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La gestión de energía: mucho más que el diseño de una fuente de alimentación

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La gestión de energía se ha convertido en uno de los problemas más importantes para los ingenieros electrónicos, con independencia de lo que estén diseñando: desde celdas individuales en un vehículo eléctrico para aumentar su autonomía hasta sensores minúsculos con batería para el IoT, donde la duración de la batería es esencial para mantener la eficacia operativa de una planta. La energía ya no consiste simplemente en un conjunto de líneas de suministro. Los diseñadores de sistemas de energía actuales deben tener en cuenta condiciones de carga que pueden variar de repente, crear líneas de suministro sin transitorias y con una tolerancia muy limitada e incluirlo todo en espacios cada vez más restringidos. En este artículo técnico, hablaremos de algunos de los problemas más importantes a los que se enfrentan los diseñadores de estos sistemas; hablaremos, especialmente, de la gestión del ruido de los convertidores, los retos de la producción y la certificación y la necesidad de reducir aún más el espacio de las placas de circuito impreso.

Introducción

El papel de los diseñadores de sistemas eléctricos cambia constantemente. Los requisitos energéticos son cada vez más diversos, no solo por la variedad de fuentes de energía (solar, técnicas de captación de energía, baterías, alimentación a través de Ethernet, inductiva o por línea), sino también por las especificaciones para cada línea eléctrica. El diseño de semiconductores también es cada vez más sofisticado y el suministro eléctrico para estos puede ser muy costoso o asequible, pues encontramos desde dispositivos SoC inalámbricos de potencia ultrabaja y con captación de energía hasta líneas de suministro en secuencia y de alta intensidad para FPGA de alta computación y procesadores de inferencias.

El problema de las transitorias y las interferencias electromagnéticas

Las transitorias pueden aparecer en una línea de suministro desde una variedad de fuentes. Un nivel alto de conmutación dv/dt, como el que usan los accionamientos de motores industriales, es una causa común de tensiones transitorias de nivel considerable. Si no se suprimen con filtros de componentes pasivos, estas transitorias pueden causar daños permanentes a los transistores de conmutación y a sus controladores y circuitos asociados. Muchas fuentes de alimentación utilizan una topología de conmutación, como reductor, elevador o reductor-elevador, para convertir la alimentación de entrada en las tensiones de salida necesarias. Aunque se trata de un método de conversión popular, eficiente y contrastado, el proceso de conmutación en sí mismo puede crear interferencias electromagnéticas que entran en las líneas de energía y se propagan. Las técnicas de filtrado tradicionales se pueden emplear para las transitorias de conmutación en las líneas de energía; sin embargo, como veremos más adelante, en algunas aplicaciones de control muy sensibles, las transitorias pueden seguir perturbando el funcionamiento de un circuito. El ruido emitido introduce más complejidades en el diseño del circuito y, probablemente, aumenta el coste. Por ejemplo, es posible que necesitemos un apantallamiento metálico o de lámina alrededor del circuito convertidor, lo que introduce etapas de producción y costes por componentes adicionales. Muchos circuitos integrados reguladores de conmutación tienen una frecuencia de conmutación fija de entre 1,5 y 1,8 MHz; este intervalo se encuentra en la parte superior de la banda de radio AM y puede ser un problema en algunas aplicaciones, como los receptores de infoentretenimiento de los coches. Una estrategia diferente consiste en seleccionar una frecuencia de conmutación de dispositivo que vaya a causar menos problemas.

Un ejemplo es el TPS6281x-Q1 de Texas Instruments. Se trata de un dispositivo con la certificación AEC-Q100 para el sector automovilístico y una frecuencia de conmutación predeterminada de 2,25 MHz (ajustable a 1,8-4 MHz con una resistencia). También puede obtener su frecuencia de conmutación a través de un reloj externo, y puede funcionar con un método de espectro disperso en el que la frecuencia del convertidor varía aleatoriamente a un nivel hasta 288 kHz superior al de la frecuencia de conmutación nominal.

Aunque se utilicen las mejores técnicas de filtrado posibles, la interferencia más insignificante de la conmutación del convertidor puede afectar a mediciones muy delicadas, como la monitorización de las constantes vitales de un paciente o aplicaciones de ensayo o medición. En estos casos, un dispositivo ideal sería el convertidor reductor TPS62840 de Texas Instruments, de 750mA y 1,8-6,5V. Se trata de un dispositivo con corriente estática ultrabaja (normalmente, 60nA) y con un pin STOP que se utiliza para detener momentáneamente el convertidor a fin de eliminar cualquier ruido de conmutación. Se coloca un condensador «hold-up» a la salida del convertidor para seguir suministrando energía a la aplicación y que siga funcionando sin ruidos (ver imagen 1). Esta técnica se puede utilizar para contribuir a mediciones muy sensibles, pero también para mejorar la relación señal/ruido en enlaces inalámbricos reducidos.

Imagen 1: función STOP en el convertidor reductor TPS62840 de Texas Instruments (fuente: Texas Instruments).

