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Fuentes de alimentación para aplicaciones de gama alta

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La demanda de sistemas más eficientes, potentes y ligeros impulsa la continua miniaturización de casi todos los sistemas electrónicos. Esto también es válido para las fuentes de alimentación y se prevé que serán cada vez más compactas a lo largo del tiempo. El mercado industrial y médico de gama alta, en concreto, está llamado a crecer de manera sostenida durante la próxima década.

La nueva fuente de alimentación

Se dirige precisamente a estos sectores con modelos homologados según las normas de seguridad más recientes para medicina (IEC/UL 60601) e ITE (IEC/UL 62368). Su diseño sin ventilador se centra en los altos niveles de eficiencia y fiabilidad para ofrecer a los ingenieros de diseño un alto grado de flexibilidad durante la integración del sistema, especialmente en aplicaciones de atención sanitaria a domicilio y laboratorio, robótica y automatización. La VCCS300 es una verdadera fuente de alimentación refrigerada por conducción que proporciona el mejor rendimiento dentro de su clase cuando se utiliza en una configuración refrigerada por conducción, convección o aire forzado. Solo pesa 310g, es capaz de suministrar una potencia de salida de 300W desde un minúsculo encapsulado de 2 x 4 pulgadas (50,8 x 106,6mm) con una densidad de potencia superior a 23W/pulgada3 y, dependiendo de la técnica de refrigeración escogida, pueden entregar hasta un 80% de potencia más que los productos de sus competidores en el mismo encapsulado.

La mayor potencia de salida permite a los integradores de sistemas:

  1. Incrementar la funcionalidad sin aumentar el tamaño de su producto para albergar fuentes de alimentación más grandes, ahorrar en costes de rediseño y acortar el plazo de comercialización.
  2. Reducir el tamaño de los productos al eliminar las fuentes de alimentación más grandes con la mejora estética que supone junto con el ahorro en costes de transporte y en las emisiones de carbono.
  3. Aumentar la fiabilidad del sistema disminuyendo las temperaturas internas del sistema.

Conocimientos avanzados de las fuentes de alimentación

El diseño de fuentes de alimentación de alta densidad exige conocer a fondo la interacción y la interrelación entre diseño eléctrico, diseño mecánico, gestión térmica, seguridad eléctrica y EMI. Los elementos críticos para reducir el tamaño de una fuente de alimentación son la alta eficiencia y cómo se enfrentan los ingenieros de diseño al difícil reto de la disipación del calor interno. Las ineficiencias generan calor, que si no se elimina de manera efectiva puede aumentar en exceso las temperaturas del producto y provocar fallos prematuros o una menor fiabilidad a largo plazo. Cuando una fuente de alimentación de 300W solo alcanza una eficiencia del 90%, desperdicia 33W en forma de calor que debe ser eliminado. No obstante, cuando la misma fuente de alimentación de 300W tiene una eficiencia del 95% solo genera 16,5W de calor desperdiciado.

El calor excesivo se puede eliminar mediante una combinación de técnicas de refrigeración de convección natural, conducción o aire forzado. Vox Power ha concentrado sus esfuerzos de diseño más recientes en productos refrigerados por conducción ya que proporciona al cliente la flexibilidad de escoger el mejor sistema de refrigeración para su aplicación. Cuando se instalan correctamente, las técnicas adecuadas de refrigeración permiten una disipación muy efectiva del calor y que la nueva fuente de alimentación funcione a máxima potencia a una temperatura ambiente de hasta 40°C. Al combinar estas unidades en paralelo o en serie se pueden obtener potencias de salida de 600W, 900W y superiores, logrado así que sirva como plataforma de alimentación de numerosos productos con diversas potencias de salida. La salida de la fuente de alimentación tiene la calificación BF para aplicaciones médicas y cumple varias normas MIL-STD, por lo que está indicada para entornos adversos.

