Fuentes de Alimentación

Por qué los requisitos de la fuente de alimentación no deben limitar el diseño

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La ingeniería está llena de tópicos y uno de ellos es que la alimentación siempre es lo último a tener en cuenta. Al igual que ocurre con la mayoría de los tópicos, esta frase tiene algo de cierto porque las especificaciones del diseño suelen variar a lo largo de la vida del proyecto. Las nuevas funciones suelen afectar a la potencia total necesaria, lo cual puede exigir a su vez aumentar la capacidad de los convertidores CC/CC o el número de reguladores distribuidos por el diseño. En última instancia, las nuevas funciones también exigirán más a la fuente de alimentación principal.

Los ingenieros responsables de los subsistemas de alimentación de un diseño deben asegurarse de que la fuente de alimentación principal (la cual, a menos que el dispositivo solo se alimente por medio de baterías primarias, tendrá como punto de partida probablemente una toma de corriente CA), pueda cubrir la demanda. Esto implica a su vez la necesidad de un convertidor CA/CC y entonces surge la pregunta: ¿ese convertidor debería ser interno, es decir, perteneciente al propio diseño, o externo? 

Cada opción ofrece sus ventajas. Un convertidor interno formará parte del diseño en su conjunto y ello podría aliviar los requisitos de seguridad y posiblemente, aunque no necesariamente, disminuir el coste total. Por otra parte, un convertidor externo ofrece una mayor libertad por lo que se refiere a la potencia total necesaria. Si se opta por un adaptador externo de corriente, todo incremento posterior sobre la salida del adaptador no tendrá consecuencias sobre el diseño para el resto del producto. Por ejemplo, un aumento del 20% de la potencia de salida del adaptador podría afectar de manera proporcional al tamaño del adaptador interno y exigiría reevaluar los valores de gestión térmica. Un adaptador externo, en cambio, se podría cambiar sin que ello afectara al tamaño y la forma de otros parámetros del diseño del producto principal.

Además, si el producto principal utiliza baterías secundarias un adaptador externo será casi con total seguridad la opción preferible ya que permite diseñar el encapsulado del producto con independencia de cuáles sean el tamaño, peso y coste de los componentes requeridos para la conversión CA/CC. Con la electrónica moderna, el espacio que necesita el adaptador puede ser considerable si se compara con los componentes de alta integración empleados; por ejemplo, no esperamos utilizar un adaptador CA/CC en una tablet. Incluso muchos ordenadores portátiles utilizan ahora un adaptador externo en lugar de una fuente de CA.

Las exigencias de un adaptador CA/CC sobre el diseño no se deberían ignorar en ningún caso, pero tampoco deben convertirse en una limitación si se opta por un adaptador externo. Suponiendo que un adaptador externo sea la opción adecuada para el próximo producto, seguirá siendo preciso tomar una serie de decisiones de diseño en función de diversos factores, como vamos a explicar a continuación.

 

La seguridad es lo primero

En la mayoría de los casos, un adaptador externo suministrará una sola tensión CC al dispositivo, permitiendo así reducir la tensión de la fuente principal y distribuirla por los subsistemas del producto. Esta tensión CC principal debe proporcionar la potencia suficiente en una sola conexión para alimentar todo el producto, por lo que hay que prestar atención el tipo de conector utilizado.

Los adaptadores externos recurren a diversos tipos de conectores. En dispositivos portátiles de bajo consumo (como smartphones y tablets) predomina el conector USB. La llegada de USB 3.x con un conector de Tipo C (también denominado simplemente USB-C) potenciará aún más su presencia ya que permite suministrar hasta 100W a 20V CC si se implementa la parte correspondiente de la especificación. Por otro lado, el venerable conector macho sigue siendo popular, así como los conectores en forma de D con varias clavijas que vemos a menudo en los adaptadores para dispositivos electrónicos que requieran potencias más elevadas.

 

Figura 1: Existen muchas opciones a la hora de seleccionar el conector adecuado para el adaptador externo de corriente (Fuente: CUI) 

El cableado va en consonancia con el tipo de conector utilizado. De nuevo las necesidades de potencia lo determinarán hasta cierto punto por lo que se refiere al calibre del cable, pero también que tener en cuenta los aspectos relacionados con la seguridad, bien sea por la longitud del cable y otras características. Si el usuario prevé introducir cambios en el conector, por ejemplo en su tamaño o formato a través de adaptadores opcionales, ello podría afectar también a la certificación de seguridad.

Dado que la CA es potencialmente peligrosa, los adaptadores deben estar debidamente certificados y deben llevar la marca de conformidad, al menos si se van a usar en la mayoría de los países. Si bien existe una cierta intención de universalizar estos requisitos, lo cierto es que existen diferencias por zonas geográficas. Algunas características son comunes en varias de ellas pero hay que respetar todas las diferencias. Es importante destacar que algunas aplicaciones añaden sus propios requisitos, por ejemplo los equipos médicos. Es probable que el fabricante sepa antes de iniciar el diseño si el adaptador debe cumplir estas especificaciones dependiendo del tipo de aplicación y del país o la región en la que se instalará. En caso de duda lo mejor es consultarlo con un experto como CUI.

