un cuidadoso estudio de las hojas de datos del suministrador y observar si las especificaciones máximas/mínimas se mantienen en las condiciones más desfavorables o únicamente en los puntos nominales.

Por lo que respecta a la parte de CC, busque la tensión o tensiones necesarias y el valor o calores de corriente que correspondan. No hay mucho que decir sobre esto; o bien se especifica que la fuente puede proporcionar lo que se necesita, o no lo es. Compruebe si la regulación de salida de la fuente cubre sus requisitos; se trata de la capacidad de mantener la salida nominal dentro de una tolerancia, pese a las variaciones de la corriente que proporciona la fuente.
Los suministradores ofrecen en su mayoría terminales atornillados para la salida de CC, pero también hay conectores disponibles de forma estándar. Los terminales atornillados reducen los costes de los cables de interconexión, pero exigen más trabajo de montaje final del producto y están sometidos a posibles errores de cableado.

Otras características que es preciso comprobar están relacionadas con la conformidad regulatoria. Las más importantes se refieren a la eficiencia; la corrección del factor de potencia (power factor correction, PFC) (en qué medida varía la corriente de línea respecto a la tensión); cuestiones relativas a la seguridad como modos de aislamiento y fallo; directiva RoHS (reduction of hazardous substances); de interferencia electromagnética (electromagnetic interference, EMI). Compruebe que el suministrador cumple los estándares y las certificaciones aplicables, tal como hacen casi todos (véase en la Figura 4 una tabla con la lista de conformidad de una fuente representativa, la serie XL375 de N2Power).

Si no es así, acuda a otro suministrador ya que poco podrá o debería hacer si la fuente incumple alguno de estos requisitos. Aun en el caso de que pudiera hacer algo, no hay forma de homologar la reparación y obtener la certificación, por lo que el esfuerzo en ingeniería se vería desperdiciado.

Casi todas las fuentes, como la serie XL375 de N2Power, Figura 5, incorporan funciones de protección estándar como protección frente a sobretensión (overvoltage protection, OVP), limitación de la corriente de salida y apagado (cortocircuito total), así como el apagado térmico. Esta fuente ofrece apagado por instrucción, pérdida de alimentación de entrada o siempre que se detecten cargas o temperaturas excesivas, y proporciona al sistema principal con aviso de un apagado inminente, para permitirle que realice la operación preparatoria de la gestión interna antes de perder la alimentación.

Por último, compruebe la capacidad que tiene la fuente de manejar transitorios de línea. Todas las fuentes pueden llevarlo a cabo hasta cierto punto; desde luego, existe una forma de onda de prueba de transitorios IEC. Pero su aplicación puede exponerse a transitorios mucho mayores debido a molestas cargas que se encuentren cerca (relés, motores), iluminación y otros factores. Es posible que desee añadir una mayor protección frente a transitorios mediante un componente pasivo de bajo coste en su toma a la red de CA, antes de la entrada de la fuente.

Conclusión
Las actuales fuentes CA/CC destacan por ser eficientes, compactas, versátiles y robustas, y también incorporan complejas estrategias de control, algoritmos y protección. Al mismo tiempo, cumplen una amplia variedad de estándares de prestaciones y seguridad. En primer lugar decida qué fuentes necesita y en qué punto —funcional y físico— estará preparado dar el siguiente paso, que consiste en hallar un suministrador de aquellos modelos en concreto que cubran sus necesidades y sus objetivos de coste.

Autor:

Don Knowles, Vicepresidente de Ingeniería, N2Power

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