Nuevas topologías de diseño en fuentes de alimentación

En la serie VCCS300, nuestros ingenieros han recurrido a varias topologías modernas de diseño y componentes de primera categoría en una metodología de diseño integral con el fin de alcanzar eficiencias de hasta el 95%. La alta eficiencia se complementa con una atención rigurosa al trazado de la placa del circuito y a la construcción mecánica para asegurar que los componentes que generan calor, como los interruptores de potencia y los componentes magnéticos, se monten de forma que equilibren al de manera óptima la distribución del calor por todo el producto. El uso de materiales avanzados en la placa incrementa la difusividad térmica ya que mejoran y aceleran la transferencia térmica en la base integrada. Esta base proporciona una interfaz sencilla que el usuario final puede conectar fácilmente a un chasis metálico o un disipador térmico del sistema para facilitar la refrigeración por conducción y de este modo suministrar una potencia de salida de hasta 300W a 40°C sin ventiladores.

Como resultado de ello, los altos niveles de eficiencia y la buena gestión térmica acaban con la necesidad de un ventilador de refrigeración especial que resulta muy práctico en aplicaciones de mayor potencia cuyo flujo de aire es prácticamente nulo. Para sistemas más grandes con ventilador incorporado, la VCCS300 puede entregar la máxima potencia a 50°C con un flujo de aire del sistema a partir de 1m/s.

Durante la fase de diseño del producto, nuestros ingenieros aplicaron una filosofía de diseño exclusiva con el objetivo de simplificar las complejas soluciones del circuito, reducir el número de componentes y eliminar problemas de diseño en su origen. Esta filosofía se evidencia en la excelente respuesta de EMI de la unidad. Cumplir las exigentes normas médicas sobre EMC es una fuente de alimentación siempre constituye un reto importante y muchos fabricantes suelen incorporar un filtro más grande para superar este problema. En Vox Power hemos dedicado muchas horas de investigación, simulaciones del circuito, pruebas y optimización para eliminar las fuentes de ruido EMI. Como resultado de ello, la VCCS300 tiene un filtro de EMI muy pequeño que facilita aún más la disminución del tamaño total sin que ello afecte al rendimiento. El producto se ciñe a las limitaciones de la clase B que determinan las normas sobre emisiones conducidas y radiadas (EN55011) con un margen de varios dB en todo el margen de frecuencia. Destinar tiempo y recursos a identificar y eliminar fuentes de EMI a lo largo del diseño no solo ayuda a reducir el tamaño del producto sino que también mejora su fiabilidad.

El mayor nivel de aislamiento y los requisitos de distancias en el aire y líneas de fuga para las fuentes de alimentación médicas también dificultan la reducción del tamaño. En la nueva unidad hemos prestado especial atención al diseño de los aisladores mecánicos con el fin de obtener una salida con clasificación BF sin que ello afecte al rendimiento térmico o a las dimensiones del producto.

En la nueva fuente de alimentación convergen dos segmentos del mercado de potencia. El primero corresponde a las aplicaciones miniaturizadas que pueden tener un espacio limitado para una fuente de alimentación pero necesitan más potencia para lograr las funciones requeridas por la aplicación. La VCCS300 aborda este reto ofreciendo una potencia de salida mucho más elevada. Esto permite disponer de más funciones y resulta ventajoso para los clientes en su mercado. Entre tales aplicaciones se hallan atención sanitaria a domicilio, equipos móviles, ventiladores, respiradores y equipos dentales.

El segundo segmento está constituido por aplicaciones de mayor potencia en las cuales los clientes desean una reducción del tamaño pero se ven limitados por las grandes dimensiones de las fuentes de alimentación. La VCCS300 suministra una potencia de salida de hasta 300W que hasta ahora solo había estado disponible en fuentes de alimentación mucho más grandes de 5 x 3 pulgadas. Entre estas aplicaciones se encuentran láseres para medicina e industria, automatización, robótica e impresión 3D.

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