Un diseño más compacto

El espacio disponible para la electrónica es cada vez más pequeño, no solo en los diseños exclusivos de la electrónica de consumo, sino también en la automatización industrial. El espacio en las plantas de producción es escaso y, a menudo, es necesario meter todo el equipo de control para un activo de producción determinado en un único armario. Un gran número de diseñadores de sistemas de energía y equipos de ingeniería está estudiando cómo suministrar energía con una estrategia en módulos. La lucha entre el diseño modular y el discreto también tiene lugar en la electrónica, y la gestión de energía no es una excepción. Además de lograr un mayor nivel de integración funcional, los módulos también mejoran el tiempo de comercialización y evitan las desventajas de tener que contar con diseñadores de sistemas de energía cada vez más especializados dentro del equipo de ingeniería. Por ejemplo, los convertidores CC-CC existen desde hace tiempo como un dispositivo ultracompacto, con un tamaño acorde a la normativa del sector. Los diseñadores de módulos eléctricos han aprendido a integrar el CI del controlador de conmutación y varios de los componentes relacionados en un módulo compacto, con un nivel optimizado de disipación de calor y de materiales para los componentes. Texas Instruments ha desarrollado aún más este concepto y ha creado un módulo que integra uno de los componentes más grandes, el inductor, en el espacio del propio diseño. El módulo TPSM82822 solo mide 2,0×2,5×1,1mm y tiene un formato de encapsulado MicroSIP de diez pines, un estándar en el sector. Estos convertidores PWM reductores síncronos se pueden adquirir en 1 o 2A y cuentan con un modo de ahorro de energía para aumentar la eficiencia con cargas ligeras; la corriente estática puede ser de solo 4µA. El módulo funciona con tensiones de entrada de 2,4-5,5VCC y suministra una tensión de salida ajustable de 0,6-4VCC. La eficiencia operativa suele ser de hasta el 95%.

Hay una placa de evaluación disponible (TPSM82822EVM) para facilitar el diseño de prototipos con el TPSM82822 (ver imagen 2).

Imagen 2: placa de evaluación TPSM82822EVM de Texas Instruments para el módulo convertidor reductor de gran eficiencia TPSM82822, con inductor integrado (fuente: Texas Instruments).

Los problemas en las pruebas e inspecciones de la producción

Una gran parte de los CI de convertidores de conmutación más comunes se fabrica en un encapsulado QFN estándar. Aunque es un formato cómodo y se ha utilizado durante mucho tiempo, no es adecuado para las técnicas de inspección visual que requiere la industria del automóvil durante el montaje (ver imagen 3). Como se puede ver en las imágenes izquierda, superior e inferior, la junta de soldadura de un encapsulado QFN estándar suele quedar escondida por debajo del dispositivo, en su lugar en el circuito impreso. Solo hay una pequeña parte de la soldadura que queda visible desde el lateral, y esto supone un problema para las pruebas de inspección visual. ¿Está el componente totalmente soldado por debajo o hay uniones secas? Para resolver esta incertidumbre, Texas Instruments ha desarrollado un encapsulado QFN mejorado con una cavidad recubierta a los lados; esto aumenta la zona de la soldadura que se puede inspeccionar visualmente. Estos «laterales humedecibles» (ver imagen 3, a la derecha) proporcionan una junta de soldadura más grande y más accesible visualmente, eliminando así cualquier duda sobre si el dispositivo está unido de forma total y fiable a la placa de circuito impreso.

Imagen 3: laterales humedecibles en el convertidor reductor TPS62810 de Texas Instruments para el sector de la automoción (fuente: Texas Instruments).

 

Las certificaciones para diseños de alimentación con seguridad intrínseca

A medida que se empiezan a utilizar aplicaciones en el Internet industrial de las cosas y otras iniciativas de automatización de fábricas, los sistemas electrónicos se utilizan cada vez más en equipos industriales y comerciales. Es posible que algunos de estos equipos deban ajustarse a normativas de seguridad intrínseca, debido a que se utilizan en un entorno que puede contener fluidos o gases peligrosos o explosivos. Para el ingeniero de sistemas eléctricos, esto supone todo un reto técnico, ya que el proceso de conversión eléctrica suele implicar cierto grado de generación de calor; además, dependiendo de la aplicación, también se pueden producir tensiones que podrían formar arcos en los componentes, o puede haber piezas que exploten a causa de una avería.

La directiva ATEX se emplea para minimizar o eliminar el riesgo de ignición en un entorno peligroso. Los peligros de cualquier gas, vapor o pulverización se clasifican según tres zonas distintas; en el contexto de los circuitos integrados de alimentación, se considera que las fuentes de ignición probables son las chispas eléctricas y las altas temperaturas de la superficie. Por ejemplo, para un contador de gas inteligente, la temperatura máxima permitida es de 244 °C o 275 °C, dependiendo del tamaño del encapsulado. El diseño de un CI convertidor cableado y con una amplia distancia entre terminales contribuye a reducir el estrés eléctrico y la probabilidad de que haya chispas, incluso en entornos húmedos. Otro requisito es un formato de encapsulado que pueda disipar eficazmente el calor de forma que no se alcance la temperatura máxima permitida. El TPS62840 de Texas Instruments está disponible en un encapsulado HVSSOP-8 térmicamente mejorado de 3 × 5 mm. Utiliza una placa de cobre unida al sustrato del CI que es capaz de disipar todo el calor de su cuerpo de forma que no se supere la temperatura máxima.

Conclusión

La gestión de energía cambia constantemente. La energía es la base de cualquier diseño, y cada vez es más importante suministrarla de tal modo que no afecte al rendimiento de la aplicación. En este artículo, hemos hablado de algunos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas de energía y de sistemas embebidos. Puede encontrar más información sobre los CI de conversión de energía de Texas Instruments aquí.

 

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