Otro requisito relacionado con el diseño es la interferencia (EMI) y la compatibilidad electromagnética (EMC). El cumplimiento de los estándares de EMI y EMC también depende de cada región y a menudo los ensayos son la única forma de saberlo con certeza. En muchos casos puede que se necesite aplicar algún tipo de filtrado para disminuir las emisiones a ciertas frecuencias; las perlas de ferrita constituyen quizás la solución más habitual. Una vez más, expertos como CUI pueden ayudar a los fabricantes a cubrir los requisitos.

 

Requisitos de tipo regional

Muchos aspectos relacionados con la alimentación eléctrica se encuentran regulados, como los adaptadores tanto internos como externos. Desde luego, si es externo los valores se aplicarán únicamente al propio adaptador, mientras que si es interno probablemente se aplicarán a todo el producto. Aunque parezca lo contrario, esto es relevante porque un adaptador que ofrezca altos niveles de eficiencia no debería sufrir las ineficiencias que pueda haber presentes en otras partes del producto.

A modo de ejemplo, el consumo de muchos productos en ausencia de carga debe cumplir loa estándares de eficiencia adoptados por diversos países. En EE.UU. es obligatorio cumplir al estándar Level VI del Departamento de Energía (que se ha basado históricamente en el estándar de la California Energy Commission presentado en 2004). Este estándar, que actualmente se aplica en todo EE.UU., estipula la eficiencia del adaptador externo de corriente y su consumo en espera. Por ejemplo, un adaptador de este tipo que suministre una sola tensión CC para una potencia superior a 250W debe ofrecer una eficiencia mínima del 87% y consumir menos de 0,5W sin carga. CUI proporcionan información sobre muchos de los estándares vigentes en todo el mundo y cómo se aplican a los adaptadores externos de corriente. Baste señalar que si el adaptador no cumple la norma no se puede poner en servicio. Si la fuente de alimentación la cumple pero se halla dentro de un producto que no lo hace, el rediseño de la fuente de alimentación probablemente no servirá de nada. Por otro lado, el diseño de un adaptador externo de corriente que cumpla las normas permitiría a un fabricante utilizar dicho diseño en muchos de sus productos o incluso comercializarlo en el mercado posventa.

 

Figura 2: Estándares de eficiencia y su evolución a lo largo del tiempo (Fuente: CUI)

Otros aspectos del diseño a tener en cuenta son el tipo de enchufe utilizado para la conexión a la toma de corriente CA. Es obvio que existen versiones distintas dependiendo de la zona geográfica pero cada es más habitual diseñar con adaptadores externos certificados para que funcionen en varias regiones. De hecho, una de las principales ventajas que ofrece la elección de un adaptador externo es que también logra que el producto principal sea prácticamente universal.

A este respecto es importante evaluar si el adaptador se conectará directamente a la toma de corriente o bien si usará un cable de entrada de CA. Es probable que esta decisión dependa de dos cosas: la estética del producto y la potencia requerida. Los adaptadores que deben suministrar alrededor de los 100W disponibles con USB-C pueden optar por la versión con cable de CA y esto ofrece de nuevo la oportunidad de que una sección desmontable que se adapte a cada región.

También hay que pensar en el tamaño total del adaptador. Si es un aspecto importante, podría ser una buena idea recurrir a las tecnologías más avanzadas de semiconductor, como el nitruro de galio (GaN), que logra una mayor eficiencia de conmutación que a su vez mejora la eficiencia térmica y permite incrementar la frecuencia de conmutación y, como resultado de ello, la densidad de potencia. Dicho de forma sencilla, una mayor eficiencia permite reducir el tamaño total. Esto puede ser importante para un adaptador externo de corriente destinado a un dispositivo portátil o bien para ofrecer una mejora al usuario final que deba vérselas con un adaptador grandes y toscos situados bajo su mesa, tras un aparato o en el algún otro lugar cercano.

 

 

Soluciones a medida

Como se ha señalado antes, es perfectamente factible comercializar adaptadores externos de corriente como alternativa las fuentes de alimentación internas del propio fabricante. También tiene mucho sentido el diseño y la fabricación de la propia fuente de alimentación externa por parte de un proveedor especializado como CUI. Esta compañía ofrece numerosas opciones para personalizar un adaptador externo de corriente que se ajuste al diseño de su producto. En este caso, disponer de un adaptador que luzca su marca como si hubiera sido fabricado en sus plantas supone una gran ventaja y es tan solo uno de los servicios añadidos que proporciona CUI.

 

Figura 3: Poner la marca en un adaptador externo forma parte de su propuesta de valor (Fuente: CUI)

 

No conviene olvidar que, en última instancia, el adaptador debe ser capaz de suministrar los niveles adecuados de tensión y corriente al dispositivo que alimenta, lo cual nos lleva de vuelta a la premisa de que la fuente de alimentación siempre es lo último que se diseña. Es habitual que el equipo de diseño no sepa con total certeza, cuánta potencia necesitará un producto. Si el adaptador CA/CC va a ser interno, esto representa un reto para el diseño, pero si la decisión de que el adaptador sea externo se toma lo antes posible, ello libera a los ingenieros y les permite centrarse en las características y la funcionalidad del propio producto. Es aquí donde CUI puede ser de mucha ayuda al asumir el diseño y la fabricación del adaptador externo de corriente, diseñado para suministrar los niveles requeridos de tensión y corriente, cumplir todas las normas internacionales de seguridad y eficiencia, añadir la marca del cliente con su propio estilo e incorporar los conectores escogidos por este.

Autor: Ron Stull, Ingeniero de Sistemas de Potencia, CUI Inc.

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